山区高速公路高填斜陡路堤稳定性研究

第37卷，第3期公路工程Vo1．37．NI、．32012年6月HighwayEngineering山区高速公路高填斜陡路堤稳定性研究梁志勇(广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州510507)[摘要】高填斜陡路堤是山区高速公路最常见的断面型式之一，也是山区高速公路路基设计与施工的难点之一，但《设计规范》⋯仅对其稳定性系数给出取值范围，并未详细阐述影响高填斜陡路堤稳定性的因素关系。本文结合工程实际，基于室内试验和模拟计算，研究了高填斜陡路堤稳定性的影响因素及其变化规律，研究成果表明：路堤填土的选择、路堤断面型式的选择、地面台阶的开挖、地面横坡和路堤坡脚处渗水等均对其稳定性影响很大，研究成果对工程设计和施工具有重要的参考价值。[关键词】道路工程；山区高速公路；高填斜陡路堤；稳定系数[中图分类号]U416．I2[文献标识码】A[文章编号】1674—0610(2012)03—0085—04TheResearchoftheStabilityofHighFilledSteepEmbankmentofMountainHighwayLIANGZhiYong(GuangdonghighwaydesigninstituteCo．，Ltd．Guangzhou，Guangdong510507，China)[Abstract]Highfilledsteepembankmentisoneofthemostcommonsectionstyleofmountainhighway，isalsooneofthedifficultyofthesubgrade’Sdesignandconstructionofmountainhighway．ButTheSpecifcationoftheDesnofHighwayEmbankmentjustgavearangetothecoefficientofstabilityofit，don’telaborateindetailthefactorrelationsthataffectingthestabilityofhighfilledsteepembank-ment．Tocombinethepracticeofengineering，andbebasedonlaboratorytestandsimulationcalcula-tion，thisarticleresearchestheinfluencingfactorsandvariationofthestabilityofhighfilledsteepem-bankment．Theresultofthisresearchis：thechoiceofembankment’Smud，theexcavationofnaturalslopestep，thechoiceofsectionstyleofembankment，Lateralslopeofgroundandtheseepageofthefootoftheslopeallhasagreatimpacttothestabilityofhighfilledsteepembankment．Theresultofthisre‘searchhasaveryimportantreferencevaluetothedesignandconstructionofengineering．[Keywords]CivilEngineering；MountainHighway；HighFilledSteepEmbankment；TheCoeffi-cientofStability响到山区高速公路的建设质量和服务水平，导致在1概述公路建设及养护期间花费大量的人力和财力进行处近年来，随着我国高速公路的发展，高速公路已治，在公路运营期，还将严重阻碍交通，同时破坏环大规模进入山区，而山区高速公路的修建，不可避免境景观和生态平衡，给国家和人民经济造成巨大损会遇到大量的高填斜陡路堤。尽管我国山区高速公失。高填斜陡路堤的稳定性问题已成为制约和阻碍路的建设已有20a的历史，但山区高速高填斜陡路山区高速公路进一步发展的主要因素之一，受到工堤的稳定性一直是没有研究解决好的问题，许多已程技术人员的普遍关注。建和在建高速公路均不同程度地出现了破坏。从对尽管《设计规范》⋯涉及了高填路堤和斜陡坡调查的高速公路情况看，高填斜陡路堤破坏主要表路堤的设计，也提出了其各工况下的稳定系数，但并现在失稳和不均匀沉降两个方面，施工期间路堤的未详细阐述影响稳定系数的内在因素。因此，本文整体失稳和公路建成后路堤的不均匀沉降已严重影结合工程实际，在内室实验和模型计算基础上，分析[收稿日期】2012—03—10【作者简介]梁志勇(1973一)，男，湖南邵阳人，工程硕士，高级工程师，主要从事公路总体设计、立交设计、路基设计。 