山區高填陡斜坡路堤接棄土場或填平區問題研究

陳祖鑫

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

0 引言

福建省位于東南沿海地區，山區地形地質復雜，高等級公路布線較為困難，橋梁和隧道所占比例較高，施工難度大；同時，山區公路工程填挖量大，造價高。為了確保高等級公路的技術標準，修筑山區公路時，局部路段只能采取高填或深挖的措施來解決跨溝或越嶺的問題。

在高填陡坡路基所在的山坳地段， 常常可以設置為棄土場或填平區，如此設計可消耗大量棄方，同時對路基起反壓護道作用，提高路基邊坡穩定性，再次，可以防止在山坳處積水。但往往在施工過程中，棄土場和填平區填土壓實度達不到要求，土質松散，同時，未做好排水措施。在降雨作用下，雨水入滲，長期淤積無法排除，使得路基濕度大大上升，影響路基穩定性，同時，使得路基土軟化，產生不均勻沉降，最終導致路面開裂或邊坡垮塌。本文依托莆田至炎陵高速公路永泰梧桐至尤溪中仙段(福州市境) 工程對接棄土場或填平區的陡坡高填路基進行計算分析，并提出處置方案[1-5]。

1 項目概況

本項目路線全長約42.241257km， 路線起于永泰縣梧桐鎮鎮潼關村，與福永高速銜接，路線由東南往西北經丘演、三富、白灣至永泰的嵩口鎮、長慶鎮，止于蓋洋鄉珠峰村，與湄洲灣至重慶高速公路三明段相接，線路區的地勢總體是東南部盆地區低(起點)，西北部中低山區(終點)高。

2 數值分析模型

2.1 計算模型

本文采用Geo-studio 軟件中的Slope/W 模塊計算邊坡穩定性，采用Sigma/W 模塊計算邊坡位移變形[1-5]。本文選取該項目典型斷面建立模型，計算模型如圖1～圖2 所示，對于棄土場和填平區情況分別選取一種模型。計算范圍為150m 寬，60m 高。 根據實際鉆探結果， 地下水位于原地面底下約為1m，路基填料為土方。 地質自上而下分別為坡積粉質粘土、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。計算邊坡位移變形時的邊界條件如圖3～圖4 所示，下部和右側設置固定約束，左側采用水平約束。棄土場模型在路面和邊坡選取A、B、C、D、E、F六個位移觀測點，填平區模型在路面和邊坡選取A、B、C、D、E 五個位移觀測點，如圖5～圖6 所示。

圖1 棄土場計算模型

圖2 填平區計算模型

圖3 棄土場邊界條件

圖4 填平區邊界條件

圖6 填平區位移觀測點

邊坡穩定性方法根據 《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)中3.6.9 條的規定采用Bishop 法。 本項目選取模型為路堤沿陡斜坡地基，因此，路堤的安全系數正常工況下應達到1.30[5]，非正常情況(降雨狀態下)應達到1.20。

2.2 計算參數

計算參數均采用摩爾庫侖模型， 土層參數取自實際工程鉆探和根據室內資料而制定，其參數如表1 所示。

表1 各土層物理力學參數

3 計算結果

3.1 路基接棄土場

棄土場模型計算結果如圖7～圖14 所示。 從圖中7～圖8 可以看出，正常情況下在邊坡安全系數為2.677 時，滿足設計要求。 但在長期降雨作用下，雨水入滲，使得棄土場中土含水量大大增加，水分入滲路堤土，導致棄土場和路堤土抗剪強度明顯下降， 導致路基邊坡穩定性下降至1.863，但由于棄土場起到的反壓作用，從穩定性上邊坡仍然滿足規范要求。

圖7 正常狀態下棄土場路基穩定性

圖8 非正常狀態下棄土場路基穩定性

圖9～圖10 為路基橫向位移，向左方向為負，向右方向為正。 從圖中看出，棄土場位置位移為正，正常狀態最大值達到8.7cm，越往深處位移值越小；路基邊坡處橫向位移值為負，最大值達到17.3cm，越往深處位移值越小；在路基長期泡水狀態后棄土場處和邊坡處最大橫向位移值分別達到11.7cm 和23.6cm，說明路基在長期泡水后橫向位移明顯增加。

圖9 正常狀態下棄土場邊坡橫向位移(m)

圖10 非正常狀態下棄土場邊坡橫向位移(m)

圖11～圖12 為路基豎向位移，向上為正，向下為負。從圖中可以看出， 棄土場頂部和邊坡滑動面處路基豎向位移最大，均為負值，正常狀態最大值達到51.1cm，路基長期泡水后沉降最大值達到66.8cm，說明路基在長期浸水后豎向位移同橫向位移一樣明顯增加。

圖11 正常狀態下棄土場邊坡豎向位移(m)

圖12 非正常狀態下棄土場邊坡豎向位移(m)

圖13～圖14 為路基總位移，值均為正值，由于路基豎向位移明顯大于橫向位移， 因此總位移變化趨勢和豎向位移基本一致， 棄土場頂部和邊坡滑動面處路基總位移最大，正常狀態最大值達到53.3cm，路基長期泡水后總位移最大值達到70.2cm，說明路基在長期浸水后總位移明顯增加。

