山区复杂地形条件下超高土工格栅加筋土路堤的稳定性分析

董 健，张 明，罗玉珊，王 进，杨 帆

(1.湖北省交通规划设计院，武汉 430051;2.同济大学 岩土工程与地下结构教育部重点实验室，上海 200092;3.湖北力特土工材料有限公司，湖北 宜昌 443003)

1 研究背景

土工合成材料加筋土边坡/挡墙已经在公路、铁路路基工程，水利堤坝工程和地质灾害防治支护工程中都得到了广泛应用［1－4］，并取得了很好的经济效益和社会效益。相关的理论与应用研究成果［5－10］为加筋土技术的应用与发展奠定了很好的基础。

在山区公路建设中，由于地貌地形条件复杂，施工场地条件受到限制，为尽量减少工程建设对周围环境的冲击，建造高陡填方路基难以避免。在这种情况下，土工合成材料加筋土边坡/挡墙可发挥其对地基条件和施工条件要求较低，而且建造工艺灵活等优点，在复杂的地形地质条件下创造了很多成功案例。如凌天清［6］(2000)介绍的云南楚大高速公路1号加筋土路肩墙，加筋土挡墙总高度达到43.75m，采用筋带加筋，分3级修筑。作者基于现场监测结果研究了破裂面形式和设计方法;Ramodi和Talone［11］(2010)介绍的意大利连接米兰与那不勒斯的A1公路一处跨越山谷的加筋土边坡，总高度达到46.75m，分6级修筑，每级高8 m，两级之间设置2.5m宽平台，边坡坡度为22°。但工程实践中也有一些失败的教训［12］。因此，在土工合成材料加筋土结构工程实践中，进行加筋土边坡/挡墙设计时应认真调研，周密思考，具体问题具体分析，采取合理的工程措施，在施工过程中按图施工，确保工程质量。

本文结合湖北省宜昌至巴东(鄂渝界)公路第11合同段土工格栅加筋高路堤的方案确定、设计验算和施工监测等实际情况，阐述了在复杂地形地貌条件下提高加筋土高路堤稳定性所采取的工程措施，并对这些工程措施的特点及其作用原理进行了分析。该土工格栅加筋高路堤的建设，为我国山区高填方公路建设具有一定的借鉴意义。

2 工程背景

2.1 地形与地质条件

湖北省宜昌至巴东(鄂渝界)公路第11合同段(K72+934.25至 K73+053.25)位于宜昌市雾渡河镇刘家屋场村附近，雾渡河南岸，庙湾1#隧道与2#隧道之间(下文简称“宜巴公路11标段”)。沿线地貌属构造剥蚀丘陵区，横跨雾渡河南岸低山斜坡地带一冲沟处，此处山体相对高差150～220m，自然坡角37°～47°。路线与冲沟呈大角度相交，左幅路基顶面中心线距沟底最大高差约23 m，右幅路基顶面中心线距沟底最大高差约25m。

据宜巴公路11标段路基勘察报告，钻探揭露的浅部地层主要为第四系残坡积层(Q4el+dl)和新元古代花岗片麻岩、角闪岩、角闪片岩(Pt3r)地层，按地质年代、形成机制及其物理力学性质，从上到下依次为:①残坡积碎石层——厚0.8～3 m，成分为花岗岩、角闪岩等，由黏性土及砂土所充填，稍～中密，推荐容许承载力［σ0］=200kPa;②强风化花岗片麻岩、角闪岩、角闪片岩——厚0～3.4m，原岩结构构造已破坏，岩芯呈砾砂状砂土状，推荐容许承载力［σ0］=400kPa;③中风化花岗片麻岩、角闪岩、角闪片岩——岩芯破碎，节理裂隙较发育，属硬质岩，推荐容许承载力［σ0］=2 000kPa。地表水不甚发育，主要为暴雨后的顺坡面流及冲沟汇集后的短暂性流水，地下水主要为基岩裂隙水，水量较贫乏。

