高填陡坡路堤穩定性分析及處治方案

■潘建標

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

高填陡坡路堤穩定性分析及處治方案

■潘建標

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

福建省某高速公路K129+600緊急制動車道，路堤填方中心填高10～61m，部分高填陡坡地段形成52～87m高填方邊坡，具有橫坡陡、填方邊坡高度大等特點，直接影響路堤整體穩定性。本文對填方邊坡穩定性、應力應變特性進行了計算分析，總結影響邊坡穩定性的因素及邊坡變形特征；在天然陡坡上正常填筑路堤將會導致路堤失穩，巖土分界處出現應力集中現象，填方邊坡將沿土石分界面產生滑動，從而引發上部路基滑移，形成牽引式滑坡。填方邊坡采用了清表、開挖臺階、填石、加大噸位碾壓、反壓及漿砌片塊石坡腳擋墻等綜合處治措施，取得了良好的效果。

髙填路堤 穩定分析 應力應變 處治措施

近年來隨著我省高速公路的不斷建設，經濟較為發達的地區以及地形較為平坦的地區的高速公路已基本建成，高速公路建設逐漸向地形地質條件復雜的山區延伸，超過50m的高填陡坡路堤逐漸普遍，在陡坡區進行這種大體積填方加載，不僅容易產生沉降，且易產生滑動，直接影響路堤自身穩定。本文以福建省閩北某高速公路K129+600緊急制動車道高填方路堤為例，對填方路堤穩定性、應力應變特性進行了計算分析，總結出邊坡穩定性影響因素及邊坡變形特征，并提出相應的綜合處治措施。

1 工程概況

福建省某高速公路K129+600緊急制動車道高填方路堤部分位于陡坡區，擬建場地屬中低山地貌，地形起伏大，坡面植被發育，地表坡度一般25～40°，局部地段可達50°以上。斜坡區覆蓋層為殘坡積含碎石粘性土，厚0～3m，下部為碎塊狀強風化凝灰熔巖及弱風化凝灰熔巖，為較軟巖-較堅硬巖，巖體破碎，強度較高；場區地下水類型為基巖裂隙水，受地形及巖性影響，僅為淺層風化裂隙水，水量較小。

由于本項目該合同段K115+890～K142+050路段為長下坡路段，長26.160km，平均縱坡達2.483%，該段地形復雜，橋隧相聯，構造物比例達91.8%，從安全角度考慮，必須在K129+600處設置緊急制動車道，由于緊急制動車道縱坡太大，不宜采用橋梁方案，同時考慮路段土石方平衡及棄土場選址困難，該緊急制動車道及主線設計采用填方路堤通過。路堤中心填高10～61m，路堤底部最大寬度超過200m。設計左側邊坡結合主線路基填筑，第一階邊坡坡率為1∶1.5，第二階采用路堤擋墻;右側邊坡采用2～10 級放坡， 邊坡坡率為 1∶1.3、1∶1.5、1∶1.75， 單級坡高8m。主要有圖1、圖2兩種斷面形式：

圖1 典型橫斷面一

圖2 典型橫斷面二

其中橫斷面一填方路堤位于陡坡之上，坡度一般25～40°，路堤中心填高 15～25m，形成的填方邊坡高 52～66m，填方邊坡穩定性問題是該路段主要工程地質問題；橫斷面二中原始地面相對平緩，且邊坡坡腳填至對面山坡，形成反壓，工程條件相對斷面一路段較好。本文主要以橫斷面一為例，討論陡坡路段高填路堤穩定性及變形特性。

2 主要工程地質情況

該段陡坡路堤具有如下特點：

(1)地形橫坡較陡，最大橫坡可達50°；

(2)斜坡區覆蓋層為殘坡積含碎石粘性土，厚0～3m，其物理力學性質較差；

(3)填方邊坡高度大，填方邊坡高達52～66m。

根據以上特點綜合分析，在天然陡坡上填筑路堤可能存在如下工程地質問題：

(1)路堤整體可能沿原覆蓋層及土石交界面產生滑移；

(2)路堤出現較大的工后沉降和不均勻沉降。

針對以上的實際工程條件情況，進行穩定性分析及應力應變分析。

3 髙填陡坡路堤穩定性分析

3.1 計算模型

根據填方路堤橫斷面特點，選取典型斷面AK0+215橫斷面建立計算模型。AK0+215橫斷面布置為：路堤中心填高22.9m，路面寬12m，路堤底部最大寬度約136m。左側邊坡采用2級放坡，第一階邊坡坡率為1∶1.5，第二階采用路堤擋墻;單級坡高8m;右側邊坡采用8級放坡，邊坡坡率為 1∶1.3、1∶1.5、1∶1.75，坡腳采用路堤擋墻，單級坡高8m，形成填方邊坡高62m。計算模型如圖3。

