山區公路高陡路基穩定性分析與設計要點

焦占武， 柏正云

（1．天津濱海新區高速公路投資發展有限公司，天津 300457；2．天津市市政工程設計研究院，天津 300392）

山區公路中高陡路基較為常見，每一處高陡路基均需要進行工點設計，是設計的重難點。本文以G350線倉山—中江段公路改建工程項目為背景，對某處典型山區公路高陡路基的設計要點進行論述。

1 工程概況

項目位于四川省德陽市中江縣，路線大體為南北走向，全長66.032 km。主線公路等級為一級，K0+000～K47+000 段設計速度60 km/h，路基寬度23 m。K47+000～ K66+032.188 段設計速度 80 km/h，路基寬度30 m，全線共7處高陡路基邊坡。

以其中一處典型的高陡路基為例，陡坡高17.2 m，根據地質調繪、鉆探和區域地質資料，揭示地層上而下分布耕植土、粉質黏土及白堊系下統白龍組粉砂巖。

耕植土：主要分布于地表耕地處，褐紅色，松散，稍濕，以粉黏粒為主，含植物根系，厚度為0.6 m。

粉質黏土：主要分布于坡體表面，褐紅色，可塑，主要由黏粒組成，夾少量砂粒，含少量鐵錳質礦物，干強度中等、韌性中等，厚度為1.7～3.0 m。

強風化粉砂巖：褐紅色，砂質結構，層狀構造，主要礦物成分為石英、長石，泥-鈣質膠結，節理裂隙發育，巖質較軟，巖芯呈碎塊狀，厚度為0.7～2.0 m。

中風化粉砂巖：褐紅、灰紅色，砂質結構，層狀構造，主要礦物成分為石英、長石，泥鈣質膠結，節理較發育，巖質較軟，未揭穿，最大揭示厚度15.8 m。

由于本工程地下水位較低，不考慮水的影響因素。

選定最不利剖面作為研究斷面。初步擬定一級邊坡8 m，坡率1∶1.5；二級邊坡9.2 m，坡率1∶1.75；邊坡平臺寬度為2.0 m。見圖1。

圖1 高陡路基承托層地層分布及設計橫斷面

2 潛在滑動面分析及計算方法的選擇

高陡斜坡面為二次元結構邊坡，下伏中風化粉砂巖，承載力為300 kPa，上覆薄層粉質黏土及耕植土。坡腳處上層為厚層粉質黏土，深度達11 m，下層為中風化粉砂巖。下伏巖質邊坡，巖體的失穩與破壞主要受巖體內結構面的控制，它們之間的空間分布位置、組合關系和結構面的物理力學性質等，對邊坡的穩定都起著至關重要的作用[1]。一般分為3 種破壞模式：平面破壞、楔體破壞、傾倒破壞。可采用赤平投影法來進行初步定性判斷，見圖2。

圖2 巖質邊坡失穩模式

平面破壞及傾倒破壞可以采用不平衡推理法進行定量計算；而楔體破壞雖然也有三維楔形體分析法，但是其計算參數較難獲取且由于結構面的復雜性和變異性較大，計算結果往往差別很大[1]。根據赤平投影分析結果，下臥層中風化粉砂巖層結構較為穩定。綜上，巖層與薄層土層分界面是斜坡面上最不利滑動面，即折線或直線滑動面。

坡腳處上覆厚層粉質黏土，當邊坡沿斜坡面產生滑動之后，坡腳處形成應力集中，易產生沖剪或局部剪切破壞，從而形成圓弧滑動面[2]。綜合以上分析結論，可以初步推斷潛在滑動面的位置，見圖3。

