某高填陡坡路堤稳定性及支护措施研究.pdf

针对高填陡坡路堤的稳定性问题，以西南地区某道路填方路堤为例，结合该类边坡的变形破坏模式，采用不平衡推力法对其整体稳定性进行了分析，同时还采用强度折减法对局部稳定性进行了定量计算。在此基础上，提出了相应的支护措施在路堤边坡坡脚位置采用桩板墙进行支挡，桩顶以上路堤加铺土工格栅，坡面及填方路基内侧设置截排水设施。关键词：高填陡坡路堤；强度折减；稳定性分析；支护措施中图分类号：U416.1文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）06-0047-041前言随着我国西部大开发的深入推进，山区城镇化建设、市政道路及公路等项目的新建或改扩建力度逐渐加大。受山区地形地貌条件限制，可利用的土地资源日益紧缺，项目建设用地与地方城乡发展用地的矛盾日益突出1。在此背景下，高填方路堤在山区道路工程的建设中变得十分常见。当路基中心填方高度超过20 m时，可以认为是高填方路堤；当地面自然斜坡陡于1 2.5时，可以认为是陡坡路堤2。在山区道路工程中，高填方路段往往也为陡坡路段。一般而言，对于高填陡坡路堤，其边坡稳定性评价、高填方后的沉降控制以及高填方路堤的处理措施等相关问题往往受到广大工程人员的关注。以某山区高填方陡坡路堤边坡为例，采用基于刚体极限平衡理论的不平衡推力法以及基于有限元数值计算的强度折减法，对填方路堤进行整体及局部稳定性分析。在此基础上，提出了边坡支护措施，并结合数值计算结果探讨了边坡支护后的稳定性，可以为类似工程提供参考。2工程概况该边坡位于西南地区某道路工程项目的填方路段，道路为城市主干路，路基宽30 m。该段填方路堤长约100 m，道路中心填方高度1521 m，最大填方高度 28 m，填方路段自然斜坡坡度为1430。原始地层主要分布有：粉质黏土（Q4el+dl）、强风化泥岩及粉砂岩、弱风化泥岩及粉砂岩（J2s）。受道路总体线路、周边地形条件及既有建筑等多方面因素的限制，填方路堤边坡坡脚需设置支挡结构收坡，还需要将第一级、第二级边坡的坡比分别调整为1 1.25、1 1.50，才满足坡脚位置的要求。此外，为避免填筑边坡内侧积水，考虑将道路内侧填平处理。路堤典型断面如图1所示。3高填陡坡路堤边坡稳定性分析根据该段路堤所处位置的地质资料可知，下覆地层表面存在一层粉质黏土，基岩不存在影响边坡稳定性的外倾结构面。该边坡的变形破坏模式主要有2种：沿路堤底面土岩界面滑动；支挡结构以上路堤堤身变形破坏。因此，在工程设计中，需要同时考虑填方路堤的整体稳定性及局部稳定性，并以此为基础进行支挡工程的设计。3.1整体稳定性分析3.1.1 计算方法基于刚体极限平衡理论，整体稳定性计算可以将填筑体视为滑体，将填筑体与下覆地层的接触面视为潜在滑动面，从而建立计算模型。计算方法采用JTG D30-2015 公路路基设计规范 推荐的不平衡推力法，公式为：47Ei=Wisini-1Fscili+WQicositani+Ei-1i-1（1）i-1=cos()i-1-i-taniFSsin()i-1-i（2）式中：Wi为第i个土条的重力；i为第i个土条底滑面的倾角；Fs为路堤稳定性系数；ci和i为第i个土条底的黏聚力和内摩擦角；li为第i个土条底滑面的长度；WQi为第i个土条的重力与外加竖向荷载之和；Ei-1为第i-1个土条传递给第i个土条的下滑力。此外，该段路堤坡脚位置不能直接放坡，需设置支挡结构。因此，除剩余下滑力以外，还需要考虑土压力的影响。土压力计算采用规范推荐的库伦主动土压力法。3.1.2 计算参数根据不平衡推力法的理论公式，潜在滑移面上的抗剪强度指标将直接影响计算结果。通常情况下，当自然斜坡的坡比大于1 2.5时，需要将斜坡表面进行台阶化处理。根据地勘报告，该段填方路段地表粉质黏土较薄，故考虑将其全部清除，而在下覆基岩面上进行台阶化处理。国内大量学者对土岩界面的抗剪强度指标进行过研究3-5。根据地勘报告及相关学者的研究结论，确定了计算参数取值（表1）。3.1.3 计算结果采用不平衡推力法及库伦主动土压力理论计算得到边坡剩余下滑力及主动土压力结果，如表2所列。