公路高填陡坡路堤的穩定性分析與設計要點

舒廣志

(中鐵城際規劃建設有限公司，江西 贛州 341000)

1 加強制定高填陡坡路堤整體穩定性方案

1.1 穩定性分析

要對施工路段的環境進行詳細地勘察，并對相關的地質進行科學的分析，通過對比分析路段的條件，綜合防治高填陡坡路堤邊坡危害的發生，在這個過程中要提前做處理方案。

1.2 施工準備及要點

在公路工程的設計與施工準備中，技術人員要詳細了解公路工程的相關情況，例如水文條件、地質條件以及特殊的環境因素等，綜合考慮后對勘察數據進行整理統計。只有通過對工程環境、地質數據的精準掌握和分析，設計人員才能制定科學合理的防護方案，這也是保障工程質量的前提。在具體的設計與施工過程中，根據已有的工程記錄，分析各種高填陡坡路堤的病害類型，同時認真整理分析施工中高填陡坡路堤的穩定數據，對公路高填陡坡路堤的邊坡整體穩定性進行研究。施工人員在對工程段的地質水文整體掌握的前提下，構建科學合理的地上與地下部分的排水系統，避免地下水和地上水相互作用危害路基高邊坡的穩定性。在施工過程中，設計人員要嚴格考察高填陡坡路堤的現場情況，對高填陡坡路堤邊坡的坡形和坡率實施精準計算，進行合理的工程設計，確保邊坡坡率和坡形與現場的巖石特征相符合，最大限度地縮減針對邊坡的加固施工。這些措施一方面強化高填陡坡路堤邊坡的防護能力，另一方面確保了高填陡坡路堤的整體穩定性。

1.3 監測措施

公路完工后和使用前，相關部門還要在一定時間內對高填陡坡路堤的邊坡進行監測，及時整理監測的數據信息，對于那些穩定性不佳的段落設立長期的觀測站，進行持續性的穩定性觀測。在后續的公路養護工作中，必須建立健全養護制度，對于公路邊坡危害的高發區要具體落實到人，做到監測的定時定點，確保及時發現危害和及時處理。對于通過分析計算存在隱患的路段，必須采取針對性的、特殊的措施進行預防，例如限制重量、加強排水、對支擋防護實施加固等措施。

2 具體的案例解析

2.1 邊坡穩定性分析

案例項目位于贛州市于都縣，路線為南北走向，公路全長6.6 km。采用設計速度為60 km/h的一級公路標準建設，路基寬度設計為24.5 m。全線共計四處高填陡坡路堤，本文以其中一處具有代表性的路基為例。工程場區呈現一般發育的巖體風化裂隙，通常斷層密集帶通過和規模的裂隙不會發生。巖層產狀 57°∠5°，節理裂隙關鍵發育表現為兩組，節理1為340°∠78°，節理2為84°∠75°。可為一般裂隙的發育，為閉合～微張的狀態，沒有發生沒有水、填充或者少量填充的現象，呈現一般的組合。本文采取赤平投影法對公路高填陡坡路堤邊坡實施穩定性分析。分析結果顯示，該邊坡巖體呈現部分的結構穩定。

2.2 穩定性的計算

(1)完全采用不平衡推力法計算二元結構面處穩定性。必須綜合分析地震、天然狀態、連降暴雨等，基于該區域為6°的抗震設防烈度，所以，只需要對兩種工況進行考慮率：自重以及自重+暴雨。重力作用于邊坡體稱之為自重，計算的方法基于地下水位上面的按照天然重度實施計算，地下水位之下的按照飽和重度計算。影響邊坡的暴雨因素體現在兩個方面，地下水因為深入的變化，以及隱藏滑動面和邊坡體在地下水位以上的含水量，基于此形成的坡體自重的變化、動水壓力的變化、變化的浮托力、還有坡體和潛在滑動面抗強度參數的改變，對邊坡穩定性造成影響。計算參數包括內摩擦角、粘聚力和坡體土層厚度。在第一種工況 時，地下水位在隱藏滑動面以下，天然自重是自重計算的標準，內摩擦角和天然凝聚力是計算抗滑力的手段；基于第二種工況，飽和狀態的形成是因為暴雨的滲入，利用飽和重度計算自重體，利用內摩擦角和粘聚力計算抗滑力。在第二種工況時，基于降雨造成的入滲呈現飽和狀態，計算自重體采用飽和重度，計算抗滑力采取粘聚力和內摩擦角。剖面的概化必須根據計算，利用的軟件是某軟件的平衡推力法。在滑動面搜索和條款劃分可以由計算機完成。在第一種工況下，計算穩定性結果，顯現的邊坡穩定系數為0.46<1.34，第二種工況下的安全穩定系數為0.42<1.24，都顯現狀態的不穩定。

(2)計算坡腳厚層粉質黏土穩定性可以采用Bishop法和剩余下滑力計法。首先上部土層剩余下滑力實施計算：第一塊滑體剩余下滑力為231.255 KN，下滑力角度32.523°；第三塊滑體剩余下滑力為1 127.646 KN，下滑力角度 27.790°；而均顯示為零的是第二和第四塊滑體剩余下滑力。通過等效厚層粉質黏土層和剩余下滑力的作用力，簡化模型，再計算坡腳厚層粉質黏土層的穩定性。