2.2 路基方案的选择及面临的主要问题

宜巴公路11标段原设计为:下部采用钻孔灌注桩基础和柱式墩，上部采用U型桥台和连续箱梁桥，左幅桥跨(3孔)全长65m，右幅桥跨(6孔)全长119 m。但由于该处山地坡陡，交通不便，钻孔灌注桩基础和连续箱桥梁施工难度极大;兼顾隧道开挖弃土的堆放与利用问题，遂将原桥梁方案改为路基方案。利用隧道开挖弃方填筑路基，可以很好地解决弃方的征地堆放问题，符合可持续发展要求。但在山区陡坡冲沟地段修筑填土路基，任何支护措施均面临着施工困难、路基边坡稳定性差和路基排水问题。对比拟选择的片石混凝土挡墙和土工合成材料加筋土陡坡方案，由于后者对地基承载力要求较低，对施工场地和施工机械要求不高，坡面绿化与周围环境更协调，且对填料要求较低，能最大限度地利用隧道开挖弃土，决定采用土工格栅加筋土路基方案。

对于这一横跨冲沟的土工格栅加筋土路基，纵向坡高差别巨大，从不到5m到超过50m，将可能引起填方路基的不均匀沉降;横向坡底呈37°～47°的斜坡，基岩顶面覆盖厚度不等的残坡积碎石层，加筋土路基边坡缺乏好的地基持力层，其自身稳定性无法保证。另外，冲沟上游降水汇集后的暂时性水流需要及时排除。

3 土工格栅加筋土路基设计

3.1 加筋土路基设计方案

为了使加筋土路基支撑在坚实的基础上，考虑在加筋土路基坡底设置片石混凝土基础，通过开挖直接将基础浇筑在基岩上。根据填方路堤段的地形和残坡积覆盖层厚度，土工格栅加筋土路基按1∶1.0和1∶0.5两种坡率进行设计。加筋材料采用单向HDPE土工格栅，极限抗拉强度为90 kN/m。加筋土路堤初步设计方案参见图1。从K72+940.500至K73+035.500长度为95m的填方路堤段落，路基边坡填筑高度从5m至51.5m不等。

图1 土工格栅加筋土路基初步设计方案Fig.1 Initial designed cross sections of the geogrid reinforced embankments with different slope ratios

3.2 土工格栅加筋土路基稳定性分析

根据宜巴公路11标段路基勘察报告，表层0.8～3.0m为残积稍密－中密含黏粒碎石土，内摩擦角取38°;其下0.0～3.4m为强风化花岗片麻岩/角闪岩，内摩擦角取42°，黏聚力取5MPa。根据隧道开挖弃方和余渣的粒径大小与颗粒构成，以及一般填方的压实度控制情况，路基填土重度取20 kN/m3，黏聚力为0kPa，内摩擦角取 35°，墙顶荷载按30kPa考虑。根据路基所处的地震动分区和地下水发育情况，在进行路基边坡稳定性分析时，不考虑地震荷载和地下水(孔隙水压力)的影响。

3.2.1 外部稳定性分析

根据如图1所示的加筋土路基设计方案和地形特征，选择如图2所示的2个典型断面进行外部稳定性分析。参照我国《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)［13］，分析路基边坡潜在的破坏模式，按照不平衡推力法对路基边坡的整体稳定性进行验算。验算时，暂不考虑片石混凝土基础(支撑墩)的抗滑作用。

边坡稳定验算结果表明:如不考虑路基边坡坡底支撑墩的阻滑作用，当要求安全系数达到1.3时，剩余不平衡推力均不为0。典型断面K72+978的剩余不平衡推力为21.5 kN/m，断面K72+998的剩余不平衡推力为35.0 kN/m，都无法满足加筋土路基外部稳定要求。因此，在坡底设置支撑墩是必要的。经验算，只要将支撑墩嵌固于基岩中，就能够提供足够的抗滑力和坡脚支撑力。

3.2.2 内部稳定性分析

依据我国《土工合成材料应用技术规范》(GB50290—98)［14］，并参照美国相关标准(FHWA，2009)［15］对加筋土路基进行内部稳定性分析，抗拔安全系数取1.3。在进行内部稳定性分析时，土工格栅极限抗拉强度的综合折减系数取3.0，筋土之间的摩擦因数取0.8tanφ(φ为填土的内摩擦角)。仍对图2所示的2个加筋土路基典型剖面进行分析，通过调整加筋层间距，以确定合理的加筋长度。结果表明:在满足土工格栅不被拉断的情况下，加筋层间距可取0.3～0.6m，且下部加筋长度应不小于16.7 m，才能满足抗拔稳定性要求。

