山区高填方填石路堤稳定分析与处治措施探讨

■林舒心（福建省交通规划设计院，福州350004）



山区高填方填石路堤稳定分析与处治措施探讨

■林舒心
（福建省交通规划设计院，福州350004）

山区的复杂地形，带来了大量的高填深挖问题。而填石路堤能因地制宜地利用挖方材料、节约工程造价，在山区公路建设中应用广泛。本文以宁德至武夷山高速公路大邵K129+600紧急制动车道的高填方填石路堤为研究对象，基于填石路堤工程特性的理论分析，对K129+645断面的路堤稳定性与整体性进行了计算。同时，论文结合工程经验，对填石路堤的填料、地基处理、分层填筑与碾压及边坡防护等工程处治要求进行了总结。分析表明，大邵K129+600紧急制动车道处于稳定状态，进行合理、严格的工程处治有助于保障高填方填石路堤的稳定性。

高填方填石路堤分层填筑分层碾压码砌防护

0引言

随着国内高速、干线公路的全面建设，各级公路向偏远山区深入发展，面临了更为复杂的山区地形，大量的深挖高填问题不断出现。考虑经济与污染问题，能够充分利用开挖边坡与隧道爆破过程中产生石料并节约工程造价的高填方填石路堤成为山区高等级公路的常见形式。在高填方填石路堤建设中，常因路基压实度不足、填料不良、填筑方法不当、地基软弱或暴雨等因素，发生路面沉陷、裂缝、路基边坡坍塌、整体滑移等大量工程病害，这对社会经济与人身安全造成不利影响。

笔者认为，充分认识山区填石路堤的工程特性，完善高填方填石路堤的处治方式，加强路基设计的合理性与施工质量，能够更为有效地解决山区高填方填石路堤的破坏失稳问题。本文将结合宁武高速公路的工程建设对山区高填方填石路堤稳定分析与处治措施进行探讨。

1高填方填石路堤稳定分析

1.1工程概况

宁武高速公路S2合同段K115+890～K142+050路段为长下坡路段，长26.160km，平均纵坡达2.483%，该段地形复杂，桥隧相联，构造物比例达91.8%，从安全角度考虑设置紧急制动车道。其中大邵K129+600紧急制动车道位于河氽隧道（出口YK129+415）与大绍1号隧道（进口YK129+670）之间，全长300m，中心最高填高约61.4m，边坡最高填高约87.5m。该段落路基沿线地质表层为薄层残坡积土，下部为碎块状强风化凝灰熔岩及弱-微风化凝灰熔岩，地质条件良好。由于该紧急制动车道修筑在地势险峻，沟壑纵横的山岭地区，填方高度非常大，为减少地基沉降和不均匀变形等破坏，设计采用填石路堤。路基填料采用隧道石渣及就近取石场开采的石料填筑。采用填石路堤的施工期及竣工后实景图，如图1和图2所示。

图1　高填方填石路堤施工期图

图2　高填方填石路堤竣工图

1.2山区填石路堤工程特性分析

该高填方填石路堤多修筑在地势险峻，沟壑纵横的山岭地区。由于地形复杂，填石路堤的填筑高度大，填方量也大，加之填料自身较大的密度，使得路基填筑体存在极大的自重荷载。为了防止承载力不足而导致路基工后沉降过大或沉降不均匀的变形问题，在填石路堤的设计与施工过程中，有必要对地基承载力提出严格的要求，以减少由于车辆荷载与自重荷载造成的地基压缩变形，从而保证填石路堤的稳定性。

填石路堤填料的工程性能与土质填料有较大差异：土质路基本身抗剪强度低，颗粒之间具有粘聚力，土体具有较强塑性，若地基发生较大沉降及不均匀沉降，土质路基能够协调地基的沉降而发生共同沉降。但是，填石路堤的填料依靠嵌锁力与摩擦作用形成强度，内摩擦角大，填石颗粒之间没有粘聚力或粘聚力极小，一定程度上可以看作半刚性体。当路基内部产生的剪应力超过路基极限抗剪强度时，路基会产生剪切破坏，填料间存在剪胀效应将使填料颗粒重新排列，内摩擦角大大减小，这导致路基边坡鼓胀从而发生失稳破坏。