在正常工况及非正常工况下，计算得到的剩余下滑力均为正值，表明在现状边坡上填筑无法满足边坡安全系数的要求。根据计算结果，选择剩余下滑力与主动土压力中的较大值，作为下部支挡结名称填土路堤填石路堤强风化岩体中风化岩体土岩界面正常工况（天然）容重/（kN/m3）20.522.025.225.50.0c/kPa100507800/（）25.035.030.038.324.0非正常工况（暴雨）容重/（kN/m3）21.022.025.225.50.0c/kPa80457700/（）24.034.028.036.022.0弹性模量/kPa3.51045.01045.010512.5105-泊松比0.350.300.280.22-表1岩土参数取值404400396392388384380376372368364360356352348高程/m7.6014216.82.0 10.0拟建道路（宽30 m）内侧填平0.802.201 1.258.011.212.5支挡结构1 1.502.801.407.70J2s368.132.400.8016.10Q4el+dlJ2s150100.902.2014.10J2s020406080100120140距离/m/m381.46401.28367.65图1高填陡坡路堤典型断面2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷48构的设计荷载，且不考虑桩前土的被动土压力。通过结构计算，确定在该填方路段下部设置桩板墙进行防护。支护桩截面尺寸为2 m3 m，支护桩间距（中-中）为 5 m。桩间挂挡土板，即可满足要求。3.2局部稳定性分析受用地条件限制，该段路堤第一级边坡坡比为1 1.25，坡高8 m；第二级边坡坡比为1 1.50，坡高11 m，分级放坡平台宽2 m。在下部支挡结构稳定可靠的前提下，第一级、第二级边坡受路基填料质量、压实度等方面的影响，仍有可能出现“跃顶”现象。因此，通过对边坡局部稳定性的分析，有针对性地加强防护，对于高填陡坡路堤的整体防护方案设计具有积极意义。在工程实践中，对于路堤堤身的稳定性分析，主要采用的是基于刚体极限平衡理论的简化Bishop法，其特点是建模简单、计算速度快，但计算结果误差较大。因此，为了更好地反映高填路堤边坡的局部变形模式及变形部位，采用强度折减法对该边坡进行分析。以边坡典型地质剖面为基础建立有限元计算模型（图 2）。计算采用莫尔-库伦屈服条件下的弹塑性模型，力学边界为X方向双向约束，底面Y方向（垂直方向）约束，地表为自由面。坡脚位置的支挡结构采用梁单元进行建模，结构采用弹性本构关系6。通过强度折减法计算（图3），边坡稳定性系数（FOS）为1.15，小于规范允许值（1.45），不满足规范要求。其潜在滑移面从路基顶面开始，贯穿于第二级边坡坡脚位置，呈圆弧状。因此，需要对该部位进行加强处理。4支挡措施及效果验证基于前述对该高填陡坡路堤边坡稳定性的分析，并结合工程边界条件，设计了相应的支挡措施。如图4所示。（1）为保证其整体稳定性，在填方边坡坡脚处设置桩板墙，横截面尺寸为2 m3 m，桩长28 m，桩间距（中-中）5 m，桩间挂挡土板。（2）路堤填筑前将地表粉质黏土全部清除，坡面进行台阶化处理，台阶宽度不小于2 m，并设置坡度为2%4%的逆坡。（3）为减小路堤的工后沉降，桩板墙内侧采用填石路堤。（4）填石路堤顶面以上每隔0.6 m铺设1层土工格栅，以提高第一级、第二级边坡的稳定性，路床以下铺设3层土工格栅，防止路面开裂。（5）填方体内侧设截水沟，填方边坡坡面设人字截水骨架护坡。通过对采取以上支挡措施的路堤断面进行模拟分析（图5）可知，路堤边坡在桩板墙以及土工格栅的共同作用下，侧向位移得到了较好的控制，剪应变集中带主要出现在土工格栅后缘，但下部受填石路堤及支护桩的限制，未能贯穿，稳定性明显提高。边坡竖向位移的最大值为16 cm，表明采用填石路堤和加铺土工格栅的方法能够有效控制沉降（图6）。