馬拉維希雷河谷改造項目臨時道路路堤邊坡加固效應研究

徐 超

（中國電力建設集團水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

在水利工程修建過程中，臨時道路是項目前期必要的施工步驟，臨時道路路基邊坡的穩定性是影響工程正常施工的重要影響因素。既有研究表明，影響路堤邊坡穩定性的影響因素主要包括降雨、填筑土層的物理力學性質及環境改變等因素。目前相關學者對路堤邊坡的穩定性計算和路堤邊坡的防護措施等方面進行了研究。袁仕貴和唐小軍[1]基于流固耦合理論系統地研究了降雨條件下土體的飽和度、孔隙水壓力及有效應力對路堤邊坡的穩定性影響。結果表明，邊坡土體飽和度隨相遇時間的增加呈現出先快速上升、后趨于穩定的特點。土體抗剪強度的降低是導致邊坡失穩的主要因素。覃冬梅等人[2]基于數值模擬研究了在不同降水條件及降水時長下對山區改擴建高等級公路路堤邊坡坡體強度及安全性的影響。結果表明，雨水入滲降低了土體的抗剪強度，邊坡穩定系數隨降水量的增多而降低。

該文以馬拉維希雷河谷改造項目臨時道路路堤邊坡加固為例進行數值模擬計算，分析了路堤邊坡分層填筑過程中的變形特征及抗滑樁對路堤的加固效應，研究結果可為相關工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程規模

項目位于馬拉維南部的奇夸瓦區距布蘭太爾市大約60 km的希雷河下游河谷。項目施工主要內容包括從6 + 000站至32 + 788（分叉點）主干渠MC1的建設以及從0 + 000（分叉點）至18 + 024站MC2的建設（Lengwe國家公園）。主要工程包括在MC1上建造2座倒虹吸管，在MC2上建造1座倒虹吸管、橋梁、箱形涵洞、河流跨越結構、襯砌混凝土渠道以及在居民區周圍的鐵絲網，一個高28 m的塔式水箱12.2 m×8.54 m×4.88 m，以及14.1 km的供水管道工程。

1.2 場內交通

結合招標文件設計道路布置，場內施工交通可通過現有施工道路，并通過6條設計規劃道路連接渠道，再進行渠道沿線場內道路修筑，還考慮了部分渠道棄土所修筑的道路等。沿線地質條件復雜，存在大范圍的軟土地基，對工程的施工及安全運營有較大影響。為了確保路堤邊坡穩定性和滿足路堤填筑的質量要求，采用反壓法提高路堤邊坡的穩定性，路堤邊坡坡腳設計寬度和高度分別為20 m和6 m。受限于空間限制，坡比由1∶1.5增大至1∶1，增加了路堤邊坡失穩的可能性。為了保證邊坡的穩定性，工程中采用抗滑樁進行支護。根據鉆孔資料顯示，土體巖性自上而下分別為路堤填土、粉質黏土、淤泥土和黏土。因此，研究區大范圍的軟土地基對路堤邊坡的穩定性極為不利。

2 數值模型及參數

Geo-Studio是國際上大型的巖土工程分析軟件，軟件可以通過模塊耦合的方式將分析步進行串聯計算。在分析過程中，首先分析前面的工況，其次基于前面的工況依次進行計算分析。為了模擬路堤邊坡填筑過程，可采用區域激活功能，通過對區域賦予或者移除實現。在任何分析步中都可實現添加或者刪除單元，利用該功能可以實現路堤邊坡分層填筑。該文為了簡化計算，近似的按平面問題進行處理。數值模型圖如圖1所示。模型中路堤寬度為20 m。為了減少應力波在邊界處反射造成的誤差，對數值模型進行放大，放大后的模型寬度為60 m。抗滑樁長度為15 m，樁徑為0.5 m。模型的豎直高度取值為40 m，進一步計算得到模型底面的附加應力小于自重的0.2倍。數值模型計算采用的巖土體物理力學參數主要通過室內土工試驗和參考相關研究獲得，具體參數見表1。

圖1 數值模型圖

表1 數值計算物理力學參數

模型的邊界條件為左、右兩側約束水平位移，底部為固定約束，頂面為自由面。土體采用摩爾-庫倫本構模型進行計算，抗滑樁采用彈性本構計算；樁土接觸采用接觸面單元模擬。

計算步驟如下：第一步進行地應力平衡；第二步模擬分層填筑，按每層1 m進行填筑，共6 m，每層填筑間隔時間為15 d；第三步為當邊坡達到臨界高度時，在坡腳采用抗滑樁進行支護處理。

3 計算結果與分析

3.1 路堤邊坡的變形特征

路堤中心沉降與填筑高度的關系如圖2所示。當填筑高度為1 m時，沉降值增大40 mm；第二次至第四次填筑后填筑高度分別為2 m、3 m、4 m和5 m時，沉降值分別增大47 mm、65 mm、72 mm和76 mm，以上沉降規律同路基的沉降規律一致。路堤中心水平變形與填筑高度的關系如圖3所示。填筑高度分別為1 m、2 m、3 m、4 m和5 m時，水平沉降值分別為15 mm、20 mm、42 mm、63 mm和118 mm，由以上數據可知，填筑高度從4 m增加到5 m時，沉降值最大。由此可知當進行最后2次填筑時，應當加強監測，以防工程事故的發生。