圖3 計算模型(AK0+215橫斷面)

根據勘察報告及相關規范，并結合工程經驗綜合確定各層巖土體計算參數(見表1)。

表1 巖土體計算參數表

3.2 計算工況

填方邊坡穩定性及變形特征除受填料性質、車輛荷載、降雨等影響外，主要受覆蓋層厚度及其物理力學性質影響。主要考慮以下3種工況進行填方邊坡穩定性驗算及變形特征分析。

工況一：天然狀態；

工況二：清除土層，即清除原始邊坡覆蓋層，采用土方填筑；

工況三：清除土層，即清除原始邊坡覆蓋層，采用石方填筑。

計算結果見圖4～6及表2。

圖4 工況一最不利滑動面計算結果

圖5 工況二最不利滑動面計算結果

圖6 工況三最不利滑動面計算結果

表2 穩定性分析計算結果

由計算結果可知，工況一(天然狀態土方填筑)最危險滑動面經過斜坡土石分界面及坡底土石分界面，天然狀態下填方邊坡穩定性系數為0.872～0.946；工況二(清除土層土方填筑)最危險滑動面滑坡前緣位于坡腳擋墻上緣，滑坡后緣位于填方坡頂平臺，填方內部由于剪切破壞產生連貫的滑動面，穩定性系數為0.958～0.997，工況二較工況一邊坡穩定性系數有所提升；工況三(清除土層石方填筑)填方邊坡穩定性系數為1.346～1.396，最可能滑動面前緣位于坡頂以下第二階平臺處，后緣位于坡頂平臺處。綜上，工況三較工況二邊坡穩定性系數能提高35%以上。因此，原邊坡覆蓋土體物理力學性質及填料對填方邊坡的穩定性都有較大影響。

4 高填陡坡路堤變形特征分析

為進一步研究高填方路基地基與填方路堤內應力分布和變形特征，采用平面有限元法，對高填方邊坡應力-應變進行模擬分析。路堤填方高度大，地形邊坡陡，在填方自重的作用下，將引起較大的變形和差異沉降。通過對變形的研究，可以得到變形破壞的形式和變形破壞的程度，是對高填方地基穩定性評價的不可缺少的部分。

4.1 計算模型

選取AK0+215橫斷面進行填方路堤應力應變分析，計算模型見圖7，計算參數見表1。

圖7 計算模型(AK0+215橫斷面)

4.2 應變特征分析

由圖8可以看出水平位移集中在填方邊坡右側中部附近，水平位移為0～0.37m。其中第三級邊坡水平位移最大；由圖9可以看出垂直位移主要集中在填方邊坡的中上部位置，位移值為-0.63～0m，其中第三級邊坡垂直位移最大。由圖10可以看出最大位移在填方邊坡右側第三級附近，最大值為0.73m；同時可知填方邊坡易沿土石分界處產生滑動，路基右側沉降大于路基左側沉降，路面將出現明顯的不均勻沉降，路基右側可能出現錯落，路面及路基左側易產生拉裂縫。

圖8 X方向位移

圖9 Y方向位移

圖10 最大位移

4.3 應力特征分析

由圖11可以看出天然狀況下填方邊坡最大主應力值為0～1445kPa，最大值出現在巖土體最厚處，等值線在填方體內呈現條形分布，與填方體形態基本一致；由圖12可以看出天然狀況下填方邊坡最小主應力值-934.3～666.6kPa，最小值出現在填方左側與原地基土交界處，為拉應力。由圖13可以看出天然狀況下最大剪應力值為0.964～534.8kPa，在填方路基兩側擋墻與原地基土交界處及土石分界處出現應力集中現象，可能導致填方體在坡腳處發生剪切破壞，并沿土石分界處產生滑動，即右側填方邊坡發生破壞，坡面產生裂縫，進而誘發上部路基滑移，產生牽引式滑坡，這與邊坡穩定性分析結果一致。由圖14可以看出最大剪應變等值線密集處出現在土石分界面附近土體內，最大值為0.069，存在較大的潛在破壞。

另外由表3可看出，在3種工況下填方邊坡應力沒有明顯變化。工況二水平位移降幅為5.41%，垂直位移降幅為4.76%，剪應變降幅30.43%；工況三條件下水平位移降幅為45.95%，垂直位移降幅為46.03%，剪應變降幅62.32%。可以看出填方路堤沉降主要受填料影響，水平位移主要受原邊坡覆蓋層土體性質影響。