表2剩余下滑力及主动土压力计算结果计算方法不平衡推力库伦土压力计算指标剩余下滑力/（kN/m）主动土压力/（kN/m）计算工况正常350936非正常4201 022填土路堤；填石路堤；强风化岩体；中风化岩体图2边坡有限元计算模型图3等效剪切应变云图（FOS=1.15）第6期游昆骏：某高填陡坡路堤稳定性及支护措施研究第59卷PLANE STRAIN STRAINE-EQUIVALENT，None0.2%0.6%2.1%2.7%3.1%3.5%3.5%3.8%3.9%4.2%4.5%67.9%+1.683 39e+000+8.787 62e-001+5.419 62e-001+4.033 74e-001+3.545 60e-001+3.098 84e-001+2.663 57e-001+2.227 14e-001+1.783 75e-001+1.341 91e-001+8.910 48e-002+4.306 73e-002+2.735 52e-005495结语通过对某山区高填陡坡路堤边坡进行稳定性分析，提出了合理的处置措施，主要获得了如下认识。（1）对于山区高填陡坡路堤边坡，往往需要结合边坡变形破坏模式，分别对其整体稳定性及局部稳定性进行定量计算，才能有针对性地提出合理的处置措施。（2）对于高陡路堤边坡，不可忽略放坡坡比的变化对边坡安全储备的影响。采用强度折减法对边坡进行模拟分析能够较好地反映边坡潜在滑移面的分布位置，从而为支护措施提供理论依据。（3）通过极限平衡理论和数值计算相结合的方法能够较好地为支挡结构的设计提供理论依据，但在工程实践中，仍需加强构筑物的截排水。参考文献：1朱彦鹏，杨校辉.高填方工程地基变形和边坡稳定性分析M.北京：中国建筑工业出版社，2020.2公路路基设计规范：JTG D30-2015S.3祝辉.西南山区陡坡高路堤稳定性分析J.路基工程，2022，40（6）：170-174.4方玉树.填土边坡潜在滑面抗剪强度指标取值的两个问题J.重庆建筑，2015，14（9）：23-26.5高放，王腾，朱洪洲，等.填料与地面结合方式对高路堤的影响分析J.中外公路，2015，35（3）：53-58.6范卫琴，张仁巍，康海鑫，等.基于Midas/GTS的某高速公路边坡稳定性分析J.常州工学院学报，2021，34（3）：11-15.404400396392388384380376372368364360356352348高程/m/m14216.82.0 10.0内侧填平拟建道路（宽30 m）7.602.2012.58.011.2板桩墙2 m3 m人字截水骨架护坡1 1.501 1.25加筋路堤367.651.407.702.8015.013.015010J2s填石路堤0.802.4016.10Q4el+dlJ2sJ2s0.902.2014.10清除基岩面以上粉质黏土，下覆基岩面台阶化处理台阶宽度不小于2 m，设置坡度为2%4%的逆坡020406080100120140距离/m图4边坡支护典型断面368.130.80401.28381.462023年第6期甘肃水利水电技术第59卷截水沟PLANE STRAIN STRAINE-EQUIVALENT，None1.1%1.4%1.8%2.3%2.5%2.7%3.0%3.4%4.2%5.2%6.9%65.6%+2.16556e+000+1.23049e+000+1.04317e+000+8.91546e-001+7.63990e-001+6.47313e-001+5.33083e-001+4.21365e-001+3.12267e-001+2.16836e-001+1.32151e-001+6.58801e-002+4.73073e-005图5支护后等效剪切应变云图（FOS=1.98）图6边坡竖向位移云图DISPLACEMENTTY/m45.9%26.6%5.5%2.3%2.2%2.2%2.4%2.8%2.8%2.9%2.6%2.0%+0.000 00e+000-1.349 16e-002-2.698 33e-002-4.047 49e-002-5.396 66e-002-6.745 82e-002-8.094 99e-002-9.444 15e-002-1.079 33e-001-1.214 25e-001-1.349 16e-001-1.484 08e-001-1.619 00e-00150