高地震烈度下的高路堤穩(wěn)定性影響因素研究

馬 康 彭小勇 蒲春林

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

云南、貴州、四川省部分公路穿越高地震烈度地區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度達(dá)到0.3～0.4g。在山區(qū)公路中，地形高差大，路線跨越溝谷，難免存在大于20 m的高填方路堤，規(guī)范中將此高度的填方定義為高填方路堤。在環(huán)境敏感區(qū)，棄方位置成為難點(diǎn)，開山石渣無(wú)處丟棄，故迫不得已地填筑高路堤以消化廢方。按規(guī)范常用的1∶1.5～2常規(guī)坡率放坡，路基的穩(wěn)定性系數(shù)在1.04附近，無(wú)法達(dá)到規(guī)范對(duì)安全系數(shù)的要求。

何旭等[1]采用極限平衡法，對(duì)40 m高的北非某項(xiàng)目高填方路堤設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析與總結(jié)。得出了在地震動(dòng)峰值加速度為0.3g的情況下“土工布+棄土場(chǎng)反壓+底部填石+大臺(tái)階”的綜合處理方案；段彥福等[2]采用有限元分析法，利用midas有限元軟件，得出在地震動(dòng)峰值加速度為0.3g的情況下，對(duì)于8.4 m高的填方，坡腳和H/3高度處在地震作用下容易發(fā)生剪切破壞。土工格柵加筋能有效抵抗地震作用下的邊坡變形；林宇亮等[3]采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的方法，在地震動(dòng)峰值加速度為0.1～1g的情況下，研究不同壓實(shí)度路堤加速度放大倍數(shù)分布規(guī)律及其影響因素；陳守龍等[4]采用有限元分析法，基于逐步實(shí)踐積分法，對(duì)水平地震力作用下邊坡受力變形響應(yīng)特性進(jìn)行了分析，提供一種設(shè)計(jì)計(jì)算的方法。以往的研究采用不同的方法與不同的模型。但多數(shù)為單一工點(diǎn)方案討論，著重于介紹實(shí)際方案，暫時(shí)缺少幾種思路方案優(yōu)劣對(duì)比及取舍。同時(shí)，以往研究的填方高度普遍不大。

1 路堤穩(wěn)定性影響因素

對(duì)于高路堤的側(cè)向整體穩(wěn)定性，主要受地面橫坡、地質(zhì)條件、路基填料、地震加速度等影響。在同一工點(diǎn)中，以上因素均為定量，且客觀存在、無(wú)法改變，則設(shè)計(jì)方案就決定了路堤的穩(wěn)定與否。從經(jīng)驗(yàn)上來說，填方高度越高、邊坡坡率越陡，路堤的穩(wěn)定性就越差。特別地，在高地震烈度環(huán)境下，常規(guī)的設(shè)計(jì)方案將出現(xiàn)問題。另一方面從路基填料因素入手，在路基內(nèi)鋪設(shè)格柵筋帶，能提高路基填料自身的抗剪強(qiáng)度，從而達(dá)到提高路堤穩(wěn)定性的目的。

2 工程概況

2.1 場(chǎng)區(qū)情況

云南某公路根據(jù)云南省地震帶劃分，區(qū)域?qū)儆凇肮ⅠR-瀾滄地震帶”，該地震帶長(zhǎng)300 km、寬160～200 km，最大地震的發(fā)震時(shí)間為1988年11月6日，震級(jí)為7.6級(jí)。根據(jù)GB 18306-2015 《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，項(xiàng)目設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰加速度為0.30～0.40g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期均為0.45 s，地震基本烈度為VIII～I(xiàn)X，屬于高地震烈度區(qū)。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)沖溝底部下伏巖土由上至下依次為：①坡積黏土(Q4dl+pl)，褐色至深褐色，可塑狀，中濕，含少量約10%碎石，粒徑0.5～1 cm。鉆孔揭露厚度為5.30～8.56 m；②強(qiáng)風(fēng)化綠泥片巖(Ptml)，結(jié)構(gòu)破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度低，巖質(zhì)軟，風(fēng)化層厚度8～10 m，巖性呈碎塊狀。③中風(fēng)化綠泥片巖(Ptml)，巖性呈短柱狀，偶見柱狀。柱長(zhǎng)6～10 cm，巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖芯采取率75%～85%。

3 分析模型

3.1 分析方法

目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有定性分析、定量分析和不確定分析3大類[5]，其中定量分析方法有極限平衡法、有限元法較為常用[6]。本文分析采用南京庫(kù)倫GEO5軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析方法為控制變量的極限平衡法。穩(wěn)定性計(jì)算方案取3種：畢肖普法(Bishop)、摩根斯坦法(Morgenstern-Price)和簡(jiǎn)布法(Janbu)。地震工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用擬靜力法[7-8]。

