山區(qū)斜坡軟基路堤穩(wěn)定性研究

金 鑫

(中國鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

我國西南地區(qū)山高谷深，地形地貌復(fù)雜，山谷之間的盆地常有黏性土分布。由于地區(qū)氣候多雨潮濕，導(dǎo)致黏性土天然含水率高，多為流塑-可塑狀態(tài)的高液限黏土，并具有壓縮性高、強(qiáng)度較低、厚度分布極不均勻的特點(diǎn)。西南地區(qū)的高速公路常沿山谷布線，工程建設(shè)不可避免地在一些斜坡軟弱地基上填筑路基。大量工程案例表明，斜坡軟基路堤的穩(wěn)定性差，施工過程中常發(fā)生整體失穩(wěn)，一些通車后的路段仍可能發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象，這對公路工程建設(shè)帶來了極大的挑戰(zhàn)[1]。國內(nèi)對此也進(jìn)行了許多研究與實(shí)踐，并采取多種技術(shù)措施如清除換填、碎石樁等方式處理[2-3]，也有部分工程直接填筑。在軟基路堤的破壞機(jī)理方面，魏小楠、魏永幸、劉金龍[4-6]等人對山區(qū)斜坡軟基上填方路基的成因、工程特性、變形特性、滑坡機(jī)理進(jìn)行了分析與研究。王亞鵬[7]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場壓填試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，對壓填片石處理軟基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性狀進(jìn)行了研究，針對不同填土高度，提出了相應(yīng)的壓填復(fù)合體深度。王希寶[8]以高填方軟弱地基失穩(wěn)處治方案為案例，探討了CFG樁對剪出口與填方區(qū)范圍地基軟弱土進(jìn)行加固的機(jī)理，為復(fù)合地基處治軟基提供了經(jīng)驗(yàn)。陳紫云[9]對軟弱地基高填方路堤發(fā)生的多次滑移失穩(wěn)進(jìn)行了深刻研究，剖析了各個(gè)階段滑移失穩(wěn)后處治方案的失誤和原因，強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)確掌握具體問題失穩(wěn)機(jī)制的重要性，才能做到有的放矢，進(jìn)而采用針對性強(qiáng)、效果顯著的處治措施。

從已建工程看，軟基路段發(fā)生路基整體失穩(wěn)的概率比較高[10-12]，本研究以貴州某高速公路某整體失穩(wěn)路基為案例，對深厚斜坡軟基路堤的穩(wěn)定性及處治技術(shù)進(jìn)行了分析研究。運(yùn)用數(shù)值模擬分析了處治后的路基穩(wěn)定性，計(jì)算了路基沉降和位移，結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測數(shù)據(jù)基本相符。

1 工程概況

該路段的路基橫斷面與地質(zhì)狀況如圖1所示。路堤處于斜坡地形上，原地面坡度約10°，坡腳為沖溝。路基填土高度約16 m，兩級(jí)邊坡，坡率依次為1∶1.5,1∶1.75，襯砌拱護(hù)坡。左側(cè)坡腳處設(shè)置26根1.8 m×2.4 m×20 m抗滑樁。

圖1 路基橫斷面與地質(zhì)狀況Fig.1 Subgrade cross-section and geological condition

地基土為第四系殘坡積層，主要為粉質(zhì)黏土，處于軟塑狀態(tài)，強(qiáng)度較低。路基填筑體及其所處山坡巖土體從上到下依次為：填土，由人工填筑碎石土和黏性土構(gòu)成，主要由粉質(zhì)黏土回填，夾少量礫石；粉質(zhì)黏土，土質(zhì)較均勻，局部巖芯相對較軟，強(qiáng)度相對較低；黏土，土質(zhì)較均勻，未揭穿；圓礫土，鉆探揭示該層最大厚度0.60 m。

該段填方路基于2018年1月開始進(jìn)行填筑，采用天然混合土石填料進(jìn)行填筑，2018年9月基本填筑完成，2018年11月路基頂面發(fā)生了開裂，裂縫寬度約10～15 cm，垂直高差約5 cm，長度約60 m，路基一級(jí)邊坡平臺(tái)位置和坡腳位置均出現(xiàn)了鼓脹變形，而坡腳抗滑樁未發(fā)生位移，抗滑樁處于穩(wěn)定狀態(tài)，即抗滑樁樁頂上部的路基填土發(fā)生了越頂變形。

