土質路堤高邊坡加固設計及效果分析

郭立華

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

由于受到降雨、填土性質和外部荷載等因素的影響，土質路堤高邊坡可能會產生不同程度的失穩破壞[1]。為了研究土質路堤高邊坡的穩定性變化情況，采用MIDAS/GTS軟件建立模型進行有限元分析[2]，驗證高邊坡加固設計方法，并結合現場變形監測結果對加固效果進行分析。結合108國道拓寬改建工程土質路堤高邊坡加固設計案例，結合路堤地質狀況、地形地貌建模分析，制定邊坡加固方案，并結合高邊坡水平位移、垂直位移和樁頂累積位移進行加固效果分析，力求為施工提供技術參考。

1 工程概況

國道108山西忻州段拓寬改建工程，對路基采用單側加寬的方式。原路基設計寬度為12m，加寬后路基寬度為25.5m，采用雙向四車道設計，一級公路建設標準，設計車速80km/h。K254+325.5～K254+612段為加寬段，路基北側緊鄰溝谷高差較大，為17～25m，該路段路基為采用高填方土質路堤。高填方段北側高、南側低，拓寬段填方路基位于路基北側。路堤坡腳處為邊坡一級平臺，寬度為5～10m，填方路堤高度西部較高，最大填筑高度為27m，東部填筑高度較低，最小填筑高度為14m。

結合地質調查結果，該拓寬段路基無斷層、泥石流等不良地質情況，但土質邊坡局部產生了垮塌，且部分區域出現了開裂。為了保證土質路堤邊坡穩定，在高路堤坡腳布置抗滑樁進行加固，并對邊坡坡面采用漿砌片石、拱形骨架護面墻和噴錨支護進行加固。

2 土質高邊坡路堤邊坡加固設計

為了提高土質路堤高邊坡的穩定性，在路堤坡腳布置抗滑樁進行加固，設計樁長為20m，樁間距5m，截面尺寸為1.5 m×2.0m，共計58根。抗滑樁施工采用人工挖孔樁的施工工藝，樁身混凝土標號為C30，樁頂設置冠梁，混凝土標號也為C30，尺寸為0.8m(高)×1m(寬)，抗滑樁后部設置厚度為0.3m的擋土板，完工后回填填料。抗滑樁可以承受邊坡土體滑動產生下滑力，受力情況主要取決于樁身周圍土體的變形情況。

抗滑樁后填土分級填筑，每級邊坡高度為8m，邊坡坡率為1∶1.5，上部邊坡采用錨噴支護，錨桿采用Φ25螺紋鋼筋，長度為3.5m，間距為2.5m，采用梅花形布置；下部邊坡采用拱形骨架護面墻，邊坡平臺設置排水溝，下部邊坡上部設置急流槽。

3 抗滑樁位移模擬分析

運用MIDAS/GTS軟件，對該路段土質路堤高邊坡的變形情況進行模擬，主要包括邊坡水平位移、垂直位移和總位移。該軟件模擬降雨工況，選取K254+360～K254+460段作為研究對象，分別對加固后的高邊坡變形情況進行模擬，路堤高邊坡水平位移、垂直位移和總位移云圖如圖1～圖3所示。

圖1 加固后路堤高邊坡水平位移云圖

圖2 加固后路堤高邊坡豎直位移云圖

圖3 加固后路堤高邊坡總位移云圖

分析圖1～圖3位移云圖，在模擬降雨工況的情況下，路堤邊坡加固前水平位移最大值為49.5mm，加固后邊坡的水平位移最大值為12.3mm，總體位移下降了75.2%。路堤邊坡加固后垂直位移最大值為21.9mm，沉降變形量較大，需要在路堤填筑施工過程中提高填土的壓實度，并做好沉降監測。加固前路堤邊坡總位移最大值為61.64mm，加固后總位移最大值為24.8mm，總體下降了59.8%。另外，加固后的路堤邊坡水平位移由加固前的淺層轉移至深層和抗滑樁頂部，且位移量明顯下降。

4 土質路堤高邊坡加固后變形監測分析

4.1 測點布置

為了確定K254+325.5～K254+612段路基加寬段高邊坡變形情況，分析邊坡的穩定性。路堤變形監測內容主要包括邊坡水平位移、垂直位移、抗滑樁頂位移，根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)進行測點布置。路堤變形監測測點布置間距為30m，該測段一共布置11個測點。抗滑樁變形監測測點布置在樁頂，每隔3根樁布置一個測點，共布置20個測點。