3.2 計(jì)算剖面

選取工點(diǎn)位于兩隧道之間的明線處，隧道長(zhǎng)度分別為2 112，1 366 m。場(chǎng)區(qū)為構(gòu)造侵蝕中低山溝谷地貌，路線位于瀾滄江上游，棄土條件極差，遂以填方路基穿過沖溝，以消化前后隧道洞渣。計(jì)算斷面為K47+740，中心設(shè)計(jì)填高57.79 m，地面橫坡10°～15°，以設(shè)計(jì)坡比放坡后左側(cè)填方高度達(dá)78 m，其斷面示意見圖1。

圖1 計(jì)算斷面K47+740(單位：m)

3.3 計(jì)算參數(shù)

1) 巖土參數(shù)。根據(jù)工點(diǎn)勘察報(bào)告，本次計(jì)算選用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖土體參數(shù)一覽表

2) 地震參數(shù)。該路堤位于場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.4g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期均為0.45 s，地震基本烈度為IX。依據(jù)JTG B02-2013 《公路工程抗震規(guī)范》中相關(guān)條款，設(shè)置地震參數(shù)見表2。

表2 地震參數(shù)表

4 各因素的影響情況分析

4.1 填方高度

本次研究旨在分析高地震烈度區(qū)的高填方穩(wěn)定性，故控制填方邊坡高度由30 m起算，以10 m一階均勻上升，最高填方高度設(shè)為90 m。作為統(tǒng)一：填方坡比為1.5-1.75×2-2，第一級(jí)邊坡高度為8 m，其余邊坡高度為10 m，平臺(tái)寬度統(tǒng)一為2 m。經(jīng)過逐一計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)隨填方高度變化的趨勢(shì)見圖2。

圖2 穩(wěn)定性系數(shù)與填方高度關(guān)系圖

4.2 填方坡比

高地震烈度區(qū)，按照常規(guī)坡比放坡，所得的填方路基在極端地震發(fā)生時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)已經(jīng)難以滿足規(guī)范對(duì)安全系數(shù)的要求。故設(shè)置不同坡比的填方放坡方式，研究其穩(wěn)定性情況。為了控制變量，取填方中心填高為定值24.04 m。設(shè)置試驗(yàn)組以常規(guī)坡比1.5-1.75×2-2為起點(diǎn)，逐步放緩，坡比設(shè)置情況見表3。不同放坡坡比下的穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果見圖3。

表3 不同坡比試驗(yàn)組設(shè)置表

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)與填方坡比關(guān)系圖

4.3 路基加筋

現(xiàn)今路基土自身加固措施中，加筋成為常見處置措施。加筋土路基通過筋帶與路基土之間的摩擦，能充分發(fā)揮筋帶的抗拉強(qiáng)度，減少路堤填筑后的地基不均勻沉降，提高地基承載能力，增強(qiáng)路堤的整體性和穩(wěn)定性。相比于常規(guī)筋帶土工格柵，三維結(jié)構(gòu)的土工格室更是在提供筋帶摩擦力的基礎(chǔ)上，提供了格室內(nèi)一定土體的側(cè)向約束，以達(dá)到更好的效果。

圖4 土工格室大樣與路基內(nèi)布置示意圖

加筋土在高地震區(qū)的利用已成為一種有效、經(jīng)濟(jì)的處置方式。加筋間距可根據(jù)不同型號(hào)的筋帶、不同情況的工點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。本次研究選取筋材厚度為90 mm的土工格室，抗拉強(qiáng)度取110 kN/m。筋帶位于近坡面?zhèn)龋O(shè)置反包，滑體內(nèi)端點(diǎn)假設(shè)為固定。設(shè)置加筋間距分別為20，10，5，2 m作為研究對(duì)象，并設(shè)置不加筋組作為對(duì)照。取填方中心填高為定值24.04 m(填方高度42.15 m)，填方坡比1.5-1.75×2-2。

