某山區公路斜路堤擋土墻地基填土穩定性分析及處治方法

趙福義

（貴州智恒工程勘察設計咨詢有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

路基擋土墻及邊坡的失穩不可避免的造成了路基沉降、整體性垮塌、交通中斷等，影響了人民群眾的正常出行，也對生命和財產造成了一定的損失。擋土墻路基用以防止路基變形或支擋路基本體或山體的位移，以保證其穩定。擋土墻的穩定性分析主要有抗滑移穩定性分析、抗傾覆穩定性分析及擋土墻地基及填土的整體穩定性分析等。

有關路基擋土墻及邊坡的穩定性分析，國內外學者做了大量的工作且成果顯著。張濤等[1]將土骨架作為研究對象，將滲透力考慮為外荷載作用于土骨架上，采用強度折減法，對坡面水位下降過程中的邊坡穩定問題進行研究，主要討論不同因素對非飽和土質邊坡安全穩定的影響。謝永利等[2]總結了工程邊坡在穩定性分析方法、工程設計和分析軟件等理論方面的共性研究成果，分別闡述黃土、膨脹土、凍土和巖質工程邊坡在理論方面的新研究進展，并指出特殊巖土體工程邊坡研究的進一步方向。王建林等[3]結合工程實例，采用不平衡推力法和數理統計方法，運用地下水飽水面積比和地下水排泄系統理論，分析了降雨作用下山區公路重力式高擋墻的穩定性。蔣鑫等[4]運用Phase有限元軟件，考慮土-結構相互作用，建立數值模型，開展基于剪切強度折減法的山區公路拓寬加筋路基穩定性分析，探究填土、土工格柵和填土-土工格柵界面三者力學響應動態演變規律及其對路基穩定性的影響。馬濤[5]以某擋土墻實例為研究對象，計算了基于可靠度反分析模型的擋土墻傾覆和滑移穩定安全系數，并進行了參數敏感性分析，同時將基于可靠度模型的計算結果與基于確定性模型的計算結果進行了對比分析。于昕左[6]采用等效重度法，將擋土墻與填土視為一體，基于Fellenius法和簡化Bishop法的假設條件，通過水平條分與斜條分法，導出了水平柔性拉筋式重力墻-填方邊坡整體穩定系數計算公式。對于墻-坡整體穩定系數，數值模擬計算結果與簡化 Bishop法較為相近，且均大于 Fellenius法。高玉峰等[7]回顧土質邊坡穩定性分析3種主要方法的國內外研究現狀，對已有的三維土質邊坡分析方法研究存在的困難進行了分析，針對三維土質邊坡穩定性分析方法存在的問題和近些年的發展趨勢，展望了未來的研究方向。

目前，對于路基邊坡穩定性分析，擋土墻的抗傾覆及抗滑移穩定性分析的研究已經取得了一定的成果，但是對于斜坡上擋土墻地基及填土的整體穩定性分析卻罕有研究。本文依托于貴州省某山區二級公路路堤滑坡治理工程，結合工程實例，計算分析擋土墻地基及填土的整體穩定性，提出處理方法，為今后類似的滑坡治理工程提供參考。

1 工程概況

貴州省某山區二級公路路堤滑坡治理工程K9+255～K9+300段左側為填方路堤，路堤墻（漿砌片石擋墻）已施工完成，施工現場路堤墻墻身和附近房屋出現多處裂縫，初步判斷是由于施工時路堤墻地基承載力達不到相關規范和設計要求，路堤墻基礎不均勻沉降引起墻身開裂，并伴有小規模的橫向滑移，造成下方房屋開裂。分析造成該變形的主要原因為：經雨季時，土體吸水飽和，物理力學參數降低，自重增大，從而使墻背土壓力增大，并且上方填方高度較高，下滑力較大。10個月后經再次現場踏勘，K9+255～K9+300段路基左側漿砌片石擋墻變形增大，已經修建完成的C20片石混凝土路堤墻出現破壞，主滑面擋墻被推出約10 cm，間距增大至約12 cm，填方路基出現滑移，原路基橫斷面和路基變形破壞見圖1、圖2。

圖1 原路基橫斷面圖Fig.1 Cross section of original subgrade

圖2 路堤墻基礎和路堤墻伸縮縫變形Fig.2 Foundation of embankment wall and deformation of expansion joint of embankment wall

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

本路段屬構造剝蝕低中山溝谷地貌，最大標高1 787.91 m，最低標高 1 762.41 m，相對高差約25.50 m，植被為灌木、耕地。

2.2 地層巖性與巖土構成

（1）覆蓋層

第四系殘坡積層（Q4el+dl）粉質黏土：磚紅色、紅褐色，可塑至硬塑狀，表層50 mm為根植土。鉆探揭露厚0～3.4 m，分布于路基右側斜坡，普土Ⅱ級。

塊碎石土夾黏土（Q4el+dl）：灰色、深灰色、紫紅色，結構松散至稍密，塊石成分為風化玄武巖，粒徑2～20 cm，呈棱角狀、次棱角狀，局部偶有大塊石，碎石含量約60%～80%，厚4.6～11.0 m，分布于路基左下方及填方底部，硬土Ⅲ級。

