阿尔及利亚东西高速公路加筋土路堤设计＊

张 伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043)

0 引 言

高速公路设计中出现的高填方路堤，常见病害主要是由于滑坡、位移造成的公路开裂和沉降，魏斌［1］、彭小云［2］等人对边坡稳定性的影响因素及病害原因进行了分析，魏斌对高填土边坡稳定性采用极限平衡法和有限单元法进行分析，提出高填方边坡稳定性分析采用有限单元法对求得合适的临界滑裂面位置更加具有优势。彭小云用灰关联分析法分析高陡边坡稳定性，认为高陡边坡的重力和滑动面上的强度参数是影响边坡稳定的主要因素。吕伟等［3］人通过建立影响边坡稳定性的10 个因素，对影响因素采用Fuzzy AHP 和AHP方法计算权重，认为AHP 方法计算结果精度高。

阿尔及利亚东西高速公路M5 标段(KHEMIS MILIANA-HOCEINIA)共12 处高填方路段，填方最大高度21.5 m，全线为泥质岩，刘德旺等［4］人对泥岩全破坏过程中渗透特性的研究表明，干燥状态下泥岩试样强度较高，隔水性好，遇水后抗压强度大幅度降低。苏忆［5］认为在陡坡路段采用加筋土路堤可有效收缩坡脚，减少工程占地，且造价低。耿敏［6］通过土工格栅加筋高填方路堤的沉降观测和理论计算，认为加筋后的高填方路堤使得岩体的应力重新分布，土体的垂直和水平应力减小，加筋土体抗剪强度增强，可有效增加土体碾压密实度、土体的抗压及抗剪强度。且加筋土路堤具有耐久性、可靠性、工程造价低、占地少及抗震能力强等特点，其造价约为挡土墙的40% ～60%，在边坡工程设计上，具有安全性和经济性双重优势。

经对项目地形及地质状况分析，M5 标段路线大部分走行于CHELEF 盆地北缘及Gountas 低山区，地形起伏，沟壑纵横，冈峦起伏，部分路段坡度较大(25%到35%)，根据地质工程论证［7］及公路边坡处治技术［8］，考虑对M5 标段高填方路堤边坡采用加筋土路堤设计方案，以有效实现边坡防护需求，并减少填方数量和占地面积，且在地震发生时，土工布较大的延展性和加强筋的抗拉强度可以有效的防止加筋边坡的断裂，有很大的安全性。

1 加筋土路堤几何设计

1.1 边坡坡率设计

采用的加筋土路堤设计方法旨在使边坡坡率达到1H/1V，采用的坡度为18 至33%，平均约为25%.在设计时，设计的一级边坡采用3H/2V 的坡率，边坡最大高度为5.5 m［8-9］。二级和三级加筋土路堤边坡采用1H/1V 的坡率，对于高填方路段，每8 m 高设置一个2 m 宽的过渡平台。

1.2 加强筋设计

加强筋的垂直间距一般为0.20 m 至0.8 m 之间，以便保持加强路堤合成材料的特性。筋体sv/Hm最大相对间距根据Linf/Hm比例计算令X=Linf/Hm，其结果见表1.

表1 根据Linf/Hm 比例计算的最大相对间距［8］Tab.1 Maximum relative spacing of calculation according to Linf/Hm ratio

设计中，需保证下部边坡的L =14 m，中间边坡为10 m;设定的垂直间距将是sv=0.3 到0.6 m.

1.3 土工布布置设计

设计中对坡率为1H/1V 的边坡所采用的加强土工布由聚脂加强筋网和二维(Bidim)无纺布组合而成，抗拉强度为Tr= 190 kN/ml，延伸率为11.5%，垂直间距为0.6 m. 高强土工布的布置按照《NFP94 -220 规范》［7］要求，加强材料横向宽度一般约为平均力学高度的0.7 倍，对低于平均力学高度0.7 倍的路段，坡脚横向宽度不低于平均力学高度的0.4 倍，平均横向宽度不低于平均力学高度的0.5 倍，且对路堤各个部位进行计算和验证其整体稳定性。本设计中，所采用的:二级边坡采用长10 m 的土工布加强;三级边坡采用长14 m 的土工布加强。

1.4 边坡加强设计

加强式路堤设计时需考虑各部分的安全系数，根据欧洲规范的方法利用ELU 进行计算［8］，并考虑应力以及土质、填料和土工布的部分系数。在加筋土路堤的设计时，应保证台阶底部排水层的材料、边坡底部护脚换填的天然砂砾、边坡坡脚底部填筑的渗水材料、PVC 管的封闭层材料以及盲沟碎石等符合CCTP 第B3.6.2.5 款的规定。

应力组合方法上考虑的加权系数见表2.