圖2和圖3給出了路堤中心沉降和水平變形隨路堤填筑高度的變化趨勢。結果表明，沉降變形和水平變形均隨填筑高度的增大而增加，且增大速率隨填筑高度的增大而變陡。此外，當填筑高度大于4層時，路堤沉降和水平位移變形均大幅提高，最大沉降速率達到8.5mm/d，最大水平變形速率達到3.58mm/d。可以看出在較高的變形速率下，需要采用支護措施以控制變形速率。因此，在工程路堤填筑過程中，當第5層填筑時，應及時采用抗滑樁進行路堤支護[3-5]。

圖2 路堤中心沉降與填筑高度的關系

圖3 路堤中心水平變形與填筑高度的關系

3.2 抗滑樁的加固效果

加固后路堤中心沉降與填筑高度的關系如圖4所示。當填筑高度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m時，加固后路基沉降值分別為52 mm、101 mm、148 mm、198 mm和394mm，以上沉降規律同路基的沉降規律一致。加固后路堤中心水平變形與填筑高度的關系如圖5所示。填筑高度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m時，加固后路基中心水平沉降值分別為11 mm、21 mm、43 mm、72 mm和85 mm，由以上數據同樣可知，填筑高度從4 m增加到6 m時，加固后路基中心水平沉降值最大。

圖4和圖5給出了加固后路堤中心沉降及水平變形與填筑高度的關系。結果表明，增加抗滑樁對路堤中心的沉降變形不明顯。加固后的路堤中心沉降與加固前的變形趨勢及變形量相差不大。表明抗滑樁在控制沉降方面效果較差。增加抗滑樁加固后，當第5層填筑時，水平位移變形速率降低至0.6 mm/d，且變形速率有進一步收斂的趨勢，證明抗滑樁可以有效控制路堤邊坡變形。

圖4 加固后路堤中心沉降與填筑高度的關系

通過對圖3和圖5進行數據對比研究可知，添加抗滑樁后填筑高度不超過3 m時，路堤中心水平變形幾乎沒有較大變化。然而當填筑高度超過3 m時，添加完抗滑樁的路堤中心水平變形明顯小于不增加抗滑樁的路堤，如不添加抗滑樁的路堤中心水平最大變形值為118 mm，添加抗滑樁的路堤中心水平最大變形值為85 mm，說明抗滑樁達到了理想的控制路堤水平變形的效果。

圖5 加固后路堤中心水平變形與填筑高度的關系

3.3 抗滑樁設計參數對邊坡的穩定性影響

為了研究抗滑樁參數對路堤邊坡穩定性的影響，該文考慮了抗滑樁的樁位、樁身彈性模量以及樁長參數改變情況下路堤的變形特征。樁的位置分別設置在路堤邊坡坡頂、坡中間及坡角。

保持抗滑樁的彈性模量和樁身長度不變，分析樁的位置對邊坡的穩定性影響。結果表明，3種樁位對路堤的水平位移影響較大，其中抗滑樁在坡腳位置處對路堤水平位移的控制最好。坡頂和中間位置對水平位移的控制效果基本相同。同時，在工程施工過程中，坡腳位置處的施工條件也優于其他2處。因此，抗滑樁位置宜設置在坡角[6]。

保持抗滑樁的位置和樁身長度不變，得到了抗滑樁彈性模量對路堤水平位移的影響。結果表明，路堤的水平位移隨抗滑樁的彈性模量增大而減少，且二者表現出典型的線性關系。證明增大抗滑樁的剛度可以有效控制路堤沉降。實際施工過程中，盲目追求樁的剛度會使工程造價大幅上升，因此在實際選擇過程中應結合現場實際情況計算邊坡推力，保證抗滑樁尺寸選擇滿足滿足工程需要，同時避免由于富裕度過大而造成浪費。

在保持其他條件不變的情況下，選擇樁體長度分別為15 m、20 m和25 m，計算得到不同抗滑樁長度下樁身長度對路堤變形的影響。結果表明，路堤的水平位移先是隨樁身長度變化保持不變，當樁身長度增大到一定程度時，水平變形迅速減少。這是因為當樁體長度大于土體滑裂面深度時，樁的長度效應體現得比較明顯。在工程施工過程中應合理選擇樁長，避免浪費。

4 結論

該文依托臨時道路路堤邊坡填筑施工項目，基于數值模擬，研究了路堤邊坡填筑施工過程中的變形特征及抗滑樁加固效應。系統地分析了樁位、樁彈性模量以及樁長對路堤邊坡的穩定性影響，得出如下幾點結論：1）沉降變形和水平變形均隨填筑高度的增大而增加，且增大速率隨填筑高度的增大而變陡。此外，當第5層填筑時，應及時采用抗滑樁進行路堤邊坡支護處理。采用Geo-Studio數值軟件能夠較好地模擬路堤分層填筑過程中的變形特征，可為施工提供借鑒經驗。2）樁位對路堤的水平位移影響較大，其中抗滑樁在坡腳位置處對路堤水平位移的控制最好。坡頂和中間位置對水平位移的控制效果基本相同。3）路堤的水平位移隨抗滑樁的彈性模量增大而減少，且二者表現出典型的線性關系；路堤的水平位移先是隨樁身長度變化保持不變，當樁身長度增大到一定程度時（樁長大于土體滑裂面深度），水平變形迅速減少，樁的加固效應顯著。4）臨時道路路堤邊坡加固完成后，應做好邊坡的排水措施，避免土體流失造成邊坡失穩破壞。