土质路堤高边坡加固设计及效果分析

郭立华

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

由于受到降雨、填土性质和外部荷载等因素的影响，土质路堤高边坡可能会产生不同程度的失稳破坏[1]。为了研究土质路堤高边坡的稳定性变化情况，采用MIDAS/GTS软件建立模型进行有限元分析[2]，验证高边坡加固设计方法，并结合现场变形监测结果对加固效果进行分析。结合108国道拓宽改建工程土质路堤高边坡加固设计案例，结合路堤地质状况、地形地貌建模分析，制定边坡加固方案，并结合高边坡水平位移、垂直位移和桩顶累积位移进行加固效果分析，力求为施工提供技术参考。

1 工程概况

国道108山西忻州段拓宽改建工程，对路基采用单侧加宽的方式。原路基设计宽度为12m，加宽后路基宽度为25.5m，采用双向四车道设计，一级公路建设标准，设计车速80km/h。K254+325.5～K254+612段为加宽段，路基北侧紧邻沟谷高差较大，为17～25m，该路段路基为采用高填方土质路堤。高填方段北侧高、南侧低，拓宽段填方路基位于路基北侧。路堤坡脚处为边坡一级平台，宽度为5～10m，填方路堤高度西部较高，最大填筑高度为27m，东部填筑高度较低，最小填筑高度为14m。

结合地质调查结果，该拓宽段路基无断层、泥石流等不良地质情况，但土质边坡局部产生了垮塌，且部分区域出现了开裂。为了保证土质路堤边坡稳定，在高路堤坡脚布置抗滑桩进行加固，并对边坡坡面采用浆砌片石、拱形骨架护面墙和喷锚支护进行加固。

2 土质高边坡路堤边坡加固设计

为了提高土质路堤高边坡的稳定性，在路堤坡脚布置抗滑桩进行加固，设计桩长为20m，桩间距5m，截面尺寸为1.5 m×2.0m，共计58根。抗滑桩施工采用人工挖孔桩的施工工艺，桩身混凝土标号为C30，桩顶设置冠梁，混凝土标号也为C30，尺寸为0.8m(高)×1m(宽)，抗滑桩后部设置厚度为0.3m的挡土板，完工后回填填料。抗滑桩可以承受边坡土体滑动产生下滑力，受力情况主要取决于桩身周围土体的变形情况。

抗滑桩后填土分级填筑，每级边坡高度为8m，边坡坡率为1∶1.5，上部边坡采用锚喷支护，锚杆采用Φ25螺纹钢筋，长度为3.5m，间距为2.5m，采用梅花形布置；下部边坡采用拱形骨架护面墙，边坡平台设置排水沟，下部边坡上部设置急流槽。

3 抗滑桩位移模拟分析

运用MIDAS/GTS软件，对该路段土质路堤高边坡的变形情况进行模拟，主要包括边坡水平位移、垂直位移和总位移。该软件模拟降雨工况，选取K254+360～K254+460段作为研究对象，分别对加固后的高边坡变形情况进行模拟，路堤高边坡水平位移、垂直位移和总位移云图如图1～图3所示。

图1 加固后路堤高边坡水平位移云图

图2 加固后路堤高边坡竖直位移云图

图3 加固后路堤高边坡总位移云图

分析图1～图3位移云图，在模拟降雨工况的情况下，路堤边坡加固前水平位移最大值为49.5mm，加固后边坡的水平位移最大值为12.3mm，总体位移下降了75.2%。路堤边坡加固后垂直位移最大值为21.9mm，沉降变形量较大，需要在路堤填筑施工过程中提高填土的压实度，并做好沉降监测。加固前路堤边坡总位移最大值为61.64mm，加固后总位移最大值为24.8mm，总体下降了59.8%。另外，加固后的路堤边坡水平位移由加固前的浅层转移至深层和抗滑桩顶部，且位移量明显下降。

4 土质路堤高边坡加固后变形监测分析

4.1 测点布置

为了确定K254+325.5～K254+612段路基加宽段高边坡变形情况，分析边坡的稳定性。路堤变形监测内容主要包括边坡水平位移、垂直位移、抗滑桩顶位移，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)进行测点布置。路堤变形监测测点布置间距为30m，该测段一共布置11个测点。抗滑桩变形监测测点布置在桩顶，每隔3根桩布置一个测点，共布置20个测点。