根据法国安全要求标准(NFP94 - 270)规范［10］，土工布需考虑力学破坏系数、蠕变系数、化学渐变系数以及由γM，t 特有拉力表示的强度系数，并对加筋土构造物土工布各个部分进行结构性抗拉强度检验。

表2 应力的部分加权系数［8］Tab.2 Part of the weighted coefficient of force

2 稳定性计算

边坡稳定性分析采用简化的Bishop 法，称为毕肖甫条分法［8］，是一种考虑条块间侧面的土坡稳定性分析方法。其边坡稳定性安全系数应符合CCTP 要求［10］，本项目边坡加强采用抗拉强度为190 kN/mL 的土工布，土工布最大拉力变形11.5%.稳定性计算系根据欧洲规范方法所要求的TALREN4 软件进行。根据NF P 94 -270 规范确定土工布部分安全系数:力学坡坏系数ρend=0.4，蠕变系数ρflu=1/3，化学渐变系数ρdég= 0.83;土壤参数及与土工布的相互作用所需考虑的部分安全系数:土壤容重γ mγ = 1.00，土壤摩擦角切线γmφγ=1.45，黏结力γmφγ =1.85. 应力组合系数见表2.

考虑各项安全系数后，边坡的内部稳定性和整体稳定性验算的总安全系数根据CCTP 确定，一般工况下边坡的内部稳定性和整体稳定性验算安全系数为F≥1，在地震力的偶然荷载工况下总安全系数为F≥1.2，为更好的说明加筋土路堤的安全性，分别对未设置和设置土工布后的安全系数进行了验算［11-12］。

2.1 未设土工布时的安全系数

在未设置土工布时，对1H/1V 未加筋陡峭边坡(原始边坡)的填方分析结果如图1 所示。

图1 未设置土工布时的内部稳定性和总体稳定性Fig.1 Internal stability and overall stability without setting the geotextile

图1 分析结果可知，未设置土工布时，边坡内部稳定性取最小值0.75 和总体稳定性取最小值0.83 时，填方边坡的安全系数均不能满足要求，因此，1H/1V 边坡不设置土工布时，边坡处于失稳状态。

2.2 设置土工布后的安全系数

在利用Tr=190 kN/m 土工布方法加强，计算隔栅垂直间距为0.6 m.基本组合和偶然组合2 种情况下的稳定性分析结果如图3 ～图6 所示。

以上组合计算的安全系数表明:采用抗拉强度Tr=190 kN/m，间距0.6 m 的土工布加强后，边坡的稳定性满足使用要求［13］。

2.3 验证方法

采用的验证方法是针对边坡出现的滑坡范围(内部稳定性)以及穿透基础的滑坡范围(总体稳定性)进行合乎规定的稳定性验算(F≥1)［14-15］。

验证是在考虑偶然应力地震的情况下进行，在此情况下，在各个地层获得的地质特征是属于“短期”数据的特征，求得的总安全系数为F≥1.2.

3 加筋路堤其他相关设计

3.1 填方基底处理

加筋路堤设计的填方处需进行基底处理［11］，由于M5 段泥灰质粘土强度低，安全系数无法满足规范要求，对路基稳定性有很大的影响，对此采取了换填土的处理方法，将泥灰质粘土挖除，当自然坡度大于15%时，开挖台阶，台阶的宽度≥5 m，高度约为1 m，台阶具体高度可根据现场情况适当调整。换填材料依据GTR(施工技术指导，欧洲规范)［7］采用分类为C1B1 或C1B2 类填料(相当于中国规范的碎石类土)进行填筑。经对项目沿线材料调查，对填方基底的表层泥灰质粘土清除换填为来自PK11 的2 号借土场的材料进行填方，该种填料为富含红色砂砾的第四纪沉积土，等级为C1A1 至C1A2，满足规范要求［2］。