正如图2(b)所示，大部分路基断面下部受岩石边坡限制，路基边坡坡面距岩石坡面的水平距离无法满足所需要的加筋长度。如果为了达到加筋长度要求，而将稳固的岩石边坡挖除，显然缺乏工程合理性。而采用岩层锚杆，并将锚杆与土工格栅连接以提供需要的抗拔力更具有可行性。

图2 土工格栅加筋土路基典型剖面图Fig.2 Typical cross sections of the geogrid reinforced embankments

4 土工格栅加筋土路堤稳定性增强措施及其作用

针对宜巴公路11标段路堤横跨冲沟这一情况，根据路堤复杂的地形地质条件和土工格栅加筋土路堤稳定性验算结果，在原有设计方案基础上，采取如下改善边坡稳定性措施和排水、坡面防护措施。

4.1 片石混凝土支撑墩

根据加筋土路堤边坡的外部稳定性分析可知，如果边坡缺乏坡脚的有力支撑，将不满足稳定性要求，因此需要改进设计方案，在路堤边坡坡底采用片石混凝土制作边坡支撑墩。

由于原始地形较陡，坡面上覆盖厚薄不均的残破积碎石土层，不仅需要将碎石层挖除，而且需在强风化岩层中垂直坡面开挖出一个平台，才能设置片石混凝土支撑墩。图3为最终设计的嵌岩支撑墩，对于每幅路堤边坡，支撑墩沿路基纵向长5m，深入基岩边坡宽8 m，墩底面设计成台阶状以利于底面接触基岩风化程度相似，提高支撑墩在岩层中的嵌固阻力，以提高加筋土路堤的外部稳定性。

图3 片石混凝土支撑墩设计图Fig.3 Design of crushed stone concrete piers

4.2 岩层锚杆

根据土工格栅加筋土路堤内部稳定性分析结果，加筋长度至少应达到16.7 m。但在宜巴公路11标段按坡率1∶0.5设计的路堤大部分段落因受地形限制，基岩距坡面的水平距离远小于上述设计长度，无法满足内部稳定性要求。而根据加筋土边坡土工格栅的抗拔机制，只要土工格栅与稳定的基岩牢固连接，即使基岩坡面以外填方加筋边坡全部位于滑动区，仍能提供足够的锚固力，可满足加筋土路堤内部稳定要求。

为此，在加筋长度达不到上述要求长度相应位置，设计中采用岩层分散型锚杆，锚杆的垂直间距为1.5m，水平间距为3 m，根据计算确定单根锚杆承受的拉力大小，进而确定锚杆长度。本段加筋土路基中所采用的锚杆长度为4.8～8.8 m。开挖掉残坡积层后，进行锚杆施工，通过锚头上的横向钢筋将锚杆与土工格栅牢固连接(单根锚杆与土工格栅接头如图4所示)，连接强度应不低于土工格栅抗拉强度。

图4 锚杆及接头示意图Fig.4 Sketch of anchor bolts and their connections with geogrids

4.3 排水措施

由于该段路堤跨越冲沟，且与冲沟轴线呈大角度相交，若忽视路基横向排水问题，降水汇集的水流将严重威胁路基的稳定和道路安全。根据区域水文资料和路基上游冲沟汇水面积，在K73+010断面处加筋土路基内埋设直径为1.0m的过路基管涵，以排泄冲沟上游降雨时汇集的暂时性水流。

尽管基岩裂隙水不发育，但仍不排除降水会渗入加筋土路基内部。为防止路基填土内部地下水位升高后降低加筋土路基边坡的稳定性，在路基底部设计60cm级配碎石排水层，并通过在混凝土支撑墩上设置间距为1.0m、直径为10cm的泄水管(见图3)排出加筋土路基内的积水。

4.4 加筋间距调整

根据我国规范，对于加筋土高边坡，可将之按坡高划分为上、中、下3个区，各区所分配(承担)总加筋力依次为上部1/6、中部1/3和下部1/2。因此，根据边坡稳定性验算结果和所选用的加筋材料的容许抗拉强度，调整加筋土路基的筋材层间距。对于坡高大于20m、坡率为1∶0.5的路基，最下部采用0.3 m层间距，中部采用0.4～0.5m，最上部层间距为0.6m。

