高速公路高填斜陡路基设计方案

(福建省交通规划设计院，福州350000）

高速公路高填斜陡路基设计方案

■徐小华

(福建省交通规划设计院，福州350000）

地质条件复杂山区的较低等级公路，高填方路堤较为普遍，若高填方路基同时落在斜坡区，不仅容易产生沉降，且易产生滑动，直接影响路堤自身稳定。本文以永福龙车至新罗中甲段公路工程(新罗区)为工程背景，对高填方路堤稳定性、应力应变特性进行了计算分析，总结边坡稳定性影响因素及边坡变形特征，并提出相应的处治措施。

山区高填斜陡路基边坡稳定性影响

1 项目概况

永福龙车至新罗中甲段公路工程(新罗区)项目路线起点位于新罗区岩山乡红尖山隧道内，起点桩号YK43+ 132.4；终点位于新罗区曹溪街道中甲村，桩号K59+ 343.511，路线长度16.1778km。本项目为二级公路，设计速度60km/h，整体式路基全宽10m。

路线位于我省西南部，为北东向博平岒的南端及西侧部位，沿线山岭绵延，山脉主体多呈北东～近南北向延伸，局部见北西向分布。总体地势为东、西部高，中间低，海拔标高一般在600～1000m之间，最高的庵山高程为1486.9m，最低点龙岩盆地标高315m，相对高差一般在300～800m之间。整条线路地形地貌属山岭重丘区。

受地形条件、路线平纵线形指标及项目经济性等诸多方面限制，山区公路不可避免出现高填、陡坡路堤。由于项目高填较多，若不切实控制好填方工程的质量，今后路基势必产生不均匀沉降，影响行车舒适乃至安全。

2 项目高填斜陡路段工况

本项目填方边坡高度在20m以上的路段较多，其中填方高度＞35m的路段主要集中在K47+350～K47+500、K52+820～+900、K53+080～+240、K53+540～+840、K55+ 241～+301路段，平均填高均在35m以上，最高54.8m，其中K47+440～K47+500为高填斜陡坡，边坡最高53m。段落内地形较陡,为陡倾的单面斜坡,中部微鼓,坡形平顺,植被较发育,自然边坡20°～40°,属于低山地貌单元，如表1所示。

如何选择安全、合理、经济的路基断及结构型式，成为该段路基设计的重点。

表1 高填斜陡路段工况一览表

3 加强高填斜陡路堤稳定性措施

3.1 路堤填料

路堤填料强度是影响高填路堤稳定性的最直接因素，填料应满足《公路路基设计规范》中有关填料的要求，路基宜优先采用工程力学性质良好的土质填筑，路床顶面以下2m必须采用工程力学性质良好的土质填筑。

由于受现场条件限制，挖方填料性质不一，为了有效控制填料质量，通过采用毕肖普(Bishop)法进行计算，按满足规范的安全系数1.35要求进行填料取值验算，通过对不同C值的取值得出对应φ值，控制填料质量。

经验算，对每种填料指标进行要求，要求路段填料应满足《高填路段C(kPa),φ(°)取值一览表》的要求，如表2所示。

表2 填料C(kPa),φ(°)取值一览表

3.2 路堤反压平台

为了保证高填路堤的稳定性，常采用平台反压的方法，同样通过毕肖普(Bishop)法进行计算，当路堤填高为四阶时，通过对不同填料指标的取值，得出二阶处反压平台的宽度，如表3所示。

表3 反压平台取值一览表(四阶)

3.3 排水系统设计

水是形成路基病害的主要因素之一，路基的整体强度和稳定性同水的关系十分密切，为避免孔隙水、地下水及坡面流水对路基稳定的影响，应加强高填陡坡路基排水设施设置，全填路基及半填半挖段路基应酌情增设纵向及横向排水盲沟。横向盲沟应结合地质水文条件设置并包裹透水土工布以起到反滤作用。横向盲沟设置时应结合地形，尽量设置在地势相对较低处。为加强排水，同一横断面上酌情增设横向盲沟道数。