因此，填石路堤对地基沉降的敏感性要高于土质路基，地基发生较大沉降及不均匀沉降均易引起填石路堤发生坍塌和失稳。同时，地基的沉降与填料承受的荷载容易破坏填料之间的原有结构，一旦结构颗粒的嵌锁作用被破坏，填石路堤就难以像填土路基那样得以恢复。对填石路堤而言，尤其是高填方路基，地基承载力是保证路基压实质量和正常使用的前提条件，如若地基承载力不足，必将会导致路基的坍塌和失稳，进而使路面产生病害破坏。因此，在宁武高速公路的工程建设中，对路基基底采取了清除地表漂石、素填土和亚粘土层等软弱夹层，换填以碎块状强风化或完整性更强的石作为持力层，有助于确保路基承载力达到设计与施工要求，并对基底进行特殊挖台阶处理。

1.3典型剖面稳定性分析

选取制动车道K129+645断面进行路基堤身与高填方路基边坡整体稳定计算。计算采用《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）推荐的简化Bishop法。剖面地层参数与断面稳定性分析计算结果如图3和图4所示。计算结果表明：

图3　高填方路堤堤身稳定计算（稳定系数Fs=1.426）

图4　高填方路堤边坡整体稳定计算（稳定系数Fs=2.125）

路堤堤身边坡坡度为30°，小于路基填料等效内摩擦角，路基堤身边坡稳定系数为1.426，满足设计要求。

路堤基底换填碎块状强风化以上的填料，在对基底进行挖台阶处理后，路基边坡整体稳定性达到2.125，满足设计要求。

2填石路堤的填料要求

K129+600紧急制动车道路基的填料主要利用了河氽和大邵的隧道洞渣填筑，其余路基填料利用取石场开采石方填筑。根据设计要求，填方石料抗压强度不小于35MPa，用于护坡码砌的石料抗压强度不小于40MPa。

填料粒径较大，均匀性较差，易产生离析现象，导致路基不同部位密实度有很大差别，压实过程中，石料有可能不断被压碎，改变了原有的粒径组成，从而影响路基密度，强度及稳定性。因此，结合《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）3.8.3条的相关规定，该段落填料粒径质量控制标准如表1所示。路床填料最大粒径应小于100mm，路床80cm的范围内填级配碎石，并分层压实。级配碎石级配组成如表2。

表1填料粒径组成取值表

表2级配碎石级配组成

填石料顶面应无明显孔隙、空洞。在路床填料填筑前，填石路堤最后一层的铺筑层厚应不大于400mm，过渡层碎石石料粒径应小于150mm，其中小于0.005mm的细粒料含量不应小于30%。对于路堤石料的开采，采用密集深孔毫秒微差爆破技术，可以实现爆岩块度80%在20～30cm之间。爆破施工要严格控制飞石距离，采取切实可行的措施，确保人员、设备及在建隧道的安全。在填筑路堤过程中应严格控制填料的粒径，对超粒径的石块要进行二次解小，不能解小的不得用于路基填筑。

3填石路堤的地基处理要求

3.1填石路堤对地基承载力的要求

填石路堤的填料比较坚硬，压实度大且透水性好，路基整体稳定性强，沉降量少，但水容易从边坡、路面等部位进入基底造成路基整体的湿软及不均匀沉降。路基填筑高度高，路堤自身重量大，因此为防止由于地基承载力不足而导致路基工后沉降过大或出现压缩模量差异而造成不均匀沉降，必须对填石路堤的地基承载力提出要求，尽量减少地基的压缩变形，从而保证填石路堤的稳定性。因此本工程对基底采取清除地表的漂石、素填土和亚粘土层，采用碎块状强风化及以上岩层为持力层，以确保路基承载力达到要求。

3.2填石路堤的地基排水要求

由于填石路堤的孔隙较大，水较易从边坡或路面等部位进入路基中，而且由于路基填筑体的渗透性好，水很容易浸湿地基，同时若地基范围内存在地下水，这都会影响填石路堤的整体稳定。因此，当路堤基底范围内由于地面水或地下水影响路基稳定时，填石路堤应采取必要的引排、拦截等措施，可设置盲沟、渗沟或在路堤底部填筑不易风化的片石、砂砾石或块石等透水性材料来设置透水层，其厚度应不小于50cm，以防止水对地基的不良影响。

