山区公路高陡路基稳定性分析与设计要点

焦占武， 柏正云

（1．天津滨海新区高速公路投资发展有限公司，天津 300457；2．天津市市政工程设计研究院，天津 300392）

山区公路中高陡路基较为常见，每一处高陡路基均需要进行工点设计，是设计的重难点。本文以G350线仓山—中江段公路改建工程项目为背景，对某处典型山区公路高陡路基的设计要点进行论述。

1 工程概况

项目位于四川省德阳市中江县，路线大体为南北走向，全长66.032 km。主线公路等级为一级，K0+000～K47+000 段设计速度60 km/h，路基宽度23 m。K47+000～ K66+032.188 段设计速度 80 km/h，路基宽度30 m，全线共7处高陡路基边坡。

以其中一处典型的高陡路基为例，陡坡高17.2 m，根据地质调绘、钻探和区域地质资料，揭示地层上而下分布耕植土、粉质黏土及白垩系下统白龙组粉砂岩。

耕植土：主要分布于地表耕地处，褐红色，松散，稍湿，以粉黏粒为主，含植物根系，厚度为0.6 m。

粉质黏土：主要分布于坡体表面，褐红色，可塑，主要由黏粒组成，夹少量砂粒，含少量铁锰质矿物，干强度中等、韧性中等，厚度为1.7～3.0 m。

强风化粉砂岩：褐红色，砂质结构，层状构造，主要矿物成分为石英、长石，泥-钙质胶结，节理裂隙发育，岩质较软，岩芯呈碎块状，厚度为0.7～2.0 m。

中风化粉砂岩：褐红、灰红色，砂质结构，层状构造，主要矿物成分为石英、长石，泥钙质胶结，节理较发育，岩质较软，未揭穿，最大揭示厚度15.8 m。

由于本工程地下水位较低，不考虑水的影响因素。

选定最不利剖面作为研究断面。初步拟定一级边坡8 m，坡率1∶1.5；二级边坡9.2 m，坡率1∶1.75；边坡平台宽度为2.0 m。见图1。

图1 高陡路基承托层地层分布及设计横断面

2 潜在滑动面分析及计算方法的选择

高陡斜坡面为二次元结构边坡，下伏中风化粉砂岩，承载力为300 kPa，上覆薄层粉质黏土及耕植土。坡脚处上层为厚层粉质黏土，深度达11 m，下层为中风化粉砂岩。下伏岩质边坡，岩体的失稳与破坏主要受岩体内结构面的控制，它们之间的空间分布位置、组合关系和结构面的物理力学性质等，对边坡的稳定都起着至关重要的作用[1]。一般分为3 种破坏模式：平面破坏、楔体破坏、倾倒破坏。可采用赤平投影法来进行初步定性判断，见图2。

图2 岩质边坡失稳模式

平面破坏及倾倒破坏可以采用不平衡推理法进行定量计算；而楔体破坏虽然也有三维楔形体分析法，但是其计算参数较难获取且由于结构面的复杂性和变异性较大，计算结果往往差别很大[1]。根据赤平投影分析结果，下卧层中风化粉砂岩层结构较为稳定。综上，岩层与薄层土层分界面是斜坡面上最不利滑动面，即折线或直线滑动面。

坡脚处上覆厚层粉质黏土，当边坡沿斜坡面产生滑动之后，坡脚处形成应力集中，易产生冲剪或局部剪切破坏，从而形成圆弧滑动面[2]。综合以上分析结论，可以初步推断潜在滑动面的位置，见图3。

图3 高陡路基潜在滑动面

边坡稳定性计算方法应根据边坡类型和可能的破坏形式，按下列原则确定[3]：

1）规模较大的碎裂结构岩质边坡和土质边坡宜采用简化Bishop法计算；

2）对可能产生直线形破坏的边坡宜采用平面滑动面解析法进行计算；

3）对可能产生折线形破坏的边坡宜采用不平衡推力法计算；

4）对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平投影法和实体比例投影法分析及楔形滑动面法进行计算；