第一種工況的邊坡穩定系數為1.12<1.24；第二中工況的邊坡穩定系數為1.03<1.24，皆為不穩定狀態。

(3)穩定性計算公式

通過有效構建離散化有限單元模型，利用特殊形式的單元類型，比如四邊形或三角形等，將計算模型進行大小適宜的單元劃分，各單元的連接通過節點來實現。以虛功規則為基礎，實施離散化有限元計算模型的構建，采用不同形式的單元形式，將計算模型進行大小適宜的單元劃分，并假定各單元間的連接通過節點來實現

[ke]{δ}-{F}

(1)

式中：設置的單元節點力為{F}；[Ke]則表示為單元剛度矩陣。方程平衡的總體性:各單元節點的疊加力與節點位移之間的內在聯系，形成如下按照節點位移列陣構成下面的根據節點位移列陣，公式(2)為基本未知量的線性代數方程組

(2)

公中：整體剛度矩陣設定為[K]。借助增量法

—初應力法，獲得節點位移矢量{U}。各單元的以力和應變實施計算要根據相應節點的位情況，之后根據力學材料的應力情況對各單元的主應力(σ↓1，σ↓3以及最大主應力(τ1)與x軸的夾角(a)進行計算：

(3)

2.3 關于沉降的計算

針對主固結沉降計算可以利用分層總和法計算進行，借助壓縮試驗獲得的e-p曲線計算參數。堤計算斷面可以選定最不利斷面，斷面相關參數要按計算要求輸入，利用兩種軟件對沉降和穩定實施計算，分別為堤壩設計軟件和巖土軟土地基路基軟件。本試驗的計算結果顯示：路面完成之后，為0.15 m的地基沉降，殘余沉降在基準期內為0.163 m。相關規范并沒有對沉降后的控制標準進行規定，而是認真分析另外對某高速路部分的均勻沉降結果，得出結論為：為杜絕不均勻變形在路基的發生，路基高填方結束后沉降管控標準設定4 cm較合適。可基于具體的基底為厚層黏土層的地區都達不到這個標準，所以一般是根據橋頭沉降標準實施管控，規定為10 cm。但按照沉降計算數據，該區域工程完成后呈現大于10 cm的沉降，不符合相關的控制標準。

3 要點設計

通過嚴格分析邊坡的穩定性和沉降狀況以及對數據的計算，同時綜合相關項目的研究數據，本文設計的坡率、坡形和平臺寬度具備合理性。考慮該地段高填陡坡路堤斜坡面上的覆蓋薄層有可能滑塌，可以對其進行清除，直到中風化粉砂巖層。由此形成的最不利界面為中風化粉砂巖與路基填土的分界面，很容易產生滑動面而且基于路基的很大沉降，必須加固處理坡腳處基底。但因為坡腳處很弱的地基承受力，所以，擋土墻支護和反壓護坡擋土的方案不適宜采用，可以綜合采用開挖寬平臺和土工格柵的多層性，而且陡坡的坡度要縮短，促進不同砂土和巖石層的黏結力，加固處理的具體措施可以采用水泥攪拌樁處理坡腳處的地基。同時為了預防地下水形成的風險，要切實加強排水設施。倘若地表橫坡的坡度大于1∶2.4，就要及時清除地層17 m的耕植層以及粉質黏土，另外在基巖上構筑橫坡臺階，設定4%的內傾度，其寬度為4 m，利用土工格柵作為臺階之間的搭接處理，在平臺位置可布置三層土工格柵；可以利用水泥攪拌樁對坡腳處實施深層處理，攪拌樁的直徑為0.6 m，長度為11.4 m，攪拌樁的間距為2 m，樁頂鋪設60 cm的碎石墊層；坡面的防護可以采用菱形骨架植草；各級邊坡踏步和急流槽要每隔50～100 m進行設置，利用M7.5的漿砌片進行砌筑；坡腳處構建矩形混凝土排水溝，規格為60 cm×70 cm，雨水可以通過骨架水槽流進排水溝。

實施了上述措施后對高填陡坡路堤實施穩定性驗算。

第一，對填土地段利用Bishop的不平衡推力法，對平臺開挖的不同土層之間界面穩定性實施驗算。第一種工況的邊坡穩定系數為2.28，第二種工況的邊坡穩定系數為1.91，都呈現穩定趨勢。第二，對水泥攪拌樁加固處理后的沉降實施驗算：完成路面工程時，地基呈現沉降為0.056 m；工程完成后在基準期內的殘余沉降為0.066 m。可以滿足沉降的管控標準。

4 結束語

總而言之，在公路建設施工中，為了確保高填陡坡路堤邊坡錨固施工的安全、順利進行，必須選擇技術能力強、施工經驗豐富的施工隊伍，并且工程過程中的監督是至關重要的。在道路設計的環節中，務必要綜合考慮諸多方面的因素。對于高填陡坡路堤，有很多種處治的技術手段，要根據具體工程地質的情況，選擇了靈活的處理方式，例如反壓護坡手段、支護擋土墻、支護錨桿以及抗滑樁等。