4.2 監測方法

垂直位移監測是在土質路堤高邊坡樁頂埋設水泥樁，并在高邊坡施工影響范圍外布置高程起算點，與設計水準點進行聯測，并定期復核高程起算點[3]，以保證變形監測的穩定性。垂直位移監測采用電子水準儀，按照國家二級水準測量標準進行觀測。

水平位移監測測點布置采用端部刻有十字的鋼筋，埋入邊坡土層厚使用混凝土固定。水平位移監測方法采用小角度法，后視點選用距離測樁50m的永久性目標，然后通過觀測確定各監測點與后視點之間的夾角，通過相鄰兩次觀測的測角差計算確定水平位移。

另外，在技術人員對邊坡變形情況進行監測的同時，對邊坡坡面和坡頂進行觀察，如發現局部有變形破壞的跡象應加強觀測。

4.3 監測頻率及預警值

采用水準儀對邊坡的水平和垂直位移進行監測，前期監測頻率為1次/7d，穩定后1次/14d，雨季應適當增加監測頻率[4]，如變形速率較大，應適當增加監測頻率。抗滑樁樁頂位移采用全站儀監測，監測頻率與邊坡變形監測相同。

為了對邊坡穩定性進行準確評價，需要確定邊坡和抗滑樁變形預警值。預警值應根據邊坡加固設計方案、模擬分析結果、地質情況和監測等級等因素確定。本項目公路監測等級為一級，當邊坡變形達到極限值70%時，抗滑樁變形達到極限值50%時，可認為達到了預警值。根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)中的相關規定，土質路堤高邊坡變形監測極限值為30mm，預警值為21 mm；抗滑樁變形監測極限值為35mm，預警值為17.5mm。

4.4 邊坡變形監測結果分析

選取K254+360～K254+460段為研究對象，選取有代表性的邊坡測點和抗滑樁測點進行分析。選取K254+405.5斷面處的邊坡位移測點監測結果進行分析，16#抗滑樁樁頂位移監測結果作為研究對象。

4.4.1土質路堤高邊坡變形監測結果分析

通過收集K254+405.5監測斷面水平位移和垂直位移監測數據，繪制時間-位移變化曲線如圖4所示。

表4 K254+405.5監測斷面時間-位移變化曲線

分析圖4曲線變化情況，K254+405.5監測斷面水平位移前期變化速率較大，后期逐步趨于穩定。水平位移累積達到12.94mm，低于預警值21mm，邊坡穩定。與水平位移變化趨勢相同，垂直位移也是前期變化速率較高，監測220d以后位移變形速率變小，并逐步趨于穩定。累計垂直位移為5.68mm，遠小于預警值21mm，邊坡穩定性好。

與上述數值模擬分析結果對比分析，計算得出路堤邊坡最大水平位移為12.3mm，與監測結果12.94mm相差5%左右，監測結果與計算結果基本一致。模擬分析計算所得垂直位移最大值為21.9mm，實測值為5.68mm，較計算值下降了74%，這是由于在施工過程中增加了填土的壓實度，提高了邊坡的穩定性。綜合分析邊坡水平位移和垂直位移的檢測結果，均遠小于預警值，路堤邊坡處于穩定狀態。

4.4.2抗滑樁樁頂位移監測結果分析

收集16#抗滑樁樁頂位移監測數據，繪制累積位移-時間變化曲線如圖5所示。

分析圖5曲線變化趨勢，前期樁頂位移變化速度較快，監測后期變化速度明顯下降，在監測365d后基本達到穩定狀態。16#抗滑樁樁頂累積位移為9.77mm，遠低于設計預警值17.5mm，該處邊坡抗滑樁處于穩定狀態。結合上述數值模擬計算結果，樁頂最大位移計算值為10.4mm，二者僅相差6%。

圖5 16#抗滑樁樁頂累積位移-時間變化曲線

5 結語

結合國道108路基改擴建工程，對土質路堤高邊坡進行加固設計，并運用MIDAS/GTS軟件，對邊坡變形情況進行模擬分析，結合高邊坡現場變形監測結果，分析得出以下結論：

(1)通過建立模型進行數值模擬分析，得出土質路堤高邊坡加固后變形明顯下降，但垂直位移較大，應優化施工工藝，提高路基壓實度；

(2)分析邊坡變形監測結果，路堤邊坡水平位移和垂直位移均小于預警值，說明邊坡穩定性良好；

(3)分析抗滑樁變形監測結果，所選抗滑樁樁頂累積位移監測結果為9.77mm，遠低于預警值，說明該處邊坡抗滑樁處于穩定狀態。

綜合分析，路堤高邊坡水平位移、垂直位移，以及抗滑樁位移均低于設計預警值，說明邊坡和抗滑樁穩定性較好。