2 失穩(wěn)機(jī)理與處治措施

2.1 失穩(wěn)機(jī)理分析

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，路堤自身的沉降量一般不會(huì)導(dǎo)致如此大的沉降與開裂。路基整體失穩(wěn)后，對該路段進(jìn)行了補(bǔ)充地質(zhì)勘察。該處的地基為深厚粉質(zhì)黏土和黏土(地質(zhì)勘察至深25 m未揭穿)，土體抗剪強(qiáng)度低，且處于斜坡上，穩(wěn)定性差。因此，可以判斷地基土體抗剪強(qiáng)度低和穩(wěn)定性差是該段路基失穩(wěn)的主要因素。

采用應(yīng)用廣泛的Geo Slope巖土軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析[13]。土層計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料確定，見表1。利用軟件自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，采用簡化Bishop法計(jì)算得出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.831(如圖2所示)，不滿足規(guī)范[2]穩(wěn)定性要求。

圖2 處治前失穩(wěn)時(shí)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Fig.2 Calculated unstable slope stability before treatment

2.2 處治技術(shù)措施

針對路基失穩(wěn)的成因機(jī)理分析，提出了相應(yīng)的處治技術(shù)措施方案。(1)自上而下分層清除原路基填筑體，路基右側(cè)進(jìn)行邊溝順接；(2)基底分臺(tái)階超挖5 m 后，基底澆筑0.5 m厚的素混凝土后采用石渣進(jìn)行換填；(3)路堤采用石渣進(jìn)行重新填筑。處治設(shè)計(jì)橫斷面如圖3所示。處治后的Bishop法邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.452(如圖4所示)，滿足規(guī)范要求。

圖3 處治后路基橫斷面Fig.3 Cross-section of subgrade after treatment

圖4 處治后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Fig.4 Calculated slope stability after treatment

表1 巖土材料的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of geotechnical materials

3 處治前后對比分析

采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值軟件對破壞時(shí)和處治后的路基地基穩(wěn)定性、位移、沉降進(jìn)行對比分析[14-15]，由于地基圓礫土分布很薄，故模擬的地基土層以粉質(zhì)黏土層和黏土層為主。

3.1 模型的建立

計(jì)算模型中，路基的第1級(jí)邊坡高8 m，坡率1∶1.5，平臺(tái)寬2 m，第2級(jí)坡高8 m，坡率1∶1.75，坡腳處設(shè)置1.8×2.4 m抗滑樁，樁長20 m。土層劃分從上至下為粉質(zhì)黏土、黏土。樁體為Elastic彈性模型，土層和其他各種巖土材料單元均設(shè)置為Mohr-Coulomb模型，樁體和土體之間設(shè)置接觸面Interface單元。計(jì)算時(shí)，模型底部為固定邊界，四周為滾支邊界約束，頂部為自由邊界。處治前和處治后的模型示意如圖5所示，各巖土材料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

圖5 模型示意圖Fig.5 Schematic diagrams of model

3.2 水平位移對比分析

圖6 水平位移云圖(單位:×10-2 m)Fig.6 Nephograms of horizontal displacement(unit:×10-2 m)

由圖6可知，處治前路基基底的最大水平位移在左幅，且達(dá)到9.7 cm，并逐漸向路基坡腳處延伸，坡腳處的水平位移約為8 cm，路基和地基粉質(zhì)黏土層有逐步向外側(cè)滑移，直至失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。處治后，原有路基體清除后采用石渣進(jìn)行了重新填筑，提高了路基本身的自穩(wěn)性，且地基進(jìn)行了換填處理。處治后的路基基底最大水平位移較處治前明顯減小，僅為3.5 cm。且最大水平位移值的位置由處治前地基往上2 m的位置降至了處治后地基以下6 m的位置，最大水平位移值的范圍也明顯下降。處治后的路基和深0～2 m范圍的地基，其水平位移僅約0～1 cm，穩(wěn)定性得到了大幅度提高。

圖7 沉降云圖(單位:×10-2 m)Fig.7 Nephograms of settlement(unit: ×10-2 m)

3.3 沉降對比分析

對比沉降云圖，由圖7可知，沉降最大值發(fā)生在路基頂面。處治前，路基頂面最大沉降值約17.7 cm，路基左幅坡腳沉降接近0 cm。處治后，路基頂面最大沉降值約為3.3 cm，且路基左幅路肩處沉降約為2.5 cm，左幅坡腳沉降接近0 cm，地基換填和路基重填后，路基沉降明顯減小，處理效果顯著，也說明了路基穩(wěn)定性得到了大幅度改善。

4 沉降和位移觀測

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

圖8 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.8 Layout of monitoring points