86公路工程37卷路堤填土、路堤断面型式、地面台阶开挖、地面横坡山区高速公路高填斜陡路堤破坏主要表现在失和坡脚渗水等因素对高填斜陡路堤稳定性的影响，稳和不均匀沉降两个方面。失稳主要表现为路基的并得出其变化规律加。整体沉陷或塌陷，该情况一般在施工期间发生；不均匀沉降表现为局部塌陷和路面严重的不平整，一般发2高填斜陡路堤破坏现象及原因分析生在建成通车后几年。从调查的高速公路情况来看，2．1高填斜陡路堤破坏现象山区高速公路高填斜陡路堤常规破坏现象见表1。表1高填斜陡路堤破坏现象表FailurephenomenaofHighfilledsteepembankment破坏现象备注路基塌陷最严重，一般施工期间发生路基侧移较严重，一般施工期间和建成通车后发生填挖交界路面横向裂缝和纵向裂缝严重，一般建成通车后发生路面坑洼不平整轻微，一般建成通车后发生2．2高填斜陡路堤破坏成因分析3高填斜陡路堤稳定性因素分析高填斜陡路堤的破坏现象多种多样，引起破坏的原因也是多方面的，除地质条件等外在因素外，还3．1路堤填料因素的影响有很多我们设计和施工中重视不够引起的，主要有路堤填料强度是影响路堤稳定性的最直接因以下几个方面：素，为分析路堤填料因素的影响，选取9组填料，分①路堤填土强度指标不够。别计算其稳定性，分析强度指标参数c、对路堤稳高填斜陡路堤填料一般应为天然含水量低、易定性的影响，其几何模型和关系曲线图分别见图1压实、强度高的低液限粘土和粘土质砂，但实际施工～图3。中有采用不良填料，而且现行规范和手册中对填料的强度规定不明确，使得设计中对路堤填料的要求也不是很明显，往往在高填斜陡路堤中路堤填料的强度指标达不到要求。②路堤断面型式。一般路基设计中路堤断面型式是合理的，即按图1路堤填料因素影响的几何模型照越来越缓的坡率，一般按照：1：1．5一l：1．75—Figure1theGeometricmodeloftheembankmentfilledfactors1：2坡率变化，且设置2m平台，但第二级边坡开始，坡率设置差别较大，其路堤稳定性差别也较大，不少高填斜陡路堤设计中，路堤边坡坡率设置的不合理，也是路堤失稳的一大原因。③填挖交界处台阶的处理。填挖交界和台阶处理不善所引起的路面板断内摩擦角。(c=35kPa)裂、错台、路面产生裂缝的现象较为普遍。实际设计图2填料内摩擦角西对稳定系数K的影响中较为习惯的做法是在填挖交界处开挖台阶、设置Figure2Packinginnerfrictionangleontheinfluenceofsta—bilitycoefficientK土工合成材料等增大路堤的稳定性，但开挖台阶尺寸大小多样，土工合成材料设置位置等差异性较大，一些台阶尺寸和土工合成材料设置的不合理，是导致路堤破坏的又一大重要因素。④路堤排水系统的设置。水是路堤失稳的最重要因素之一，特别是坡脚凝聚力c／kPaf=15。1位置处的排水尤为重要，较多护脚或挡墙处的排水图3填料凝聚力c对稳定系数K的影响系统不够完善，导致整个路堤填料含水率的变化，路Figure3PackingcohesionContheinfluenceofstabilitycbebficientK堤失稳或沉降严重。 第3期梁志勇：山区高速公路高填斜陡路堤稳定性研究87从图2、图3分析可知：路堤填料强度的变化对路堤稳定性影响较大，路堤稳定系数均随着C、值的增大而增大，其中当凝聚力C=35kPa时，随着内摩擦角从5。一25。变化，其稳定系数随着增大，且均大于1．3，满足规范稳定性要求；当内摩擦角=15。时，凝聚力c只有大于20kPa时，其稳定系数才图6边坡台阶开挖因素影响的几何模型大于1．3，且随着凝聚力的增大，其稳定系数增大明Figure6theGeometricmodeloftheSlopestairsexcavation显，其增大幅度大于内摩擦角变化时的幅度。由factors此可见，在能够满足路堤填料压实度的情况下，路堤填料应尽量采用强度高的填料来填筑。3．2路堤断面形式因素的影响T●●常规高填斜陡路堤设计中，第二级边坡坡率一般取I：1．75和1：2，为分析边坡坡率的变化对路堤稳定性的影响，二级边坡坡率选取1：1．5、1：1．75和1：2，其几何模型和关系曲线图分别见图4和图5。24图7边坡台阶开挖因素影响关系曲线图Figure7therelationcurveoftheSlopestairsexcavationfactors从图7分析可以得到，随着开挖高度h的增大，其路堤的总体稳定性也随着增大；当h大于1m时，其稳定系数增长趋于平稳。从实际施工安全角度考虑，图4边坡坡率因素影响的几何模型Figure4theGeometricmodelofthesloperatefactors开挖高度h若过大，施工过程中有边坡坍塌的危险。