山区高速公路高填方路基设计探讨

易毅 聂科琴

（湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071）

某山区高速公路起讫桩号k21+540～k21+917段右侧填方，边坡放坡分三级确定，各级边坡高度8.5m，坡率1:1.5～1:3.0，高填方边坡填土高度最大达22.07m。根据地质勘察资料，该公路高填方路段钻探揭露深度以内的发育地层包括：残坡积层含碎石粉质黏土层、残坡积层淤泥质粉质黏土层、残坡积层碎石土层、强风化粉砂质泥岩夹炭质泥岩层和中风化粉砂质泥岩夹炭质泥岩层。

一、高填方边坡技术难点

1.该高速公路填方边坡位于煤系地层的填方体，遇强风化泥质粉砂岩夹炭质泥岩地层后，岩体破碎率增大，抗剪强度降低，并容易导致高填方路基失稳而沿强风化地层滑动；

2.该高速公路高填方边坡底部软弱土层发育，其表层可塑状碎石粉质黏土层厚度在4m～12m之间，下层软塑状淤泥质粉质黏土层厚度在3m～8.5m范围内，土体分布极不均匀，且因地下水发育而局部存在饱水状土体。高填方路基填筑后基底沉降很难符合相关规范要求，且路基沿基底软弱土层发生滑动失稳破坏的可能性较大。软土路基下伏碎石土层，且因地下水发育而长期处于饱水状态，高填方处理后容易导致边坡沿软弱土层发生滑动失稳。

二、高填方路基设计

（一）高填方设计

1.排水设计。首先，排水设计应通过填平并在山体低洼位置开沟排出的方式处理公路沿线左侧的汇水，防止其渗入路基，然后在公路右侧原冲沟处增设渗沟，加速地表水的排出。其次，应加强后期雨水处理，在边坡处增加骨架防护，并硬化处理分级设置的边坡平台，在反压平台侧面及填方边坡和山体交接位置增设梯形排水沟，并与原冲沟相连，有效拦截山体排水。

公路冲沟填筑应依据公路高填方路段地形进行。路基填方以下存在的山体有利于路基稳定，但填方左侧会悬空，考虑到高填方路段路基的稳定性，应在边坡高程550m且顺冲沟向的位置增设坡度2%、宽100m的龟背形反压平台，并按照正常填筑坡比进行平台上方路基放坡，两级坡率分别为1:1.5和1:1.75，在平台下填筑70m高度，1级～4级及4级以下填方坡比分别为1:2和1:3，并将高6m的浆砌片石挡墙设置在填方坡脚。

2.基底处置。在填方路段边坡施工开始前必须彻底清除施工范围内的植物根系和草皮，并将植物根系挖除后产生的坑穴填平夯实；对于坡度较大的地面，应先开挖成高度0.3m～0.5m、宽度至少2m的台阶，并将台阶顶面设置为2%～4%的斜坡。用推土机将清表后的原地面整平处理，以形成便于排水的坡路拱。完成后，使用20t光轮压路机碾压3遍～4遍，并对可能出现的弹簧现象人工翻挖，均匀掺拌石灰后二次碾压至设计压实度。

（二）路基稳定性计算

高填方路基设计的关键在于保持路基的稳定性，具体包括沿斜坡地基的整体稳定和路堤堤身稳定两个方面。该工程高填方软土路基破坏形式主要表现为圆弧形滑动，高填方路基的稳定性系数应按式（1）计算:

式中:K0为高填方路基的稳定性系数；ΣN为滑动面上所作用的总法向力；ΣT为滑动面上所作用的总滑动力；ΣR为反倾覆抗滑部分的总阻滑力；Σcl为滑动面各段黏结力和滑动面长度乘积的总阻力；为滑动面岩土内摩擦角。

应用Rocscience-Slide对该公路处理前高填方边坡的稳定性验算，并量化计算最危险滑动面的判断及其边坡安全系数（均根据地勘实验资料和经验校核数据进行模型内岩土层基本物理力学参数的确定），具体如表1所示。

表1 型内岩土层基本物理力学参数

表1 型内岩土层基本物理力学参数

根据处理前的公路高填方边坡稳定性验算结果，路基整体稳定性系数取1.112<1.3。所以，该公路高填方边坡潜在滑动面最危险处位于软弱土层底部，必须采取有效措施确保高填方整体稳定性。

（三）边坡设计

为提升公路高填方路基边坡整体稳定性，应在充分考虑软弱土层厚度的基础上清淤处理底部软弱土层，挖除后采用强透水性的填料回填。底部软土强夯置换处理，以提升地基土抗剪强度值和基底抗滑系数，所使用的强夯锤夯径3.0m，锤重20t，落距15.0m，夯击点距离6.0m，结合相关规范及工程经验，强夯夯击加固深度能达7.0m～8.0m。将反压护道设置在填方边坡坡脚处，护道宽15.0m，护道边坡坡率1∶3，填料选用硬质开山石。

为加强地下水排水，还应在强夯置换层顶增设盲沟，防止地下水冲刷和浸泡路基。填方边坡放坡坡率控制在1∶1.5～1∶2.0范围内，并通过分层强夯填筑路基，控制可能发生的沉降变形，确保路基整体稳定性。

三、稳定性验算及沉降计算

（一）高填方路基土稳定性验算

该公路高填方路基土加固采用强夯置换法，并按照复合地基抗剪稳定安全系数确定抗剪强度，具体如式（2）（3）所示：

式中：Tps为复合地基抗剪稳定安全系数；n为桩对土的置换率；Tp为粒料桩抗剪强度，取37.1kPa；Ts为地基土抗剪强度，取25.8kPa；D为桩径；B为桩间距。

由计算可知，该工程复合地基滑动面岩土内摩擦角 取10.8°，由Rocscience-Slide软件所得出的加固处理后的高填方路基整体稳定安全系数K0验算值取1.396>1.3，符合规范要求。

（二）高填方路基土沉降计算

按照高速公路高填方路基设计经验并结合该工程实测资料，在软土路基总沉降量中，路堤填土压实沉降占比不超过0.5%，且这一比例的沉降大多发生在路堤竣工后1年左右，所以高填方路基土沉降控制主要指工后沉降。该工程采用分层总和法计算强夯置换碎石墩复合地基沉降量，如式（4）（5）所示：

式中：S为强夯置换碎石墩复合地基工后沉降量；△Pi为附加于第i层复合地基土上的应力增量；Esp为复合土层压缩模量；Hi为第层复合地基土厚度；Ep为强夯置换碎石墩墩体压缩模量；Es为强夯置换碎石墩墩体间土体压缩模量，按照工程所在地区经验值取值，如无经验值，则取天然地基压缩模量值。

将该高速公路高填方路基经验取值代入式（4）和（5）可得Esp为5.3MPa，根据此值可估算出公路高填方路基工后沉降S为75.5mm<300mm，符合规范要求。

四、结语

根据该公路设计实践表明，山区高速公路高填方路基稳定性主要受填方高度、地质条件、地形地势、地下水等因素的影响和制约，对高填方软土路基进行强夯置换加固处理完全可行，且加固后的边坡稳定性和路基沉降均符合规范要求。