圖5 穩(wěn)定性系數(shù)與加筋間距關(guān)系圖

4.4 結(jié)果分析

1) 填方高度對(duì)于路基穩(wěn)定性的影響。由圖2可知：①穩(wěn)定性系數(shù)從趨勢(shì)上來看，隨填方邊坡高度的增大而降低；②圖中當(dāng)填方高度處于50～70 m范圍時(shí)，結(jié)合具體工點(diǎn)，填方坡腳局部地形相對(duì)平緩，坡腳處屬于阻滑段。當(dāng)填方高度增加時(shí)，坡腳阻滑段增長(zhǎng)，抗滑力相對(duì)增大，從而造成了穩(wěn)定性系數(shù)的不降反增；③隨著填方高度由30 m增大到90 m，穩(wěn)定性系數(shù)并無(wú)某區(qū)間內(nèi)驟降趨勢(shì)顯示，整個(gè)區(qū)間的穩(wěn)定性系數(shù)僅從1.08降至了0.99，幅度較小。這表明只要基底滿足填筑要求，且填方體本身抗剪強(qiáng)度能夠保證(嚴(yán)格控制填方施工質(zhì)量)，填方高度的增大不會(huì)成為極大影響填方穩(wěn)定性的原因；④因?yàn)榛炯僭O(shè)的不同，Bishop法在本工點(diǎn)問題的計(jì)算上存在稍大的誤差(因?yàn)榭紤]了土體條帶之間的相互作用力)。Bishop法和Morgenstern-Price法得到結(jié)果吻合度較高，其中Morgenstern-Price法相對(duì)更加保守。

2) 填方坡比對(duì)于路基穩(wěn)定性的影響。從圖3的結(jié)果可知：①穩(wěn)定性系數(shù)隨著填方坡比的放緩而提高，且效果顯著(1.05～1.29)；②Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法得到結(jié)果吻合度較高，其中Janbu法和Morgenstern-Price法相對(duì)更加保守；③按JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》中相關(guān)條款，抗震區(qū)高路堤的穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)小于1.15。從本次計(jì)算中可知，擬用坡比2-2.25×2-2.5放坡，邊坡的自穩(wěn)性可基本滿足抗震要求，再加之適當(dāng)?shù)?普通防護(hù))支檔、路基土處置、加筋等，小幅度提高穩(wěn)定性系數(shù)，即可保證路堤穩(wěn)定性。同時(shí)此坡比也不至于過緩，對(duì)于填方坡腳收坡和節(jié)省占地范圍均有利；④在以近乎均勻的坡率放緩邊坡的過程中，穩(wěn)定系數(shù)也近似均勻地提高。

3) 填方加筋對(duì)于路基穩(wěn)定性的影響。從圖5的結(jié)果可知：①路基加筋后能較為顯著(1.04～1.17)地提高路基的穩(wěn)定性系數(shù)；②以《公路工程抗震規(guī)范》中相關(guān)條款，抗震區(qū)高路堤的穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)小于1.15。從本次計(jì)算中可知，常規(guī)1.5-1.75×2-2坡比下，設(shè)置2 m間距的土工格室能使路基整體達(dá)到穩(wěn)定性要求，這可用于地形較陡、放坡條件較差、需要較陡坡率收坡的填方路段；③Janbu法和Morgenstern-Price法得到結(jié)果吻合度較高且更加保守，并在設(shè)置間距為2 m時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)超過Bishop法所得；④2 m間距鋪設(shè)土工格室，在填方高度較高、填方面積較大時(shí)，格室的工程量較大，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)稍差。實(shí)際設(shè)計(jì)中可綜合與放緩坡比、鋪設(shè)間距大于等于5 m方案做經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，擇優(yōu)推選。

5 結(jié)論

1) 以0.4g為例，高地震下的高填方穩(wěn)定性較差。在無(wú)下伏軟弱層的情況下，常規(guī)路基方案的自身穩(wěn)定性系數(shù)均處于1.00～1.10，無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求。

2) 常規(guī)處置措施中，可通過控制填方高度、放緩坡比、路基加筋的手段來提高路堤穩(wěn)定性。

3) 基底滿足填筑要求，且填方體本身抗剪強(qiáng)度能夠保證，填方高度的增大不會(huì)成為極大影響填方穩(wěn)定性的原因，但會(huì)造成小幅度影響(僅1.08～0.99)。

4) 填方穩(wěn)定性系數(shù)隨著填方坡比的放緩而提高，且效果顯著(1.05～1.29)。擬用2-2.25×2-2.5坡比放坡，邊坡的自穩(wěn)性可基本滿足抗震要求，同時(shí)此坡比也不至于過緩，對(duì)于填方坡腳收坡和節(jié)省占地范圍均有利。

5) 路基加筋后可較為顯著(1.04～1.17)地提高路基的穩(wěn)定性系數(shù)。筋帶鋪設(shè)間距2～5 m，配合常規(guī)支擋措施，可基本解決填方高度40余m的斜坡填方在高地震區(qū)的自身穩(wěn)定問題。