盲沟在平面上呈直线形，不应转折，以免造成排水不畅。纵向盲沟应有一定的坡度，对于部分地下水较发育的陡坡路基，可适当增大排水盲沟尺寸。

沿路线横向及纵向分别设置盲沟，沿路线纵向设置纵向盲沟2道，于K47+490横断面设横向盲沟两道，盲沟采用尺寸(0.4m×0.4m)的碎石盲沟，将内部水引至路基外。

高填路基处于地势低凹处水，水系发育，应做好山凹排水设置，在路基底设置树形盲沟，避免地基长期浸水导致承载力降低而引起路基沉降或是影响路基填方体滑移［1］，成为今后路基安全的一大隐患。其排水设计示意图如图1所示。

3.4 高填斜陡路堤加筋处理

3.4.1 设计稳定性分析及验算

假定路基堤身滑动面为圆弧面，依据《公路路基设计规范》，采用毕肖普(Bishop)法进行路堤加筋方案设计。按满足规范的安全系数1.35要求进行稳定性验算后确定了该段的加筋路基处理方案。

路基稳定性分析包括路堤自身的稳定性、路堤和地基的整体稳定性、路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性内容。

(1)计算状态及荷载系数

按《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)规定，加筋路基采用以分项安全系数的极限状态法进行路堤加筋陡坡设计。

(2)作用力计算

作用力计算包含以下几种：①恒载；②车辆活载；③库伦主动土压力；④地震作用力；⑤静水压力；⑥动水压力；⑦浮力。

(3)加筋路堤边坡稳定性验算

验算有3个部分：①加筋材料的铺设方式②铺设层数③铺设范围等。

为防止筋材土体中拔出，必须对每层加筋材作内部稳定性校核，使土体内铺设的筋材，超出最不利滑动面圆孤以外的锚固段与土之间的握裹力不小于拉拔力，且有一定的安全系数，最小锚固长度不小于2m。

图1 排水系统设计示意图

运用各种理论与方法分析计算得到的安全系数不得小于《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中安全系数所列值。

3.4.2 计算模型

根据填方路堤横断面特点，选取典型断面K47+490横断面建立计算模型。K47+490横断面布置为:路堤中心填高8.696m，路基边缘高56m，第一级边坡1∶1.5，第二、三、四阶边坡1∶1.75,第五阶边坡坡率1∶1.5，第三阶及第四阶平台宽度加宽处理，加宽宽度结合边坡上改路标高加宽11.5～21m。根据勘察报告及相关规范，并结合工程经验综合确定各层岩土体计算参数。

依据工程地质报告，清除表层的坡积碎石等影响路基稳定的土层后开挖台阶，台阶宽4m，台阶高度不小于1m，路基填料参数容重取18kN/m3，C值取13 kPa,φ值取21°,下伏为碎块状强风化石英砂岩，C值取180kPa,φ值取25°，计算模型如图2所示。

3.4.3 路基加筋设计方案

土工格栅布设的垂直间距为0.6m,从距路堤第三阶反压平台2m处开始，由下往上逐层铺设至距路堤第一级边坡4m处，路堤每压实2层铺1层土工格栅。压实度应满足规范要求。格栅长度为15m。,每一层靠近边坡的土工布端头向上成半圆形折起进行回包，回包半径0.3m,回包卷入路基长度不1m，压实后再铺设上面一层土工格栅。

铺设土工格栅之前，应清理现场，平整场地，并对场地进行初步碾压，土层表面应平整，严禁有坚锐凸出物。为加强加筋效果，铺设土工格栅之前，对土工格栅进行必要的预张拉，通过格栅的张拉梁钩住主加筋格栅施加张拉力(建议每个张拉梁施加与该型号格栅1%应变相对应的抗拉力的预加力)，使土体内部产生一定的预应力。填料中有尖锐棱角等有损塑料土工筋材的部分不得大于总量的15%，与加筋材料直接接触的填料的最大粒径不宜超过15cm，粒径大于6 cm的含量不超过30%。