5）当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。

该边坡表层坡度＞1∶2.5，覆盖层为粉质黏土及强风化粉砂岩且厚度较薄，此二元结构层安全性隐患较大，无需稳定性计算，可直接清除覆盖层。下部的中风化层为完整的岩层，结构面较为复杂，可能沿薄弱结构面产生滑动，也可能存在楔形体滑动面，定量计算不再适用，可采用赤平投影法分析；其中路基填土与中风化粉砂分界面易形成直线或折线形滑动面，可采用不平衡推力法进行安全系数的计算。对坡脚处厚层粉质黏土层，可采用简化Bishop 法进行安全系数的计算。另外，由于坡脚粉质黏土承载力一般，厚度较大，边坡高度较高，容易产生较大的沉降并进一步牵引斜坡面的滑动，故需对坡脚处深厚层粉质黏土层进行沉降验算。

3 边坡稳定性分析

场区岩体风化裂隙一般发育，无断层和规模大的裂隙密集带通过。岩层产状59°∠5°，主要发育两组节理裂隙，节理 1 为 340°∠78°，节理 2 为 82°∠72°。裂隙一般发育，呈闭合～微张，无充填或少许泥质充填、无充水，结合一般。采用赤平投影法对高陡路基进行稳定性分析。见图4。

图4 极射赤平投影

根据赤平投影分析结果，该边坡岩体部分属于稳定结构。

3.1 稳定性计算

1）采用不平衡推力法计算二元结构面处稳定性。应考虑天然状态、连降暴雨作用及地震作用，由于该区域抗震设防烈度为6 度，故只需考虑以下两种工况：工况I 自重，工况II 自重+暴雨。自重为边坡体受到的重力，在地下水位以上按天然重度计算，在地下水位以下取饱和重度。暴雨对边坡的作用表现为经入渗或径流改变地下水位以及地下水位以上边坡体和潜在滑动面的含水量，从而改变边坡体自重、动水压力和浮托力等荷载以及边坡体和潜在滑动面抗剪强度参数，进而影响边坡体的稳定性。

计算参数包括坡体土层重度、黏聚力和内摩擦角。工况I时，地下水位在潜在滑动面以下，自重计算取天然重度，抗滑力计算取天然黏聚力和内摩擦角；工况II 时，整个边坡体因降雨入渗而处于饱和状态，自重计算取饱和重度，抗滑力计算取饱和粘聚力和内摩擦角。见表1。

表1 边坡稳定性计算岩土体参数

将剖面按计算要求进行概化，采用理正边坡稳定分析软件不平衡推力法，由计算机进行条块划分和潜在滑动面搜索，稳定性计算结果：工况I的边坡稳定安全系数为0.47＜1.35，工况II 的边坡稳定安全系数为0.43＜1.25，均处于不稳定状态。

2）采用剩余下滑力法及Bishop 法计算坡脚厚层粉质黏土稳定性。首先计算上部土层剩余下滑力：第1 块滑体(直线滑动面)剩余下滑力为230.256 kN，下滑力角度33.524°；第3块滑体(直线滑动面)剩余下滑力为1 128.648 kN，下滑力角度 28.789°；第2、4 块滑体剩余下滑力均为0。

将剩余下滑力等效为作用于厚层粉质黏土层的作用力，简化模型后再计算坡脚厚层粉质黏土层的稳定性。见图5。

图5 等效作用力下坡脚处地层稳定性计算简化模型

工况I 的边坡稳定安全系数为1.13＜1.25；工况II的边坡稳定安全系数为1.04＜1.25，均处于不稳定状态。

3.2 沉降验算

主固结沉降采用分层总和法计算，计算参数采用由压缩试验得到的e-p曲线。选定最不利断面作为路堤计算断面，按计算要求输入断面相关参数，采用理正岩土软土地基路堤、堤坝设计软件进行沉降和稳定计算。见表2。

