山区高填陡斜坡路堤接弃土场或填平区问题研究

陈祖鑫

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

0 引言

福建省位于东南沿海地区，山区地形地质复杂，高等级公路布线较为困难，桥梁和隧道所占比例较高，施工难度大；同时，山区公路工程填挖量大，造价高。为了确保高等级公路的技术标准，修筑山区公路时，局部路段只能采取高填或深挖的措施来解决跨沟或越岭的问题。

在高填陡坡路基所在的山坳地段， 常常可以设置为弃土场或填平区，如此设计可消耗大量弃方，同时对路基起反压护道作用，提高路基边坡稳定性，再次，可以防止在山坳处积水。但往往在施工过程中，弃土场和填平区填土压实度达不到要求，土质松散，同时，未做好排水措施。在降雨作用下，雨水入渗，长期淤积无法排除，使得路基湿度大大上升，影响路基稳定性，同时，使得路基土软化，产生不均匀沉降，最终导致路面开裂或边坡垮塌。本文依托莆田至炎陵高速公路永泰梧桐至尤溪中仙段(福州市境) 工程对接弃土场或填平区的陡坡高填路基进行计算分析，并提出处置方案[1-5]。

1 项目概况

本项目路线全长约42.241257km， 路线起于永泰县梧桐镇镇潼关村，与福永高速衔接，路线由东南往西北经丘演、三富、白湾至永泰的嵩口镇、长庆镇，止于盖洋乡珠峰村，与湄洲湾至重庆高速公路三明段相接，线路区的地势总体是东南部盆地区低(起点)，西北部中低山区(终点)高。

2 数值分析模型

2.1 计算模型

本文采用Geo-studio 软件中的Slope/W 模块计算边坡稳定性，采用Sigma/W 模块计算边坡位移变形[1-5]。本文选取该项目典型断面建立模型，计算模型如图1～图2 所示，对于弃土场和填平区情况分别选取一种模型。计算范围为150m 宽，60m 高。 根据实际钻探结果， 地下水位于原地面底下约为1m，路基填料为土方。 地质自上而下分别为坡积粉质粘土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩。计算边坡位移变形时的边界条件如图3～图4 所示，下部和右侧设置固定约束，左侧采用水平约束。弃土场模型在路面和边坡选取A、B、C、D、E、F六个位移观测点，填平区模型在路面和边坡选取A、B、C、D、E 五个位移观测点，如图5～图6 所示。

图1 弃土场计算模型

图2 填平区计算模型

图3 弃土场边界条件

图4 填平区边界条件

图6 填平区位移观测点

边坡稳定性方法根据 《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中3.6.9 条的规定采用Bishop 法。 本项目选取模型为路堤沿陡斜坡地基，因此，路堤的安全系数正常工况下应达到1.30[5]，非正常情况(降雨状态下)应达到1.20。

2.2 计算参数

计算参数均采用摩尔库仑模型， 土层参数取自实际工程钻探和根据室内资料而制定，其参数如表1 所示。

表1 各土层物理力学参数

3 计算结果

3.1 路基接弃土场

弃土场模型计算结果如图7～图14 所示。 从图中7～图8 可以看出，正常情况下在边坡安全系数为2.677 时，满足设计要求。 但在长期降雨作用下，雨水入渗，使得弃土场中土含水量大大增加，水分入渗路堤土，导致弃土场和路堤土抗剪强度明显下降， 导致路基边坡稳定性下降至1.863，但由于弃土场起到的反压作用，从稳定性上边坡仍然满足规范要求。

图7 正常状态下弃土场路基稳定性

图8 非正常状态下弃土场路基稳定性

图9～图10 为路基横向位移，向左方向为负，向右方向为正。 从图中看出，弃土场位置位移为正，正常状态最大值达到8.7cm，越往深处位移值越小；路基边坡处横向位移值为负，最大值达到17.3cm，越往深处位移值越小；在路基长期泡水状态后弃土场处和边坡处最大横向位移值分别达到11.7cm 和23.6cm，说明路基在长期泡水后横向位移明显增加。

图9 正常状态下弃土场边坡横向位移(m)

图10 非正常状态下弃土场边坡横向位移(m)

图11～图12 为路基竖向位移，向上为正，向下为负。从图中可以看出， 弃土场顶部和边坡滑动面处路基竖向位移最大，均为负值，正常状态最大值达到51.1cm，路基长期泡水后沉降最大值达到66.8cm，说明路基在长期浸水后竖向位移同横向位移一样明显增加。

图11 正常状态下弃土场边坡竖向位移(m)

图12 非正常状态下弃土场边坡竖向位移(m)

图13～图14 为路基总位移，值均为正值，由于路基竖向位移明显大于横向位移， 因此总位移变化趋势和竖向位移基本一致， 弃土场顶部和边坡滑动面处路基总位移最大，正常状态最大值达到53.3cm，路基长期泡水后总位移最大值达到70.2cm，说明路基在长期浸水后总位移明显增加。