監(jiān)測內(nèi)容主要包括地表與支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況、路基的沉降與位移等[16-18]，在沉降開裂路段、上下邊坡外側(cè)、抗滑樁頂附近設(shè)置沉降、水平觀測點(diǎn)。路基滑坡工點(diǎn)的監(jiān)測斷面沿滑坡主滑動(dòng)方向布設(shè)，如圖8所示。橫向監(jiān)測斷面分別為滑坡后緣以外的坡體W0-1～W0-2測點(diǎn)、路基左側(cè)坡腳抗滑樁頂附近C/W1-1～C/W1-4測點(diǎn)、路基左側(cè)平臺(tái)C/W2-1～C/W2-4測點(diǎn)、左側(cè)路肩位置C/W3-1～C/W3-4測點(diǎn)、滑坡前緣以外的坡體W0-3～W0-4測點(diǎn)，水平位移監(jiān)測點(diǎn)共16個(gè)，沉降監(jiān)測點(diǎn)共12個(gè)。

4.2 水平位移觀測結(jié)果

圖9 水平位移與時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.9 Curves of relationship between horizontal displacement and time

路基處治施工期和運(yùn)營期不同測點(diǎn)的位移變化如圖9所示。在路基填筑和路面結(jié)構(gòu)層施工期間，受施工擾動(dòng)的影響，圖9(b),9(c)中路基的位移變形波動(dòng)較大，月位移量在0～27 mm之間波動(dòng)。然而，路基位移并沒有隨時(shí)間的增長而持續(xù)增加。因此，路基位移變化波動(dòng)可解釋為主要是路基施工時(shí)壓路機(jī)碾壓和坡面防護(hù)施工對臨近測點(diǎn)擾動(dòng)影響所致。且圖9(a)滑坡前、后緣以外的坡體在施工期間的位移變形波動(dòng)范圍僅為0～10 mm，可解釋為距離路基有一定距離，受施工時(shí)的影響較小。3.2節(jié)中處治后的路基和深0～2 m范圍地基的水平位移約為0～1 cm，與W0-1、W0-2測點(diǎn)水平位移數(shù)據(jù)0～10 mm基本吻合。在道路運(yùn)營期間，路基位移逐漸趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)曲線波動(dòng)幅度非常小，單點(diǎn)的變化量均在5 mm以內(nèi)。

4.3 沉降觀測結(jié)果

路基的沉降變化如圖10所示。路基經(jīng)歷了一個(gè)雨季的考驗(yàn)，路基的沉降值在12～30 mm范圍內(nèi)。當(dāng)監(jiān)測至2020年7月份時(shí)，圖10(a)、10(b)的沉降曲線均開始逐漸收斂，圖10(c)的沉降變化趨勢也逐漸變緩，但收斂不明顯，路基左側(cè)路肩的填筑時(shí)間晚于路基坡腳和平臺(tái)處，收斂滯后也是正常的。當(dāng)觀測至2020年10月份時(shí)，路基左側(cè)坡腳、左側(cè)平臺(tái)處的最大沉降值均為30 mm左右，大小相當(dāng)，也與沉降模擬計(jì)算結(jié)果2.5～3.3 cm基本吻合。而路肩處的沉降暫時(shí)相對較小，為22 mm左右，預(yù)計(jì)再經(jīng)歷3～4個(gè)月之后路肩沉降達(dá)到30 mm也會(huì)開始逐漸收斂。

圖10 路基沉降與時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.10 Curves of relationship between subgrade settlement and time

從路基沉降和水平位移監(jiān)測結(jié)果分析可知，本段路基的沉降和位移均已趨于穩(wěn)定，目前路基的沉降和穩(wěn)定性(整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定)均得到了保證。監(jiān)測結(jié)果也復(fù)核了數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。謹(jǐn)慎起見，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)道路運(yùn)營期間尤其是在雨季的沉降和位移監(jiān)測，及時(shí)分析與預(yù)判路基穩(wěn)定狀況；并加強(qiáng)雨季道路運(yùn)營期間的巡查和養(yǎng)護(hù)，確保雨季路基右側(cè)邊坡匯水能順利通過排水系統(tǒng)排出。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合某具體工程案例，分析了山區(qū)斜坡軟基路堤的失穩(wěn)機(jī)理，得到如下主要結(jié)論：

(1)路堤坡腳處設(shè)置的抗滑樁雖可增強(qiáng)穩(wěn)定性，但基底處理不好，仍可能發(fā)生地基的越頂滑移變形。應(yīng)充分論證換填的必要性和換填深度，確保路基與地基的整體穩(wěn)定。

(2)通過數(shù)值模擬軟件對處治前后地基和路基的水平位移、沉降進(jìn)行了計(jì)算對比分析，處治后地基和路基的沉降和水平位移均明顯減小，地基和路基的穩(wěn)定性得到了保證。處治后，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場工程實(shí)測結(jié)果基本吻合。

(3)針對具體的斜坡軟基路堤工程問題，應(yīng)準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)失穩(wěn)機(jī)理，才能采用有效的處治措施。