表2 地基土层主要计算参数

本次沉降计算结果：路面竣工时，地基沉降为0.15 m；路面竣工后,基准期内的残余沉降为0.173 m。规范[3]并未给出工后沉降控制标准，招商局重庆交通科研设计院有限公司对四川成雅高速公路全线填方路基以及广西南宁—桂林高速公路部分高填方路基不均匀沉降实测结果进行分析，得出结论：为控制路基不均匀变形，山区高填方路基工后沉降控制标准取4 cm 较为合适[3]。但实际对基底为厚层黏土层的区域均很难满足这一标准，故通常按桥头沉降标准进行控制，取10 cm。根据沉降计算结果，该处工后沉降＞10 cm，不满足高填方路基沉降控制标准。

4 设计处治措施

根据以上边坡稳定性分析、沉降分析及计算结果并结合当地类似工程的调查，初步拟定的坡形、坡率及平台宽度基本合理。由于该处高陡路基斜坡面上薄层覆盖层有滑塌的风险，可直接清除至中风化粉砂岩层。路基填土与中风化粉砂岩分界面是最不利界面，易形成滑动面并且由于路基沉降较大，坡脚处基底需进行加固处理。但因坡脚处地基承载力不高，故反压护坡及挡土墙支护均不适宜；可采取开挖宽平台及增设多层土工格栅的措施，减小陡坡坡度，增强填土层与中风化粉砂岩结构面的黏结力，坡脚处地基可采用水泥搅拌桩进行加固处理，为预防未来地下水位上升的风险，加强了排水设计。

地面横坡陡于1∶2.5，清除表层1.8 m 耕植土及粉质黏土，沿基岩开挖内倾4%横坡台阶，台阶宽度4 m；在每级台阶搭接处铺设一层土工格栅，平台处铺设3层；坡脚处采用水泥搅拌桩进行深层处理，桩径0.6 m，桩长11.5 m，桩间距2 m。桩顶设60 cm 碎石垫层；坡面采用菱形骨架植草防护；各级边坡每隔50～100 m 设置踏步兼急流槽，采用M7.5 浆砌片石砌筑；坡脚设置60 cm×70 cm 混凝土矩形排水沟，路基坡面排水通过骨架水槽流入排水沟。见图6。

图6 处治加固

对采取相应处治措施后的高陡路基进行稳定性验算。

1）采用Bishop 法对填土区域，采用不平衡推力法对开挖宽平台后的填土与中风化粉砂岩分界面进行稳定性验算。工况I 的边坡稳定安全系数为2.29，工况II的边坡稳定安全系数为1.92，均处于稳定状态。

2）水泥搅拌桩加固处理后沉降验算：路面竣工时,地基沉降为0.058 m；路面竣工后,基准期内的残余沉降为0.067 m。满足高填方路基沉降控制标准。

5 结论

1）山区公路高陡路基潜在滑动面需要针对具体的地质状况进行认真细致的理论分析并结合现场踏勘情况进行推断，没有统一的方法，更不能由计算机自由选定。

2）山区公路地质情况较为复杂，尤其是对于二次元乃至三次元结构的高陡路基，需要针对不同的路基地层采取相应的计算分析方法。对于岩质边坡通常采取赤平投影及工程类比法分析，对于土质边坡通常可采取Bishop 法进行分析；对于二次元或三次元结构的分界面可采用不平衡推力法。

3）对于山区公路高陡路基尤其需要重视斜坡面及坡脚处稳定性分析并验收坡脚处地基沉降。斜坡面稳定性计算和坡脚处稳定性应根据工程实际分析是否需要分开独立计算，因为通常坡脚处为土层，而斜坡面通常为岩层。对于独立计算，可采用剩余下滑力，将上部下滑力等效处理后，重新建模再复核坡脚的稳定性及沉降。

4）高陡路基的处治措施方法众多，应充分根据地质情况，选取挡土墙支护、反压护坡、抗滑桩、锚杆支护等方式，本工程因坡脚处地基承载力较低，宜选取开挖宽平台及桩基加固的方式。