图13 正常状态下弃土场边坡总位移(m)

图14 非正常状态下弃土场边坡总位移(m)

对弃土场模型中6 个观测点在正常状况和长期浸水情况下路基位移状况进行计算， 得出结果如图15～图17所示，从图中可以明显看出，在长期受水影响状况下路基边坡各点的横向位移、 竖向位移和总位移均明显低于正常状况下的各点位移。说明若弃土场压实度不足，排水设施不完善情况下，路基边坡在长期受水影响下，容易造成失稳或沉降变形过大。

图15 弃土场边坡观测点横向位移变化

图16 弃土场边坡观测点竖向位移变化

图17 弃土场边坡观测点总位移变化

3.2 路基接填平区

填平区模型计算结果如图18～图19 所示。 从图中18～图19 可以看出， 正常情况下在边坡安全系数为1.326，满足设计要求。 但在长期降雨作用下，同弃土场情况一样，雨水入渗，导致填平区和路堤土抗剪强度明显下降，路基边坡稳定性下降至1.069，不满足规范要求。

图18 正常状态下填平区路基稳定性

图19 非正常状态下填平区路基稳定性

经过计算，路基横向位移整体向左偏移，正常状态最大值达到23.8cm，越往深处位移值越小，在路基长期泡水状态后填平区处最大横向位移值达到31.4cm，说明路基在长期泡水后横向位移明显增加。

图20～图21 为路基竖向位移，向上为正，向下为负。从图中可以看出，边坡滑动面处路基竖向位移最大，为负值，正常状态最大值达到53.3cm，路基长期泡水后沉降最大值达到72.8cm，说明路基在长期浸水后竖向位移同横向位移明显增加。

总位移变化趋势和竖向位移基本一致， 边坡滑动面处路基总位移最大，正常状态最大值达到57.7cm，路基长期泡水后总位移最大值达到79.2cm，说明路基在长期浸水后总位移明显增加。

图20 正常状态下填平区边坡竖向位移(m)

图21 非正常状态下填平区边坡竖向位移(m)

对填平区模型中5 个观测点在正常状况和长期浸水情况下路基位移状况进行计算， 得出结果如图22～图24所示。从图中可以明显看出，在长期受水影响状况下路基边坡各点的横向位移、 竖向位移和总位移均明显低出正常状况下的各点位移。说明若填平区压实度不足，排水设施不完善情况下，路基边坡在长期受水影响下，容易造成失稳或沉降变形过大。

图22 填平区边坡观测点横向位移变化

图23 填平区边坡观测点竖向位移变化

图24 填平区边坡观测点总位移变化

4 处理措施

基于以上分析， 对填平区或弃土场应采取相应措施保证路基安全。 如图25 所示，在填平区或弃土场周边设置粘土封层，两侧设置水沟和截水沟，压实度要求不低于90%， 同时在弃土场底部设置碎石盲沟， 以保证排水通畅。 同时， 弃土场基底应参照路基施工要求进行软土清除，设置盲沟、渗沟，做好整体排水措施。

图25 沿河护坡防护

5 结语

本文依托莆田至炎陵高速公路永泰梧桐至尤溪中仙段(福州市境)工程，通过采用二维岩土有限元软件Geostudio 模拟， 计算了路基接弃土场或填平区情况下陡坡高填路基的稳定性和位移变化规律，结论如下：

(1)路基接弃土场工况在正常情况下边坡安全系数为2.677， 在长期降雨作用下， 路基边坡稳定性下降至1.863，但由于弃土场起到的反压作用，从稳定性上边坡仍然满足规范要求。

(2)路基接弃土场工况在正常状态下，横向、竖向和总最大位移分别为17.3cm、51.1cm 和53.3cm； 在弃土场和路基浸水情况下最大位移分别为23.6cm、66.8cm 和70.2cm。

(3)路基接填平区在正常情况下边坡安全系数为1.326，满足设计要求。 但在长期降雨作用下，同弃土场情况一样，雨水入渗，导致填平区和路堤土抗剪强度明显下降，路基边坡稳定性下降至1.069，不满足规范要求。

(4)路基接填平区工况在正常状态下，横向、竖向和总最大位移分别为23.8cm、53.3cm 和57.7cm； 在弃土场和路基浸水情况下最大位移分别为31.4cm、72.8cm 和79.2cm。

(5)对于路基接弃土场或填平区的情况，在长期降雨作用下，雨水入渗压实不充分的弃土场或填平区，导致路基边坡稳定性下降和明显的路基沉降变形。

(6)对填平区或弃土场应采取相应措施保证路基安全。在填平区或弃土场周边设置粘土封层，两侧设置水沟和截水沟，压实度要求不低于90%，同时在弃土场底部设置碎石盲沟，以保证排水通畅。