山區高速公路高填方路基設計探討

易毅 聶科琴

（湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071）

某山區高速公路起訖樁號k21+540～k21+917段右側填方，邊坡放坡分三級確定，各級邊坡高度8.5m，坡率1:1.5～1:3.0，高填方邊坡填土高度最大達22.07m。根據地質勘察資料，該公路高填方路段鉆探揭露深度以內的發育地層包括：殘坡積層含碎石粉質黏土層、殘坡積層淤泥質粉質黏土層、殘坡積層碎石土層、強風化粉砂質泥巖夾炭質泥巖層和中風化粉砂質泥巖夾炭質泥巖層。

一、高填方邊坡技術難點

1.該高速公路填方邊坡位于煤系地層的填方體，遇強風化泥質粉砂巖夾炭質泥巖地層后，巖體破碎率增大，抗剪強度降低，并容易導致高填方路基失穩而沿強風化地層滑動；

2.該高速公路高填方邊坡底部軟弱土層發育，其表層可塑狀碎石粉質黏土層厚度在4m～12m之間，下層軟塑狀淤泥質粉質黏土層厚度在3m～8.5m范圍內，土體分布極不均勻，且因地下水發育而局部存在飽水狀土體。高填方路基填筑后基底沉降很難符合相關規范要求，且路基沿基底軟弱土層發生滑動失穩破壞的可能性較大。軟土路基下伏碎石土層，且因地下水發育而長期處于飽水狀態，高填方處理后容易導致邊坡沿軟弱土層發生滑動失穩。

二、高填方路基設計

（一）高填方設計

1.排水設計。首先，排水設計應通過填平并在山體低洼位置開溝排出的方式處理公路沿線左側的匯水，防止其滲入路基，然后在公路右側原沖溝處增設滲溝，加速地表水的排出。其次，應加強后期雨水處理，在邊坡處增加骨架防護，并硬化處理分級設置的邊坡平臺，在反壓平臺側面及填方邊坡和山體交接位置增設梯形排水溝，并與原沖溝相連，有效攔截山體排水。

公路沖溝填筑應依據公路高填方路段地形進行。路基填方以下存在的山體有利于路基穩定，但填方左側會懸空，考慮到高填方路段路基的穩定性，應在邊坡高程550m且順沖溝向的位置增設坡度2%、寬100m的龜背形反壓平臺，并按照正常填筑坡比進行平臺上方路基放坡，兩級坡率分別為1:1.5和1:1.75，在平臺下填筑70m高度，1級～4級及4級以下填方坡比分別為1:2和1:3，并將高6m的漿砌片石擋墻設置在填方坡腳。

2.基底處置。在填方路段邊坡施工開始前必須徹底清除施工范圍內的植物根系和草皮，并將植物根系挖除后產生的坑穴填平夯實；對于坡度較大的地面，應先開挖成高度0.3m～0.5m、寬度至少2m的臺階，并將臺階頂面設置為2%～4%的斜坡。用推土機將清表后的原地面整平處理，以形成便于排水的坡路拱。完成后，使用20t光輪壓路機碾壓3遍～4遍，并對可能出現的彈簧現象人工翻挖，均勻摻拌石灰后二次碾壓至設計壓實度。

（二）路基穩定性計算

高填方路基設計的關鍵在于保持路基的穩定性，具體包括沿斜坡地基的整體穩定和路堤堤身穩定兩個方面。該工程高填方軟土路基破壞形式主要表現為圓弧形滑動，高填方路基的穩定性系數應按式（1）計算:

式中:K0為高填方路基的穩定性系數；ΣN為滑動面上所作用的總法向力；ΣT為滑動面上所作用的總滑動力；ΣR為反傾覆抗滑部分的總阻滑力；Σcl為滑動面各段黏結力和滑動面長度乘積的總阻力；為滑動面巖土內摩擦角。

應用Rocscience-Slide對該公路處理前高填方邊坡的穩定性驗算，并量化計算最危險滑動面的判斷及其邊坡安全系數（均根據地勘實驗資料和經驗校核數據進行模型內巖土層基本物理力學參數的確定），具體如表1所示。

表1 型內巖土層基本物理力學參數

表1 型內巖土層基本物理力學參數

根據處理前的公路高填方邊坡穩定性驗算結果，路基整體穩定性系數取1.112<1.3。所以，該公路高填方邊坡潛在滑動面最危險處位于軟弱土層底部，必須采取有效措施確保高填方整體穩定性。

（三）邊坡設計

為提升公路高填方路基邊坡整體穩定性，應在充分考慮軟弱土層厚度的基礎上清淤處理底部軟弱土層，挖除后采用強透水性的填料回填。底部軟土強夯置換處理，以提升地基土抗剪強度值和基底抗滑系數，所使用的強夯錘夯徑3.0m，錘重20t，落距15.0m，夯擊點距離6.0m，結合相關規范及工程經驗，強夯夯擊加固深度能達7.0m～8.0m。將反壓護道設置在填方邊坡坡腳處，護道寬15.0m，護道邊坡坡率1∶3，填料選用硬質開山石。

為加強地下水排水，還應在強夯置換層頂增設盲溝，防止地下水沖刷和浸泡路基。填方邊坡放坡坡率控制在1∶1.5～1∶2.0范圍內，并通過分層強夯填筑路基，控制可能發生的沉降變形，確保路基整體穩定性。

三、穩定性驗算及沉降計算

（一）高填方路基土穩定性驗算

該公路高填方路基土加固采用強夯置換法，并按照復合地基抗剪穩定安全系數確定抗剪強度，具體如式（2）（3）所示：

式中：Tps為復合地基抗剪穩定安全系數；n為樁對土的置換率；Tp為粒料樁抗剪強度，取37.1kPa；Ts為地基土抗剪強度，取25.8kPa；D為樁徑；B為樁間距。

由計算可知，該工程復合地基滑動面巖土內摩擦角 取10.8°，由Rocscience-Slide軟件所得出的加固處理后的高填方路基整體穩定安全系數K0驗算值取1.396>1.3，符合規范要求。

（二）高填方路基土沉降計算

按照高速公路高填方路基設計經驗并結合該工程實測資料，在軟土路基總沉降量中，路堤填土壓實沉降占比不超過0.5%，且這一比例的沉降大多發生在路堤竣工后1年左右，所以高填方路基土沉降控制主要指工后沉降。該工程采用分層總和法計算強夯置換碎石墩復合地基沉降量，如式（4）（5）所示：

式中：S為強夯置換碎石墩復合地基工后沉降量；△Pi為附加于第i層復合地基土上的應力增量；Esp為復合土層壓縮模量；Hi為第層復合地基土厚度；Ep為強夯置換碎石墩墩體壓縮模量；Es為強夯置換碎石墩墩體間土體壓縮模量，按照工程所在地區經驗值取值，如無經驗值，則取天然地基壓縮模量值。

將該高速公路高填方路基經驗取值代入式（4）和（5）可得Esp為5.3MPa，根據此值可估算出公路高填方路基工后沉降S為75.5mm<300mm，符合規范要求。

四、結語

根據該公路設計實踐表明，山區高速公路高填方路基穩定性主要受填方高度、地質條件、地形地勢、地下水等因素的影響和制約，對高填方軟土路基進行強夯置換加固處理完全可行，且加固后的邊坡穩定性和路基沉降均符合規范要求。