因此，在确保台阶开挖本身稳定性的情况下，增大台阶开挖高度有利于路堤稳定。3．4地面横坡因素的影响籁地面横坡是影响高填斜陡路堤稳定性的外在因瓣T●●一素，我们无法改变地形，但若我们清楚认识了地面横坡对路堤稳定性的影响关系，及时采取相应措施，设计完全可以避开地形导致的不利因素。为分析地面横坡因素的影响，横坡角度选取6组值，分别计算其稳定性，其几何模型和关系曲线图分别见图8、图5边坡坡翠因素影响关系曲线图Figure5Therelationcurveofratioofslopefactorsinfluence图9。从图5分析可知：高填斜陡路堤，二级坡率取1：1．5时，其稳定系数小于1．3，随着坡率的增大，其稳定系数也越大，因此，条件允许时尽可能放缓边坡坡度，必要时可采取护脚挡墙等支护措施，以增大路堤的稳定性。3．3边坡台阶开挖因素的影响选取常规台阶开挖高度h=0，0．6，0．8，1，1．2，图8地面横坡因素影响的几何模型Figure8theGeomdtricmodelofGroundcrossslopefactors分别分析其对路堤稳定性的影响，几何模型和关系曲线图分别见图6和图7。从图9分析可知，随着地面横坡变陡，其路堤稳边坡台阶开挖是高填斜陡路堤最常见的处理方定性下降明显，当地面横坡小于l3。时，其稳定系式之一，但台阶开挖高度的设定应根据具体的地形，数均大于1．6，清除表土后可直接填筑；当地面横坡 88公路工程37卷增大，其路堤稳定系数下降明显，当渗流深度日达到1．5m时，其路堤稳定系数开始小于1．3，路堤处于不稳定状态，当渗水深度达到4m时，其路堤完全失稳。因此，高填斜陡路堤应严格控制坡脚处的渗水，若坡脚位置有支挡结构物时，也应完善墙背位置的排水系统，确保坡脚位置处于干燥状态。图9地面横坡因素影响关系曲线图4结语Figure9therelationcurveofGroundcrossslopefactors本文在大量山区高速公路调查的基础上，总结(b介于l3。和l9。时，其稳定系数均大于1．3，但下降了高填斜陡路堤的常规破坏现象，并提出了其破坏趋势显著，且随着地面横坡的增大，边坡坡脚处的内在原因；基于大量的模拟计算，分析了影响高填越单薄，路堤压实度较难保证，因此需开挖台阶或设斜陡路堤稳定性的因素，得出以下结论：置护脚等支挡措施；当地面横坡介于l9。和22。①造成高填斜陡路堤失稳或不均匀沉降的因时，其稳定系数小于1．3，路堤不稳定，应开挖台阶素较多，除受自然地形条件的限制外，较多与路堤填并结合挡土墙或护脚的设置，以确保路堤稳定性；当料强度、台阶开挖尺寸(或土工格栅设置位置)、断地面横坡大于22。时，路堤严重不稳定，此时应考面型式和路基渗水等因素有关。虑挡墙方案和桥梁方案作综合比较，尽量避免于此②路堤填料强度、台阶开挖尺寸、路堤断面型处修筑路堤。式、地面横坡和路基渗水等对高填斜陡路堤的稳定3．5路堤渗水因素的影响性影响较大，根据工程实际情况，适当提高路堤填料水的渗流是导致大部分路堤失稳的最主要原的强度、增大台阶开挖高度、放缓边坡坡度(或采取因，为分析坡脚处水的渗入对路堤稳定性的影响，本护脚挡墙等支护措施)均能提高路堤的稳定性，而文选取渗水深度H：1，2，3，4m，其几何模型和关系水的隔断(尤其是坡脚处水的隔断)则是高填斜陡曲线图分别见图1O和图11。路堤保持稳定的一大保证。【参考文献][1]YrGD30—2004，公路路基设计规范[S]．[2]交通部第二公路勘察设计院．公路路基设计手册[M]．北京：人民交通出版社，1998．[3]陈祖煌．土坡稳定分析通用条分法极其改进[J]．岩土工程学图10渗流深度因素影响的几何模型报，1983，(4)．Figure10theGeometricmodelofSeepagedepthfactors[4]方涛，李跃军．土质斜坡路基上填方路堤稳定性分析研究[J]．中南公路工程，2008，33(3)：120—124．[5]吴宏伟，陈守义．雨水人渗对非饱和土坡稳定性影影响的参数研究[J]．岩土力学，1999．3．[6]王国体．高填土公路路堤的稳定性分析[J]．岩土力学，1999．赣3．删嚣[7]苏永堂．斜坡稳定性不平衡推力分析模式的可靠度计算方法[J]．中南公路工程，2007，32(3)：72—75．[8]邓卫东．高填路堤稳定性研究[D]．西安：长安大学，2003．[9]王志斌，李亮，杨小礼．斜坡地基上填方路堤极限承载力影响因素分析[J]．中南公路工程，2007，32(3)：1—5．图11渗流深度因素影响关系曲线图[10]罗卫华．山区高速公路陡坡上路基稳定性分析方法与治理对Figure11therelationcurveofSeepagedepthfactors策[J]．中南公路工程，2005，30(2)：40—44．从图11分析可知：随着坡脚处水渗流深度的