4.5 坡面加筋反包与生态防护

宜巴公路11标段位于雾渡河南岸，此处植被茂密，风光秀美。在设计时就应考虑到应通过路基坡面植草，尽快恢复生态，使加筋土路基与周围环境相协调。

设计中，加筋土路基坡面由土工格栅反包土袋形成，土袋码砌高度由加筋层间距决定，土袋错台距离由路基坡率决定，格栅反包土袋后与上层筋材通过连接棒连接，连接强度等于母材。这种反包坡面形式有利于坡面附近填土压实，防止填土溜坡。在土袋内装填壤土，内含适应当地气候条件的草籽，并在坡面错台台阶上插种绿化，将能使坡面很快恢复自然风貌。

5 施工与监测结果

宜巴公路11标段加筋土路基施工始于2011年7月初，因场地条件复杂，且需要借用隧道开挖弃土，施工进度受影响，于同年12月中旬才完工，历时约5个月。

首先对施工场地进行整理，在坡底挖除残坡积层至基岩，在强风化岩体上开挖台阶状平台，浇筑片石混凝土支撑墩。后在支撑墩上边坡底层摊铺级配碎石排水层，铺放底层筋材，按加筋层间距摊铺填土并碾压，按坡面反包土袋工艺进行坡面反包，并将反包筋材与上一层筋材相连接。之后进行下一层加筋土施工，直至达到加筋土路基的设计高度。填料主要为隧道开挖产生的碎石，应剔除巨粒，填土的最大粒径不应大于15cm，填土碾压采用20 t平板压路机，但在距坡面1m宽度范围内采用小型平板夯实机械压实。对于筋材受岩质边坡限制无法达到设计要求的位置，先削坡至基岩，然后进行锚杆施工，等注浆龄期达到14 d后再将锚杆与相同层位的筋材相连接。当加筋土路基施工达到排水涵管高度，设置预制管涵，管涵与路基纵向斜交，下游出水口延伸出路基一定距离，位于自然山坡上。

为认识在复杂地形条件下加筋路基的变形与工作特性，选择K72+980和K73+008两个典型剖面进行了原型观测。随着施工进程，埋设了包括测斜仪、分层沉降磁环、柔性位移计、土压力盒等监测元件，以观测加筋土路基的水平位移、沉降、格栅内力和路基内土压力分布规律。

在施工期监测频率为1次/d，竣工后已进行3次观测。由于施工期监测工作受施工因素和坡上倾倒弃土的影响较大，部分监测元件遭到破坏，初步的原型监测结果显示:K72+980和K73+008剖面的总压缩沉降量分别为61mm和83mm;柔性位移计测得的格栅应变较小，换算成加筋材料受力不超过10 kN/m;其中K73+008剖面向临空面的侧向变形最大为178.1mm(坡顶以下约5.5m处)。而土压力监测结果缺乏规律性，可能受填料颗粒大小和施工碾压影响所致。

目前的监测结果主要反映施工对加筋土路基变形的影响，该监测工作将继续持续一段时间，以便对土工合成材料加筋路基的变形规律作进一步的分析。但从目前的监测结果判断，本段土工格栅在坡面反包的加筋土路基稳定性良好，路基总变形量控制在预期范围之内。特别是在2012年7，8月份的雨季，过路基排水涵管发挥作用正常，加筋土路基经受住了暴雨的考验。

6 结论

结合宜巴公路11标段土工格栅加筋土路基工程，本文系统地论述了加筋土路基方案确定、设计验算和施工与监测等情况，分析了本工程中所采取的片石混凝土支撑墩、岩层锚杆、加筋层间距调整和过路基排水管涵等工程措施的特点及其作用原理。本工程实例表明:

(1)土工合成材料加筋土技术在山高坡陡、复杂地形地质条件下，可发挥其工艺灵活，与环境协调等优势，在山区公路建设中可推广采用。

(2)在山区复杂地形地质环境中应用加筋土技术，不存在标准答案。在加筋土边坡/挡墙设计时，应通过测绘和勘探，充分掌握包括地形条件在内的工程地质水文地质条件，通过验算和分析认识加筋土工程面临的主要问题，然后研究针对性的工程措施。

(3)本工程的成功实施表明所采取的工程措施达到了预期的目的。坡底设置支撑墩和打设岩层锚杆与加筋材料连接均适用于山区坡地上建设加筋土边坡/挡墙工程，有利于提高工程的整体稳定性和内部稳定性;排水设施是加筋土边坡/挡墙的有机组成部分，特别是在山区更应加以重视。

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