马拉维希雷河谷改造项目临时道路路堤边坡加固效应研究

徐 超

（中国电力建设集团水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

在水利工程修建过程中，临时道路是项目前期必要的施工步骤，临时道路路基边坡的稳定性是影响工程正常施工的重要影响因素。既有研究表明，影响路堤边坡稳定性的影响因素主要包括降雨、填筑土层的物理力学性质及环境改变等因素。目前相关学者对路堤边坡的稳定性计算和路堤边坡的防护措施等方面进行了研究。袁仕贵和唐小军[1]基于流固耦合理论系统地研究了降雨条件下土体的饱和度、孔隙水压力及有效应力对路堤边坡的稳定性影响。结果表明，边坡土体饱和度随相遇时间的增加呈现出先快速上升、后趋于稳定的特点。土体抗剪强度的降低是导致边坡失稳的主要因素。覃冬梅等人[2]基于数值模拟研究了在不同降水条件及降水时长下对山区改扩建高等级公路路堤边坡坡体强度及安全性的影响。结果表明，雨水入渗降低了土体的抗剪强度，边坡稳定系数随降水量的增多而降低。

该文以马拉维希雷河谷改造项目临时道路路堤边坡加固为例进行数值模拟计算，分析了路堤边坡分层填筑过程中的变形特征及抗滑桩对路堤的加固效应，研究结果可为相关工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程规模

项目位于马拉维南部的奇夸瓦区距布兰太尔市大约60 km的希雷河下游河谷。项目施工主要内容包括从6 + 000站至32 + 788（分叉点）主干渠MC1的建设以及从0 + 000（分叉点）至18 + 024站MC2的建设（Lengwe国家公园）。主要工程包括在MC1上建造2座倒虹吸管，在MC2上建造1座倒虹吸管、桥梁、箱形涵洞、河流跨越结构、衬砌混凝土渠道以及在居民区周围的铁丝网，一个高28 m的塔式水箱12.2 m×8.54 m×4.88 m，以及14.1 km的供水管道工程。

1.2 场内交通

结合招标文件设计道路布置，场内施工交通可通过现有施工道路，并通过6条设计规划道路连接渠道，再进行渠道沿线场内道路修筑，还考虑了部分渠道弃土所修筑的道路等。沿线地质条件复杂，存在大范围的软土地基，对工程的施工及安全运营有较大影响。为了确保路堤边坡稳定性和满足路堤填筑的质量要求，采用反压法提高路堤边坡的稳定性，路堤边坡坡脚设计宽度和高度分别为20 m和6 m。受限于空间限制，坡比由1∶1.5增大至1∶1，增加了路堤边坡失稳的可能性。为了保证边坡的稳定性，工程中采用抗滑桩进行支护。根据钻孔资料显示，土体岩性自上而下分别为路堤填土、粉质黏土、淤泥土和黏土。因此，研究区大范围的软土地基对路堤边坡的稳定性极为不利。

2 数值模型及参数

Geo-Studio是国际上大型的岩土工程分析软件，软件可以通过模块耦合的方式将分析步进行串联计算。在分析过程中，首先分析前面的工况，其次基于前面的工况依次进行计算分析。为了模拟路堤边坡填筑过程，可采用区域激活功能，通过对区域赋予或者移除实现。在任何分析步中都可实现添加或者删除单元，利用该功能可以实现路堤边坡分层填筑。该文为了简化计算，近似的按平面问题进行处理。数值模型图如图1所示。模型中路堤宽度为20 m。为了减少应力波在边界处反射造成的误差，对数值模型进行放大，放大后的模型宽度为60 m。抗滑桩长度为15 m，桩径为0.5 m。模型的竖直高度取值为40 m，进一步计算得到模型底面的附加应力小于自重的0.2倍。数值模型计算采用的岩土体物理力学参数主要通过室内土工试验和参考相关研究获得，具体参数见表1。

图1 数值模型图

表1 数值计算物理力学参数

模型的边界条件为左、右两侧约束水平位移，底部为固定约束，顶面为自由面。土体采用摩尔-库伦本构模型进行计算，抗滑桩采用弹性本构计算；桩土接触采用接触面单元模拟。

计算步骤如下：第一步进行地应力平衡；第二步模拟分层填筑，按每层1 m进行填筑，共6 m，每层填筑间隔时间为15 d；第三步为当边坡达到临界高度时，在坡脚采用抗滑桩进行支护处理。

3 计算结果与分析

3.1 路堤边坡的变形特征

路堤中心沉降与填筑高度的关系如图2所示。当填筑高度为1 m时，沉降值增大40 mm；第二次至第四次填筑后填筑高度分别为2 m、3 m、4 m和5 m时，沉降值分别增大47 mm、65 mm、72 mm和76 mm，以上沉降规律同路基的沉降规律一致。路堤中心水平变形与填筑高度的关系如图3所示。填筑高度分别为1 m、2 m、3 m、4 m和5 m时，水平沉降值分别为15 mm、20 mm、42 mm、63 mm和118 mm，由以上数据可知，填筑高度从4 m增加到5 m时，沉降值最大。由此可知当进行最后2次填筑时，应当加强监测，以防工程事故的发生。