回填土（Q4me）：紫紅色、灰色，結構松散至稍密，分布于填方斜坡，硬土Ⅲ級。

（2）基巖

填方下伏基巖為二疊系上統峨眉山玄武巖組第三段（P2β3）玄武巖，按風化程度分強風化、中風化兩層。

強風化玄武巖：深灰色、灰黑色，碎裂結構，節理裂隙極發育，巖體極破碎，巖質極軟，巖芯呈砂狀、碎塊狀。鉆探揭露厚2.90～4.60 m，屬軟石Ⅳ級。

中風化玄武巖：深灰色，節理裂隙不發育，巖體完整，較硬巖，巖芯呈短柱狀、柱狀，屬次堅石Ⅴ級。

2.3 地質構造與地震

填方區位無斷層通過，地層穩定，巖性單一。根據《中國地震動反應譜特征周期區劃圖》，工程區地震動反應譜特征周期為 0.40 s，根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》，工程區地震動峰值加速度等于0.05 g。

2.4 水文地質條件

（1）地表水

填方區地表水較發育，受大氣降水影響，雨季有水，勘察期間未見地表水。

（2）地下水

地下水受地層巖性、構造控制，填方區地下水賦存條件簡單。地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，主要受大氣降水補給，局部受地表水補給，鉆探未見地下水，水文地質條件簡單。

（3）水質

根據地區工程經驗可知：水對基礎混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性；土對基礎混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。

2.5 不良地質作用

根據地表地質調查及鉆孔巖芯觀察，工程區原始地形地貌保持較好，工程區未發現滑坡、泥石流、崩塌等不良地質現象。

3 治理方案

該工點2-2和4-4斷面如圖3所示。

圖3 地質斷面圖Fig.3 Geological section

在K9+204～K9+302段路基左側路堤墻底部外側3 m處設置26根抗滑樁，抗滑樁為直徑為2.0 m的圓樁，樁心距4.5 m，1～6號樁長18 m，7～16號樁長20 m，17～22號樁長22 m，23～26號樁長20 m。1～11號樁后澆筑C20混凝土，12～26號樁后設置3 m擋土板，樁頂設置1 m厚系梁，板后干碼片石反壓回填至擋墻外側。治理方案平面布置見圖4，治理后工程斷面圖見圖5。

圖4 抗滑樁平面布置圖Fig.4 Anti-slide pile layout

圖5 工程治理斷面圖Fig.5 Engineering treatment section

4 理論計算

根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015），設置于不良土質地基、覆蓋土層下為傾斜基巖地基及斜坡上的擋土墻，應對擋土墻地基及填土的整體穩定性進行驗算。經工程地質勘測及土工試驗分析得到巖土體物理力學參數如表1所示。

表1 巖土物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

通過理正巖土軟件，將擋土墻地基及填土劃分為不同的區域，如圖6所示，再應用簡化Bishop法及簡布法對其進行穩定性分析。抗滑樁設置后，應用整體圓弧法對其進行整體穩定性分析。計算結果見表2。

圖6 土層區域劃分圖Fig.6 Regional division of soil layer

表2 不同分析方法的整體穩定性系數Table 2 Global stability coefficient of different analysis methods

5 數值分析

5.1 模型建立

選擇其中典型的一斷面建立模型，原剖面選擇非降雨工況進行計算，支護后對參數進行折減模擬暴雨工況進行計算，應力場只有自重應力場。其中第一層為塊石土，中間層為強風化玄武巖，最下層為風化玄武巖。模型的巖土力學參數取值根據現場勘察結合地區經驗數據和勘察報告最終確定，底部全約束，兩側邊界約束方向約束。初始模型與抗滑樁支護后模型見圖7、圖8。

圖7 初始剖面有限元模型Fig.7 Initial section of finite element model

圖8 抗滑樁支護后有限元模型Fig.8 Section of finite element model after anti slide pile supported

5.2 計算結果與分析

計算得出邊坡在自然工況下安全系數為1.043，按照規范[8]屬于欠穩定狀態，根據位移云圖最大位移約為40 cm，位于擋墻上部，由于擋墻的作用未形成貫通性滑裂面，加固前邊坡速度矢量如圖9中紅色箭頭部分所示，部分土體發生越頂破壞、擋墻被土體擠壓向臨空面移動。設置抗滑樁和堆載反壓加固后的安全系數為 1.289，且樁頂最大位移約為1 cm，模型最大位移在坡體表面約3 cm，對邊坡穩定性沒有影響，滿足設計要求如圖10。

圖9 原擋土墻支護自然工況位移與度矢量云圖Fig.9 Displacement and inclination degree vector nephogram of original retaining wall in natural condition

圖10 設置抗滑樁加固后的安全系數與總位移云圖Fig.10 Safety factor and total displacement nephogram after anti-slide pile reinforcement being constructed

6 結 論

（1）針對斜路堤擋土墻邊坡失穩問題，本文依托貴州省某山區二級公路路堤工程，開展了理論與數值研究。研究發現擋墻較高墻厚填土較厚雨季土體吸水飽和，物理力學參數降低，墻背土壓力增大，造成擋墻的橫向變形。另外墻身較高，自重較大，路堤墻基礎不均勻沉降引起墻身開裂。

（2）理論與數值分析表明：斜路堤擋土墻在飽水狀態下，安全系數在1.0～1.05之間，屬欠穩定狀態；通過設置26根抗滑樁，樁后設置3 m擋土板，暴雨工況下安全系數達到了 1.289，且樁頂最大位移得出為1 cm，坡體最大位移約為3 cm，可有效處治斜路堤擋土墻失穩問題。