圖11 最大主應力

圖12 最小主應力

圖13 最大剪應力

圖14 最大剪應變

表3 應力特征分析計算結果

5 處治措施

通過上述分析可以看出，若不經工程處理直接進行路基填筑，將造成路堤不均勻沉降及失穩。要提高填方路堤穩定性可從以下幾個方面考慮：①改善原始邊坡覆蓋層土體力學特性；②增強路基填料強度，控制填料規格，加強施工控制；③對坡體進行反壓，設置支擋結構。基于上述考慮該段填方路堤采用了清表、挖臺階、采用石方填筑、加大噸位碾壓、坡腳反壓或坡腳漿砌片塊石擋墻等綜合處治措施，具體如下：

(1)清表：原邊坡覆蓋層土體力學性質差，且厚度一般不大，可將其清除。同時由于原邊坡縱坡較陡，原地面采用開挖臺階，臺階寬度2～10m。

(2)石方填筑：路基要求采用石方填筑，不得填土。填方石料抗壓強度不小于35MPa，用于護坡碼砌的石料抗壓強度不小于40MPa。對于路堤石料的開采，采用密集深孔毫秒微差爆破技術，可以實現爆巖塊度80%在20～30cm之間。在填筑路堤過程中嚴格控制填料的粒徑，對超粒徑的石塊要進行二次解小，不能解小的不得用于路基填筑。

(3)分層填筑：路堤采用逐層填筑，下路堤每層松鋪厚度小于45cm，上路堤每層松鋪厚度小于35cm。每層填料分兩次填筑，先填筑粗顆粒石料，厚約松鋪層厚度的3/4，用推土機將粗粒層攤平穩壓一遍，再填筑一層石屑或石渣，厚約松鋪層厚度的1/4，其用量約占粗石料的15%～20%，予以填滿大粒徑填料之間的縫隙，攤鋪層面應相對平順，利于碾壓。另外通過碾壓后密實的細粒層可以起到一定的阻水作用，減少施工期雨水的下滲。

采用大噸位推土機整平攤料，整平過程中要將粗細填料混合均勻，加強填料顆粒的相互擠壓，使其有較好的平整度，避免有明顯的坑槽、低洼或凸起的石塊。

(4)分層碾壓。

①整平后的路堤適當灑水，以利于碾壓時石塊移動、嵌鎖。

②壓實時的操作要求，應先壓兩側(即靠路肩部分)后壓中間，壓實路線對于輪碾應縱向互相平行，反復碾壓。

③碾壓時，先輕后重，先用25T輪式振動壓路機或相近的重型壓路機初壓兩遍，起穩壓作用，選擇穩定的測點，便于施工中觀測。

④穩壓后再采用加大噸位的壓路機復壓6～8遍。加大噸位的壓路機主要參考技術指標如下：額定功率220kW，激震力590/450kN，最大總作用力810kN。復壓時橫向重疊40～50cm，縱向重疊100～150cm，做到無漏壓、無死角。

⑤施工過程中的路堤壓實度主要以沉降差法控制，必須碾壓至沉降差達到規定要求為止。

坡腳反壓或漿砌片石擋墻：為進一步防止邊坡從坡腳剪出，在填方邊坡坡腳處采用石方填筑形成反壓平臺，壓至對向山包；對反壓困難位置，采用漿砌片塊石擋墻收口。坡面采用2m厚碼砌邊坡。

經驗算采用上述措施后填方路堤及地基整體穩定性系數為1.393(見圖15)，滿足安全性要求。同時監測結果表明路堤無明顯工后沉降，滿足工程建設要求。

圖15 處治后填方邊坡穩定性計算

6 結論

福建省某高速公路K129+600緊急制動車道高填方路堤存在橫坡陡、地表土體物理力學性質差、路堤填方邊坡高度大等特點，本文對填方邊坡進行了穩定性分析、應力應變特征分析，并提出了相應的治理措施，形成以下結論：

(1)在天然陡坡上填筑路堤將會導致路堤失穩，填方邊坡將沿土石分界面產生滑動，從而引發上部路堤產生滑移，形成牽引式滑坡。填方邊坡穩定性受原始邊坡覆蓋層土體力學性質影響較大。

(2)土石分界面處出現應力集中現象，土石分界面處土體剪應變值最大，填方邊坡易沿土石分界面產生滑動，這與穩定性分析是一致的。填方邊坡最大水平位移出現在路堤右側三級坡面處，最大垂直位移(沉降)出現在二級坡面處，最大剪應變出現在土石分界面處土體內部。填方路堤沉降受路基填料力學性質影響較大。

(3)針對邊坡上述特點，提出清表、挖臺階、采用石方填筑、加大噸位碾壓、坡腳反壓或坡腳漿砌片塊石擋墻等綜合處治措施，能有效提高填方路堤及地基整體穩定性，路基的整體穩定及沉降滿足工程建設要求。

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