图2和图3给出了路堤中心沉降和水平变形随路堤填筑高度的变化趋势。结果表明，沉降变形和水平变形均随填筑高度的增大而增加，且增大速率随填筑高度的增大而变陡。此外，当填筑高度大于4层时，路堤沉降和水平位移变形均大幅提高，最大沉降速率达到8.5mm/d，最大水平变形速率达到3.58mm/d。可以看出在较高的变形速率下，需要采用支护措施以控制变形速率。因此，在工程路堤填筑过程中，当第5层填筑时，应及时采用抗滑桩进行路堤支护[3-5]。

图2 路堤中心沉降与填筑高度的关系

图3 路堤中心水平变形与填筑高度的关系

3.2 抗滑桩的加固效果

加固后路堤中心沉降与填筑高度的关系如图4所示。当填筑高度为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m时，加固后路基沉降值分别为52 mm、101 mm、148 mm、198 mm和394mm，以上沉降规律同路基的沉降规律一致。加固后路堤中心水平变形与填筑高度的关系如图5所示。填筑高度分别为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m时，加固后路基中心水平沉降值分别为11 mm、21 mm、43 mm、72 mm和85 mm，由以上数据同样可知，填筑高度从4 m增加到6 m时，加固后路基中心水平沉降值最大。

图4和图5给出了加固后路堤中心沉降及水平变形与填筑高度的关系。结果表明，增加抗滑桩对路堤中心的沉降变形不明显。加固后的路堤中心沉降与加固前的变形趋势及变形量相差不大。表明抗滑桩在控制沉降方面效果较差。增加抗滑桩加固后，当第5层填筑时，水平位移变形速率降低至0.6 mm/d，且变形速率有进一步收敛的趋势，证明抗滑桩可以有效控制路堤边坡变形。

图4 加固后路堤中心沉降与填筑高度的关系

通过对图3和图5进行数据对比研究可知，添加抗滑桩后填筑高度不超过3 m时，路堤中心水平变形几乎没有较大变化。然而当填筑高度超过3 m时，添加完抗滑桩的路堤中心水平变形明显小于不增加抗滑桩的路堤，如不添加抗滑桩的路堤中心水平最大变形值为118 mm，添加抗滑桩的路堤中心水平最大变形值为85 mm，说明抗滑桩达到了理想的控制路堤水平变形的效果。

图5 加固后路堤中心水平变形与填筑高度的关系

3.3 抗滑桩设计参数对边坡的稳定性影响

为了研究抗滑桩参数对路堤边坡稳定性的影响，该文考虑了抗滑桩的桩位、桩身弹性模量以及桩长参数改变情况下路堤的变形特征。桩的位置分别设置在路堤边坡坡顶、坡中间及坡角。

保持抗滑桩的弹性模量和桩身长度不变，分析桩的位置对边坡的稳定性影响。结果表明，3种桩位对路堤的水平位移影响较大，其中抗滑桩在坡脚位置处对路堤水平位移的控制最好。坡顶和中间位置对水平位移的控制效果基本相同。同时，在工程施工过程中，坡脚位置处的施工条件也优于其他2处。因此，抗滑桩位置宜设置在坡角[6]。

保持抗滑桩的位置和桩身长度不变，得到了抗滑桩弹性模量对路堤水平位移的影响。结果表明，路堤的水平位移随抗滑桩的弹性模量增大而减少，且二者表现出典型的线性关系。证明增大抗滑桩的刚度可以有效控制路堤沉降。实际施工过程中，盲目追求桩的刚度会使工程造价大幅上升，因此在实际选择过程中应结合现场实际情况计算边坡推力，保证抗滑桩尺寸选择满足满足工程需要，同时避免由于富裕度过大而造成浪费。

在保持其他条件不变的情况下，选择桩体长度分别为15 m、20 m和25 m，计算得到不同抗滑桩长度下桩身长度对路堤变形的影响。结果表明，路堤的水平位移先是随桩身长度变化保持不变，当桩身长度增大到一定程度时，水平变形迅速减少。这是因为当桩体长度大于土体滑裂面深度时，桩的长度效应体现得比较明显。在工程施工过程中应合理选择桩长，避免浪费。

4 结论

该文依托临时道路路堤边坡填筑施工项目，基于数值模拟，研究了路堤边坡填筑施工过程中的变形特征及抗滑桩加固效应。系统地分析了桩位、桩弹性模量以及桩长对路堤边坡的稳定性影响，得出如下几点结论：1）沉降变形和水平变形均随填筑高度的增大而增加，且增大速率随填筑高度的增大而变陡。此外，当第5层填筑时，应及时采用抗滑桩进行路堤边坡支护处理。采用Geo-Studio数值软件能够较好地模拟路堤分层填筑过程中的变形特征，可为施工提供借鉴经验。2）桩位对路堤的水平位移影响较大，其中抗滑桩在坡脚位置处对路堤水平位移的控制最好。坡顶和中间位置对水平位移的控制效果基本相同。3）路堤的水平位移随抗滑桩的弹性模量增大而减少，且二者表现出典型的线性关系；路堤的水平位移先是随桩身长度变化保持不变，当桩身长度增大到一定程度时（桩长大于土体滑裂面深度），水平变形迅速减少，桩的加固效应显著。4）临时道路路堤边坡加固完成后，应做好边坡的排水措施，避免土体流失造成边坡失稳破坏。