圖3 高陡路基潛在滑動面

邊坡穩定性計算方法應根據邊坡類型和可能的破壞形式，按下列原則確定[3]：

1）規模較大的碎裂結構巖質邊坡和土質邊坡宜采用簡化Bishop法計算；

2）對可能產生直線形破壞的邊坡宜采用平面滑動面解析法進行計算；

3）對可能產生折線形破壞的邊坡宜采用不平衡推力法計算；

4）對結構復雜的巖質邊坡，可配合采用赤平投影法和實體比例投影法分析及楔形滑動面法進行計算；

5）當邊坡破壞機制復雜時，宜結合數值分析法進行分析。

該邊坡表層坡度＞1∶2.5，覆蓋層為粉質黏土及強風化粉砂巖且厚度較薄，此二元結構層安全性隱患較大，無需穩定性計算，可直接清除覆蓋層。下部的中風化層為完整的巖層，結構面較為復雜，可能沿薄弱結構面產生滑動，也可能存在楔形體滑動面，定量計算不再適用，可采用赤平投影法分析；其中路基填土與中風化粉砂分界面易形成直線或折線形滑動面，可采用不平衡推力法進行安全系數的計算。對坡腳處厚層粉質黏土層，可采用簡化Bishop 法進行安全系數的計算。另外，由于坡腳粉質黏土承載力一般，厚度較大，邊坡高度較高，容易產生較大的沉降并進一步牽引斜坡面的滑動，故需對坡腳處深厚層粉質黏土層進行沉降驗算。

3 邊坡穩定性分析

場區巖體風化裂隙一般發育，無斷層和規模大的裂隙密集帶通過。巖層產狀59°∠5°，主要發育兩組節理裂隙，節理 1 為 340°∠78°，節理 2 為 82°∠72°。裂隙一般發育，呈閉合～微張，無充填或少許泥質充填、無充水，結合一般。采用赤平投影法對高陡路基進行穩定性分析。見圖4。

圖4 極射赤平投影

根據赤平投影分析結果，該邊坡巖體部分屬于穩定結構。

3.1 穩定性計算

1）采用不平衡推力法計算二元結構面處穩定性。應考慮天然狀態、連降暴雨作用及地震作用，由于該區域抗震設防烈度為6 度，故只需考慮以下兩種工況：工況I 自重，工況II 自重+暴雨。自重為邊坡體受到的重力，在地下水位以上按天然重度計算，在地下水位以下取飽和重度。暴雨對邊坡的作用表現為經入滲或徑流改變地下水位以及地下水位以上邊坡體和潛在滑動面的含水量，從而改變邊坡體自重、動水壓力和浮托力等荷載以及邊坡體和潛在滑動面抗剪強度參數，進而影響邊坡體的穩定性。

計算參數包括坡體土層重度、黏聚力和內摩擦角。工況I時，地下水位在潛在滑動面以下，自重計算取天然重度，抗滑力計算取天然黏聚力和內摩擦角；工況II 時，整個邊坡體因降雨入滲而處于飽和狀態，自重計算取飽和重度，抗滑力計算取飽和粘聚力和內摩擦角。見表1。

表1 邊坡穩定性計算巖土體參數

將剖面按計算要求進行概化，采用理正邊坡穩定分析軟件不平衡推力法，由計算機進行條塊劃分和潛在滑動面搜索，穩定性計算結果：工況I的邊坡穩定安全系數為0.47＜1.35，工況II 的邊坡穩定安全系數為0.43＜1.25，均處于不穩定狀態。

2）采用剩余下滑力法及Bishop 法計算坡腳厚層粉質黏土穩定性。首先計算上部土層剩余下滑力：第1 塊滑體(直線滑動面)剩余下滑力為230.256 kN，下滑力角度33.524°；第3塊滑體(直線滑動面)剩余下滑力為1 128.648 kN，下滑力角度 28.789°；第2、4 塊滑體剩余下滑力均為0。

將剩余下滑力等效為作用于厚層粉質黏土層的作用力，簡化模型后再計算坡腳厚層粉質黏土層的穩定性。見圖5。

圖5 等效作用力下坡腳處地層穩定性計算簡化模型

工況I 的邊坡穩定安全系數為1.13＜1.25；工況II的邊坡穩定安全系數為1.04＜1.25，均處于不穩定狀態。

3.2 沉降驗算

主固結沉降采用分層總和法計算，計算參數采用由壓縮試驗得到的e-p曲線。選定最不利斷面作為路堤計算斷面，按計算要求輸入斷面相關參數，采用理正巖土軟土地基路堤、堤壩設計軟件進行沉降和穩定計算。見表2。