格栅的纵向应垂直于路基的中线,格栅的纵向搭接重叠宽度不小于20 cm,搭接缝采用塑料带绑扎，间距为50 cm；对铺设好的格栅每隔1.5m用U形骑马钉固定于地面，以保证格栅与地面密贴，铺设好的格栅及时回填，防止日晒老化。路基格栅计算模型如图3所示。

4 监控方案及处治措施

4.1 监控方案

高填陡坡路堤应按要求埋设观测标志，用于工后沉降监控，预测工后沉降趋势，以确定路面施工时间。施工中应按二等水准标准进行观测，实测月沉降小于3 mm (0.1mm/d)做为路基交工标准。路堤整体稳定性监控应根据实际情况，选择最不利断面桩号，在其路基横断面方向埋设位移观测标志和测斜管(布控位置详见《路基稳定监控设计图》)，同一路段不同观测项目的测点宜布置在同一横断面上。

图2 路基开挖计算模型

图3 路基格栅计算模型

K47+490处布设观测标志，于横断面右侧路肩位置及第二阶平台位置处分别布设测斜管进行工后沉降监控，以预测工后沉降趋势。

4.2 处治措施

经过上述计算分析，若不经过处理，直接进行路基填筑，将造成路堤失稳及不均匀沉降，要提高高填陡斜路基稳定性可以从以下几个方面考虑：①增加路基填料强度。②对坡体进行反压。③加强排水措施。④增设土工格栅。⑤增强补压［4］。K47+440～K47+500边坡综合采用以下措施处理具体如下：

(1)清表

原边坡为坡积碎石较松散，且厚度2～4m，将其清除，同时由于原边坡纵坡较陡，采用台阶开挖，台阶宽度不小于4m。

(2)填料控制

由于受现场条件限制，挖方填料性质不一，为了有效控制填料质量，通过采用毕肖普(Bishop)法进行计算，对每种填料指标进行要求，如表4所示。

表4 填料C(kPa),φ(°)取值一览表

(3)排水设置

沿路线纵向设置纵向盲沟2道，于K47+490横断面设横向盲沟两道，将内部水引至路基外。在路基底设置树形盲沟，避免地基长期浸水导致承载力降低而引起路基沉降或是影响路基填方体滑移。

(4)土工格栅

在路堤填料中增设土工格栅，由于土工格栅具有一定刚度及较大的抗拉强度，能够有效提高抗剪强度而增强路堤整体稳定性。土工格栅布设从距路堤第三阶反压平台2m处开始，由下往上逐层铺设至距路堤第一级边坡4m处，路堤每压实2层铺1层土工格栅，土工格栅布设的垂直间距为0.6m。

(5)路基补强压实(加大吨位压路机碾压)

普通压路机碾压完成后，采用加大吨位的压路机进行碾压整平处理。加大吨位的压路机主要技术指标如下：额定功率220kW，激震力590/450kN，最大总作用力810kN。

(6)底部填石及坡脚增设挡墙

通过分析，通过底部填石及坡脚增设挡墙可增强路堤整体稳定性［5］。

根据以上综述，其处治措施如图4所示。

5 结语

图4 处治措施示意图(单位：m)

针对山区公路高填、陡坡断面高、大、长，在各项目设计中都是比较突出头痛的问题，本文对高填、陡坡路堤稳定性分析及设计思路的粗略探讨，旨在总结设计过程中一些较浅显的经验与同行交流，因笔者水平所限，难免存在一些错漏，请广大同行不吝指正。

［1］郭仁昌．福建山区高速公路路基施工质量控制[J].福建交通科技. 2011.

［2］张井泉．高填方边坡稳定性研究．西南交通大学硕士论文，2009．

［3］梁志勇．山区高速公路高填斜陡坡路堤稳定性研究[J].公路工程, 2012.

［4］龚玉华、曾耀．山区陡坡高填方路堤稳定性分析及和治措施研究[J].公路交通科技,2011.

［5］林永功．高填陡坡路堤稳定性分析及设计思路初探[J].道路工程, 2011.