3.3填石路堤的地基坡度处理要求

当原地基有一定的坡度时，为保证填石路堤的整体稳定性，应对地基进行如下处理：

（1）在地基横坡陡于1∶5的地段，应将原地面挖成宽度不小于2.0m，高1.0m的搭接台阶，高填方陡坡路基为保证路基稳定和便于施工需开挖大台阶，同时台阶进行内倾处理，然后进行平整压实，使基底强度和密实度达到设计要求；

（2）在地基横坡缓于1∶5的地段，当清除树根草皮或腐植土后，承载力满足要求时，可直接在天然地面上填筑填石路堤。

4填石路堤的分层填筑与碾压要求

4.1分层填筑

路堤采用逐层填筑，下路堤每层松铺厚度小于45cm，上路堤每层松铺厚度小于35cm。每层填料分两次填筑，先填筑粗颗粒石料，厚约松铺层厚度3/4。用推土机将粗粒层摊平稳压一遍，再填筑一层石屑或石渣，厚约松铺层厚度1/4，其用量约占粗石料的15%～20%，予以填满大粒径料之间缝隙，摊铺层面应相对平顺，利于碾压。另外通过碾压后密实的细粒层可以起到一定的阻水作用，减少施工期雨水的下渗。应采用大吨位推土机整平摊料，整平过程中要将粗细填料混合均匀，加强填料颗粒的相互挤压，使其有较好的平整度，避免有明显的坑槽、低洼或凸起的石块。

4.2分层碾压

（1）整平后的路堤适当洒水，以利于碾压时石块移动、嵌锁。

（2）压实时的操作要求，应先压两侧（即靠路肩部分）后压中间，压实路线对于轮碾应纵向互相平行，反复碾压。

（3）碾压时，先轻后重，先用25t轮式振动压路机或相近的重型压路机初压两遍，起稳压作用，选择稳定的测点，便于施工中观测。

（4）稳压后再用加大吨位的压路机复压6～8遍。加大吨位的压路机主要参考技术指标如下：额定功率220kW，激震力590/450kN，最大总作用力810kN。复压时横向重叠40～50cm，纵向重叠100～150cm，做到无漏压、无死角。

（5）施工过程中的路堤压实度主要以孔隙率控制，当采用孔隙率作为压实质量的控制指标有困难时，也可以用压实沉降差进行控制。

5填石路堤的边坡防护要求

由于填料的透水性良好，填石路堤宜产生孔隙，在一定条件下（如雨水冲刷或浸水路堤）会导致路基填筑体中的细粒料流失，从而发生较大的沉降，所以应采用码砌边坡防护，以增强路基的整体稳定。

5.1路堤边坡码砌尺寸要求

路堤边坡防护采用符合要求的块石码砌，码砌厚度为1～2m，路基高度小于5m时，码砌厚度为1m，路基高度大于等于5m且小于12m，码砌厚度为1.5m，路基高度大于等于12m时，码砌厚度为2m。路基建议采用“先填筑后码砌”的工艺方式。每级路堤边坡采用台阶式码砌，具体码砌尺寸如表3所示。

表3路堤边坡码砌尺寸表

5.2路堤边坡码砌填料要求

边坡码砌所用石料要采用强度较大、不易风化、遇水不易崩解的石料，严禁将强风化的石料用于路基边坡施工。边坡石料的最大粒径不宜大于80cm，最小厚度不小于20cm，其形状应规则、方正，至少有两个面较为平行，以保证块石码砌时摆放稳定。同时，应采用大块石料与中等块度的石料交错咬码，严禁采用层铺法和细石填隙砌筑。

填石路堤的边坡码砌施工时，应将石料逐个码砌，大面朝下，放置平稳。石料应尽量紧贴路基填筑体，相互之间紧密接触，互相咬扣，无明显落空、松动现象。码砌石块间的承力接触面应稍向内倾斜，形成较为稳定的内倾结构，严禁通缝、叠砌和贴砌，尽量做到坡面平整。

6结论

（1）填石路堤填料颗粒之间粘聚力极小，其抗剪强度主要由颗粒之间的摩擦力与嵌锁力组成，内摩擦角大，一定程度上可视为半刚性体。

（2）宁武高速公路K129+600紧急制动车道高填方路堤所用填料等效内摩擦角大于堤身坡度，路堤堤身与整体性稳定性良好。

（3）结合工程案例经验，本文对高填方填石路堤的填料、地基处理、分层填筑与碾压及边坡防护等要求上对其工程处治要求进行详细介绍，工程运营现状良好，值得进一步推广。

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