4.2 监测方法

垂直位移监测是在土质路堤高边坡桩顶埋设水泥桩，并在高边坡施工影响范围外布置高程起算点，与设计水准点进行联测，并定期复核高程起算点[3]，以保证变形监测的稳定性。垂直位移监测采用电子水准仪，按照国家二级水准测量标准进行观测。

水平位移监测测点布置采用端部刻有十字的钢筋，埋入边坡土层厚使用混凝土固定。水平位移监测方法采用小角度法，后视点选用距离测桩50m的永久性目标，然后通过观测确定各监测点与后视点之间的夹角，通过相邻两次观测的测角差计算确定水平位移。

另外，在技术人员对边坡变形情况进行监测的同时，对边坡坡面和坡顶进行观察，如发现局部有变形破坏的迹象应加强观测。

4.3 监测频率及预警值

采用水准仪对边坡的水平和垂直位移进行监测，前期监测频率为1次/7d，稳定后1次/14d，雨季应适当增加监测频率[4]，如变形速率较大，应适当增加监测频率。抗滑桩桩顶位移采用全站仪监测，监测频率与边坡变形监测相同。

为了对边坡稳定性进行准确评价，需要确定边坡和抗滑桩变形预警值。预警值应根据边坡加固设计方案、模拟分析结果、地质情况和监测等级等因素确定。本项目公路监测等级为一级，当边坡变形达到极限值70%时，抗滑桩变形达到极限值50%时，可认为达到了预警值。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中的相关规定，土质路堤高边坡变形监测极限值为30mm，预警值为21 mm；抗滑桩变形监测极限值为35mm，预警值为17.5mm。

4.4 边坡变形监测结果分析

选取K254+360～K254+460段为研究对象，选取有代表性的边坡测点和抗滑桩测点进行分析。选取K254+405.5断面处的边坡位移测点监测结果进行分析，16#抗滑桩桩顶位移监测结果作为研究对象。

4.4.1土质路堤高边坡变形监测结果分析

通过收集K254+405.5监测断面水平位移和垂直位移监测数据，绘制时间-位移变化曲线如图4所示。

表4 K254+405.5监测断面时间-位移变化曲线

分析图4曲线变化情况，K254+405.5监测断面水平位移前期变化速率较大，后期逐步趋于稳定。水平位移累积达到12.94mm，低于预警值21mm，边坡稳定。与水平位移变化趋势相同，垂直位移也是前期变化速率较高，监测220d以后位移变形速率变小，并逐步趋于稳定。累计垂直位移为5.68mm，远小于预警值21mm，边坡稳定性好。

与上述数值模拟分析结果对比分析，计算得出路堤边坡最大水平位移为12.3mm，与监测结果12.94mm相差5%左右，监测结果与计算结果基本一致。模拟分析计算所得垂直位移最大值为21.9mm，实测值为5.68mm，较计算值下降了74%，这是由于在施工过程中增加了填土的压实度，提高了边坡的稳定性。综合分析边坡水平位移和垂直位移的检测结果，均远小于预警值，路堤边坡处于稳定状态。

4.4.2抗滑桩桩顶位移监测结果分析

收集16#抗滑桩桩顶位移监测数据，绘制累积位移-时间变化曲线如图5所示。

分析图5曲线变化趋势，前期桩顶位移变化速度较快，监测后期变化速度明显下降，在监测365d后基本达到稳定状态。16#抗滑桩桩顶累积位移为9.77mm，远低于设计预警值17.5mm，该处边坡抗滑桩处于稳定状态。结合上述数值模拟计算结果，桩顶最大位移计算值为10.4mm，二者仅相差6%。

图5 16#抗滑桩桩顶累积位移-时间变化曲线

5 结语

结合国道108路基改扩建工程，对土质路堤高边坡进行加固设计，并运用MIDAS/GTS软件，对边坡变形情况进行模拟分析，结合高边坡现场变形监测结果，分析得出以下结论：

(1)通过建立模型进行数值模拟分析，得出土质路堤高边坡加固后变形明显下降，但垂直位移较大，应优化施工工艺，提高路基压实度；

(2)分析边坡变形监测结果，路堤边坡水平位移和垂直位移均小于预警值，说明边坡稳定性良好；

(3)分析抗滑桩变形监测结果，所选抗滑桩桩顶累积位移监测结果为9.77mm，远低于预警值，说明该处边坡抗滑桩处于稳定状态。

综合分析，路堤高边坡水平位移、垂直位移，以及抗滑桩位移均低于设计预警值，说明边坡和抗滑桩稳定性较好。