图2 2 种基本组合的内部稳定性和总体稳定性Fig.2 Internal stability and overall stability of two basic combination

图3 2 种偶然组合的内部稳定性和总体稳定性Fig.3 Internal stability and overall stability of two kinds of accidental combination

3.2 边坡坡脚的处理

对原始地面清表开挖台阶后，为更好保证路基稳定性［11］，需对边坡坡脚下开挖设置坡脚加强基础。设计中针对设计段具有较厚泥灰质粘土情况进行分析，采用在坡脚设置脚墙基础或砌石基础无法提供足够的抗滑力，将坡脚设置为6 m 宽，基础由压实的天然砂砾构成，以便拥有足够的抗滑力应对可能出现的滑坡，基础深度至密实的泥灰岩层(如图4)。在风化层局部厚度较大的情况下，在基础下增设混凝土楔子(如图5)，楔子由加强基础底部深入至密实的泥灰岩层［16］。

图4 边坡坡脚下开挖设置坡脚加强基础布置图Fig.4 Strengthening base layout slope foot toe excavation

图5 风化层局部厚度较大边坡基础下增设混凝土楔子布置图Fig.5 Additional concrete wedge layout of large base slope with regolith local thickness

3.3 排水系统设计

经对设计段调查，干旱季节存在开挖的基底和路堑基岩裂隙水渗出现象，因项目段泥灰岩及泥灰质土对水具有极大敏感性，设计中需考虑基底排水设计［10］(如图6)，挖除泥灰质黏土层后［17］，在路堤下游一半位置的台阶底部设置30 cm 天然砂砾排水层，沿线路纵向每隔20 至50 m设置一道横向盲沟，路堤坡脚下护脚内设置集水管集中排放盲沟水，在上方侧用粘土封闭路堤坡脚，设置排水沟拦截上方来水以免下渗，形成一个完整的排水系统，达到加筋土路堤最佳排水效果。

排水系统使用的土工布应符合CCTP 第B 2.14.3.4 款的规定［7］。台阶底部排水层的材料、边坡底部护脚位置用于换填的天然砂砾、边坡坡脚底部填筑的渗水材料、PVC 管的封闭层材料以及盲沟碎石等［19-20］，均应符合CCTP 第B 3.6.2.5款的规定［7］。上方侧填方坡脚的封闭黏土应符合CCTP 第B 6.7.4 款的规定。

图6 加筋土路堤排水系统设计图Fig.6 Reinforced embankment drainage system design

4 结 论

鉴于M5 标段高填方路堤、泥灰质岩土地质及该段无法采用挡土墙的特殊情况，提出采用加筋土路堤设计。研究从边坡坡率、加强筋、土工布布置及边坡加强3 个方面对加筋土路堤进行了几何设计，提出对于高填方路段，每8 m 高设置一个2 m 宽的过渡平台，且需保证下部边坡的加强筋间距L=14 m，中间边坡为10 m，筋体设定的垂直间距将是sv=0.3 到0.6 m，设计的二级边坡采用长10 m 的土工布加强，三级边坡采用长14 m 的土工布加强。对加筋土路堤的边坡分析采用简化的Bishop 法，通过对土工布各项安全系数的考虑，根据CCTP 确定了边坡的内部稳定性和整体稳定性验算的总安全系数为:一般工况下为F≥1，地震力的偶然荷载工况下为F≥1.2，并分别对未设置和设置土工布后的安全系数进行了验算，分析证明采用土工布后的稳定性满足设计要求。在通车六年时间里，设置加筋土路堤路段的排水效果良好，沉降数据观测结果满足规范要求，实践证明，通过采用加筋土路堤设计可有效收缩坡脚，降低工程造价，提高高路堤边坡的稳定性，且证明高强度土工布的加筋土路堤对泥灰岩及泥灰质粘土高填方边坡的处理措施是合理有效的，设计方法对国内外类似地质条件的工程设计具有一定的借鉴意义。

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