表2 地基土層主要計算參數

本次沉降計算結果：路面竣工時，地基沉降為0.15 m；路面竣工后,基準期內的殘余沉降為0.173 m。規范[3]并未給出工后沉降控制標準，招商局重慶交通科研設計院有限公司對四川成雅高速公路全線填方路基以及廣西南寧—桂林高速公路部分高填方路基不均勻沉降實測結果進行分析，得出結論：為控制路基不均勻變形，山區高填方路基工后沉降控制標準取4 cm 較為合適[3]。但實際對基底為厚層黏土層的區域均很難滿足這一標準，故通常按橋頭沉降標準進行控制，取10 cm。根據沉降計算結果，該處工后沉降＞10 cm，不滿足高填方路基沉降控制標準。

4 設計處治措施

根據以上邊坡穩定性分析、沉降分析及計算結果并結合當地類似工程的調查，初步擬定的坡形、坡率及平臺寬度基本合理。由于該處高陡路基斜坡面上薄層覆蓋層有滑塌的風險，可直接清除至中風化粉砂巖層。路基填土與中風化粉砂巖分界面是最不利界面，易形成滑動面并且由于路基沉降較大，坡腳處基底需進行加固處理。但因坡腳處地基承載力不高，故反壓護坡及擋土墻支護均不適宜；可采取開挖寬平臺及增設多層土工格柵的措施，減小陡坡坡度，增強填土層與中風化粉砂巖結構面的黏結力，坡腳處地基可采用水泥攪拌樁進行加固處理，為預防未來地下水位上升的風險，加強了排水設計。

地面橫坡陡于1∶2.5，清除表層1.8 m 耕植土及粉質黏土，沿基巖開挖內傾4%橫坡臺階，臺階寬度4 m；在每級臺階搭接處鋪設一層土工格柵，平臺處鋪設3層；坡腳處采用水泥攪拌樁進行深層處理，樁徑0.6 m，樁長11.5 m，樁間距2 m。樁頂設60 cm 碎石墊層；坡面采用菱形骨架植草防護；各級邊坡每隔50～100 m 設置踏步兼急流槽，采用M7.5 漿砌片石砌筑；坡腳設置60 cm×70 cm 混凝土矩形排水溝，路基坡面排水通過骨架水槽流入排水溝。見圖6。

圖6 處治加固

對采取相應處治措施后的高陡路基進行穩定性驗算。

1）采用Bishop 法對填土區域，采用不平衡推力法對開挖寬平臺后的填土與中風化粉砂巖分界面進行穩定性驗算。工況I 的邊坡穩定安全系數為2.29，工況II的邊坡穩定安全系數為1.92，均處于穩定狀態。

2）水泥攪拌樁加固處理后沉降驗算：路面竣工時,地基沉降為0.058 m；路面竣工后,基準期內的殘余沉降為0.067 m。滿足高填方路基沉降控制標準。

5 結論

1）山區公路高陡路基潛在滑動面需要針對具體的地質狀況進行認真細致的理論分析并結合現場踏勘情況進行推斷，沒有統一的方法，更不能由計算機自由選定。

2）山區公路地質情況較為復雜，尤其是對于二次元乃至三次元結構的高陡路基，需要針對不同的路基地層采取相應的計算分析方法。對于巖質邊坡通常采取赤平投影及工程類比法分析，對于土質邊坡通常可采取Bishop 法進行分析；對于二次元或三次元結構的分界面可采用不平衡推力法。

3）對于山區公路高陡路基尤其需要重視斜坡面及坡腳處穩定性分析并驗收坡腳處地基沉降。斜坡面穩定性計算和坡腳處穩定性應根據工程實際分析是否需要分開獨立計算，因為通常坡腳處為土層，而斜坡面通常為巖層。對于獨立計算，可采用剩余下滑力，將上部下滑力等效處理后，重新建模再復核坡腳的穩定性及沉降。

4）高陡路基的處治措施方法眾多，應充分根據地質情況，選取擋土墻支護、反壓護坡、抗滑樁、錨桿支護等方式，本工程因坡腳處地基承載力較低，宜選取開挖寬平臺及樁基加固的方式。