圖13 正常狀態下棄土場邊坡總位移(m)

圖14 非正常狀態下棄土場邊坡總位移(m)

對棄土場模型中6 個觀測點在正常狀況和長期浸水情況下路基位移狀況進行計算， 得出結果如圖15～圖17所示，從圖中可以明顯看出，在長期受水影響狀況下路基邊坡各點的橫向位移、 豎向位移和總位移均明顯低于正常狀況下的各點位移。說明若棄土場壓實度不足，排水設施不完善情況下，路基邊坡在長期受水影響下，容易造成失穩或沉降變形過大。

圖15 棄土場邊坡觀測點橫向位移變化

圖16 棄土場邊坡觀測點豎向位移變化

圖17 棄土場邊坡觀測點總位移變化

3.2 路基接填平區

填平區模型計算結果如圖18～圖19 所示。 從圖中18～圖19 可以看出， 正常情況下在邊坡安全系數為1.326，滿足設計要求。 但在長期降雨作用下，同棄土場情況一樣，雨水入滲，導致填平區和路堤土抗剪強度明顯下降，路基邊坡穩定性下降至1.069，不滿足規范要求。

圖18 正常狀態下填平區路基穩定性

圖19 非正常狀態下填平區路基穩定性

經過計算，路基橫向位移整體向左偏移，正常狀態最大值達到23.8cm，越往深處位移值越小，在路基長期泡水狀態后填平區處最大橫向位移值達到31.4cm，說明路基在長期泡水后橫向位移明顯增加。

圖20～圖21 為路基豎向位移，向上為正，向下為負。從圖中可以看出，邊坡滑動面處路基豎向位移最大，為負值，正常狀態最大值達到53.3cm，路基長期泡水后沉降最大值達到72.8cm，說明路基在長期浸水后豎向位移同橫向位移明顯增加。

總位移變化趨勢和豎向位移基本一致， 邊坡滑動面處路基總位移最大，正常狀態最大值達到57.7cm，路基長期泡水后總位移最大值達到79.2cm，說明路基在長期浸水后總位移明顯增加。

圖20 正常狀態下填平區邊坡豎向位移(m)

圖21 非正常狀態下填平區邊坡豎向位移(m)

對填平區模型中5 個觀測點在正常狀況和長期浸水情況下路基位移狀況進行計算， 得出結果如圖22～圖24所示。從圖中可以明顯看出，在長期受水影響狀況下路基邊坡各點的橫向位移、 豎向位移和總位移均明顯低出正常狀況下的各點位移。說明若填平區壓實度不足，排水設施不完善情況下，路基邊坡在長期受水影響下，容易造成失穩或沉降變形過大。

圖22 填平區邊坡觀測點橫向位移變化

圖23 填平區邊坡觀測點豎向位移變化

圖24 填平區邊坡觀測點總位移變化

4 處理措施

基于以上分析， 對填平區或棄土場應采取相應措施保證路基安全。 如圖25 所示，在填平區或棄土場周邊設置粘土封層，兩側設置水溝和截水溝，壓實度要求不低于90%， 同時在棄土場底部設置碎石盲溝， 以保證排水通暢。 同時， 棄土場基底應參照路基施工要求進行軟土清除，設置盲溝、滲溝，做好整體排水措施。

圖25 沿河護坡防護

5 結語

本文依托莆田至炎陵高速公路永泰梧桐至尤溪中仙段(福州市境)工程，通過采用二維巖土有限元軟件Geostudio 模擬， 計算了路基接棄土場或填平區情況下陡坡高填路基的穩定性和位移變化規律，結論如下：

(1)路基接棄土場工況在正常情況下邊坡安全系數為2.677， 在長期降雨作用下， 路基邊坡穩定性下降至1.863，但由于棄土場起到的反壓作用，從穩定性上邊坡仍然滿足規范要求。

(2)路基接棄土場工況在正常狀態下，橫向、豎向和總最大位移分別為17.3cm、51.1cm 和53.3cm； 在棄土場和路基浸水情況下最大位移分別為23.6cm、66.8cm 和70.2cm。

(3)路基接填平區在正常情況下邊坡安全系數為1.326，滿足設計要求。 但在長期降雨作用下，同棄土場情況一樣，雨水入滲，導致填平區和路堤土抗剪強度明顯下降，路基邊坡穩定性下降至1.069，不滿足規范要求。

(4)路基接填平區工況在正常狀態下，橫向、豎向和總最大位移分別為23.8cm、53.3cm 和57.7cm； 在棄土場和路基浸水情況下最大位移分別為31.4cm、72.8cm 和79.2cm。

(5)對于路基接棄土場或填平區的情況，在長期降雨作用下，雨水入滲壓實不充分的棄土場或填平區，導致路基邊坡穩定性下降和明顯的路基沉降變形。

(6)對填平區或棄土場應采取相應措施保證路基安全。在填平區或棄土場周邊設置粘土封層，兩側設置水溝和截水溝，壓實度要求不低于90%，同時在棄土場底部設置碎石盲溝，以保證排水通暢。