公路加筋路堤失稳分析及相应处治措施

周金霞

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

0 引言

高速公路建设对国家科研发展起着巨大推动作用，随着发展步伐的加快，高速公路建设越来越多的项目要在山区、丘陵区修筑，高边坡、软基等难度较大的工程问题也频频遇到。而加筋土路堤因占地面积少、材料消耗低、施工工期短、可承受较大的变形、抗震性能良好等优点逐渐被山区高速公路工程接受。（加筋土是一种在土中加入加筋材料而形成的复合土。在土中加入加筋材料可以提高土的强度，增强土体的稳定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整个土工系统的力学性能得到改善和提高的土工加固方法均称为土工加筋技术，形成的结构亦称之为加筋土结构。）同时也带来路基失稳新的问题，加筋路堤失稳包括内部稳定破坏与外部稳定破坏两种模式[1]。外部稳定破坏包括平面滑动破坏、深层滑动破坏、局部承载破坏（侧向挤出破坏）及过量沉降4种形式，如图1～图4所示，本文通过对加筋土路堤稳定计算[2]及结合工程地质条件分析得出此段路堤失稳的原因，且给出处置措施及处治结果。

图1 平面滑动破坏

图2 深层滑动破坏

图3 局部承载破坏（侧向挤出破坏）

图4 过量沉降

1 工程地质条件及评价

1.1 地形、地貌

项目位于黄土丘陵区，微地貌为黄土梁、塬、冲沟及陡坎，整体地形北高南低变化较大，地势较高。

1.2 地层时代、成因及岩性特征

经地质调查及钻探资料揭示，勘察区地层主要由第四系全新统人工填土（Q4me）及中更新统冲洪积物（Q2al+pl）粉土、粉质黏土组成。Q4me人工填土为杂填土，杂色，结构疏松，土质不均，多含碎石、砖块等建筑垃圾。ZK2中3.9 m以上为建筑垃圾构成，结构松散，稍湿状态，粒径2～6 cm。Q2al+pl地层以粉土为主，局部沉积粉质黏土，呈坚密状分布。粉土，褐黄色，中密结构，稍湿状态，含菌丝及钙质结核，其特征：结构疏松，具大孔隙，亲水性强，随着含水量的增加，易软化，强度显著下降，固结性差。粉质黏土，褐黄—红褐色，坚硬状态，含菌丝及钙质结核。勘察期间未见地表水，钻探深度范围内亦未发现地下水。

场地位于吕梁—太行断块之吕梁块隆的次级构造单元离石—中阳菱形复向斜，是历史地震活动相对较弱的地区。自有记录以来，仅在1829年4月发生5.25级地震1次，危害程度较轻。

2 经计算及地质条件分析得出破坏原因

2.1 加筋路堤计算

路基加筋土工合成材料设计计算抗拉强度Ta。

填料及地基抗剪强度参数c、φ值，加筋土材料与土接触的界面阻力系数fGS均应由试验获得。界面摩擦系数为0.9。

筋材料的竖向层间距为100 cm，大于一层填土最小压实厚度。同时设置辅筋，辅筋层间距200 cm，长度4.0 m，路堤计算简图见图5。

图5 路堤计算简图

本项目采用通用规范方法，具体为圆弧稳定分析方法中简化Bishop法[3]，计算目标为安全系数计算，滑裂面形状为圆弧滑动法，同时不考虑地震。土条重切向分力与滑动方向反向时当下滑力对待，稳定计算目标是自动搜索最危险滑裂面。条分法的土条宽度为1 m，搜索时的圆心步长为1 m，搜索时的半径步长为0.5 m。

计算结果为最不利滑动面滑动圆心坐标在(0.240，28.253)m，滑动半径等于28.254 m，滑动安全系数Fsu为1.292，筋材总拉力Ts作用的力臂，m；D等于28.254。

采用上述结果进一步计算得：

式中：Wi为土条i的重力，kN/m;Qi为作用于i土条竖直方向的外力，kN/m，如车辆荷载等;R为滑弧半径，m；αi为土条i底滑面与水平面的倾角，（°）。

得知筋材总拉力Ts：

式中：Fs为要求达到的稳定安全系数；Fsu为未加筋时路堤圆弧滑动破坏的稳定系数；D为筋材总拉力Ts作用的力臂，m；Md为滑动力矩，kN。

第j层筋材所受拉力Tj为：

式中：Tz为 1 个区域布置时，Tz=Tsmax；Rc为加筋覆盖率，土工格栅Rc=1；Hz为加筋区域高度，m；Sv为加筋区域筋材竖向间距，m；Ta为筋材设计计算抗拉强度，kN/m。

堤身稳定性、地基与堤身整体稳定性系数为Fc：

各层锚固长度Le为：

式中：fGS为抗拔出阻力系数1.11；α为考虑筋材与土相互作用的非线性分布效应系数，土工格栅0.8；δ'V为筋土交界面的有效正应力；Rc为加筋覆盖率，对土工格栅和土工织物为1；Fe为筋材抗拔出的稳定安全系数，对粒料土为1.5，对黏性土为2.0。

最终得出加筋土路堤的稳定系数：

经上述计算可知本段加筋土挡墙不会发生内部稳定破坏。

2.2 地质条件分析

本段路堤地质条件简图见图6。

图6 路堤地质条件简图

将本段路堤地质条件简图与图3相比较得出本段加筋土挡墙失稳破坏形式为局部承载破坏（侧向挤出破坏）。

3 处治方案及处治结果监测

3.1 处治方案

经过对抗滑桩与填土反压2个方案计算，并结合拆迁占地等相应情况分析对比，最终选择填土反压处治方案，方案模型见图7。

图7 填土反压处治方案模型图

3.2 处治结果监控量测

在公路工程中，监控量测已成为不可替代的辅助措施。其不只能为科学研究提供第一手现场资料，而且也为施工与反馈设计提供了宝贵的参考信息，为工程安全、迅捷的建设提供有效的保障作用[4]。

本项目监控量测的最终目的就是为了及时掌握路堤边坡动态变化，依据工程特点布设10处观测点布设要求为：a）测站点位置在路基影响范围外围稳定地段布设；b）测站点、测点设置应设立混凝土桩，防止测桩遭受自然或人为因素破坏；c）监测频率1天1次；d）测量仪器选择为仪器可靠性和稳定性好、仪器有能与路基地基变形相适应的足够的量测精度，仪器的灵敏度高，仪器具有与环境相适应的性能；e）测量误差：点位误差要求不超过±5.4 mm，水准测量每公里中误差不超过±3.0 mm。

检测数据结果处理见图8，由数据显示可知边坡经填土反压处治后各个测点在15 d内趋于稳定，变化速率逐渐趋于0.0 m/日。且经过一年的连续观测边坡未发生失稳的迹象，由此可知设计施工方案可行且合理。

图8 观测数据结果处理图

4 结论

a）减少山区公路路堤失稳的主要措施是要充分做好前期地质调查工作，调查工作做得越详细、越具体，在设计中才越有针对性，从而避免许多设计上的差错。

b)当路基出现失稳滑塌之后应快速查找原因，对症下药，及时做出应对措施和准确的施工方案。同时在施工上应严格按设计要求进行施工和监控，将损失降至最低。

c）加筋土路堤破坏形式有别于普通路堤，设计时应充分考虑两者的差异性，做好充分的准备工作，尽量避免后期变更。