公路高填方加筋路堤设计探讨

文章编号：０４５１－０７１２（２０１３）０８－０２０７－０３中图分类号：Ｕ４１６１２文献标识码：Ｂ公路高填方加筋路堤设计探讨林（山西省交通规划勘察设计院太原市０３００１２）摘要：以太原至佳县高速公路填方高边坡路基为依托，对加筋路基的设计过程进行了全面分析。为保证高填方路堤稳定，提出了必要的工程措施，供相关设计人员借鉴和参考。关键词：加筋路堤；高填方；边坡太原至佳县高速公路（以下简称太佳高速公路）地处山西省吕梁黄土地区，地形起伏大，地貌以黄土塬、冲沟为主，沟深坡陡，沟多呈“Ｖ”字形状。由于特殊的地形条件，路基高填方、深挖方段落较长、规模较大，为了降低工程造价，保证填方路基稳定，填方路基的型式选择显得非常重要。现结合太佳高速公路路基设计过程，对加筋路堤的设计和应用进行探讨，供业界内同行参考。１项目概况太佳高速公路位于山西省西部，横穿吕梁山脉中西翼，地势整体上由东向西倾斜。由于河流侵蚀切割和构造剥蚀，地形起伏较大，最高点位于路线起点宋家沟村南的八肖则，海拔高程１３９９２０ｍ，最低点位于项目Ｋ２０８＋９００左侧１５０ｍ处的南河河谷，海拔高程７６０００ｍ，相对高差６３９２０ｍ。沿线除跨湫水河河谷段地势比较平坦外，其余段落地形均较为复杂，沟壑纵横，破碎，切割剧烈，“Ｖ”字形沟谷发育，密度达７～９条／公里，边坡陡峻。根据沿线地表形态特征及其成因类型，将该项目区划分为黄土覆盖梁峁区、河谷平原区、山间河谷区和黄土覆盖低山区４种地貌单元。太佳高速公路全长６４２５ｋｍ，其中桥梁长度为１２１０９ｋｍ，所占比例为１８８５％；隧道长度为１３７０３ｋｍ，所占比例为２１３３％；桥隧比例合计为 ４０１８％。而高填方共有６９段，长度３６６８ｋｍ，中心填土高度最大为４９３７ｍ，单侧填方边坡高度接近６０ｍ，平均每公里有１０７段，长５７１ｍ，高填方段落和长度所占比重之大，是山西省高速公路建设过程中前所未见的。２路基方案比选论证２１比选原则《公路路基设计规范》（ＪＴＧＤ３０—２００４）第１０７条规定对路基填挖高度进行了相关的限制：“路基设计宜避免高路堤与深路堑。当路基中心填方高度超过２０ｍ、中心挖方深度超过３０ｍ时，宜结合路线方案与桥梁、隧道等构造物或分离式路基作方案比选”［１］。对超过２０ｍ的路堤界定为高路堤，要求对高路堤做特殊设计，并从技术、经济、环境保护等方面进行方案比选。《新理念?公路设计指南》（２００５版）中提出了“不破坏是最大的保护”的设计理念［２］，路基填方高度指标的控制原则为路基中心填方高度一般情况下不应大于２０ｍ。当填方高度大于２０ｍ时，原则上采用桥梁。在地形复杂的狭窄沟谷地带，当路基弃方数量较大，且难以选定较为合适的弃土场地时，采本文档由土工网www.tugong8.com整理，如有侵权请联系删除。www.tggs.com.cn 取切实可行的工程措施，在保证路基稳定，消除路基不均匀沉降变形，并对周围环境景观不产生影响的前提下，选用高路堤方案或新的技术、工艺、材料等方案就显得很有必要。２２方案比选２２１采用桥梁方案可以避免对周围环境和景观的破坏、节约土地，使得项目与周围的环境和景观融为一体，但是造价相对较高。２２２采用高填方路堤方案当项目处于山区，桥梁的施工场地狭窄，施工机械就位作业困难，施工难度较大，存在一定的操作安全风险时；桥梁预制场地狭小，严重影响施工工期时；废方量远大于填方量时，工程很难做到填挖平衡，考虑到弃土场占地和场地处理，以及桥头填高等控制因素，当沿线弃方数量巨大，弃土位置难以选择时；采取高填路基在确保路基稳定，且对沿线环境和景观影响较小的前提下，通过提高路基压实度，采用高路堤方案，可以减少弃方量及弃方占地，进而降低总的工程造价。但是，由于高填路堤边坡高度大、坡率缓，迎水面积大，引起坡面冲刷、毁坏的概率也较大，坡面的冲洪积物对周围的环境也可能造成不良影响，同时由于该方案对基底的承载力要求较高，路基按规定的压实度进行压实后，仍然会存在一定的不均匀沉降和残余变形，以致影响路面的平整度。２２３采用重力式挡土墙＋高填路堤方案由于受到挡土墙墙高一般不应超过１２ｍ，否则将不够经济或产生安全隐患的制约，故其功能作用与高填方路堤方案差别不大，较为明显的是可以增加坡体的整体稳定性并可收缩坡脚，减少压占河道或农田及原有道路等。２２４加筋路堤边坡方案在高路堤的基础上，采用新型的加筋材料，通过在填料中进行加筋，从而改变土体受力模式和各向同性的性质，使得边坡稳定性增强、破坏模式改变，进而有效收缩坡体，明显减少土地占用、减少压占河道或原有道路等。从而在满足工程需求的同时与环境等达成完美的和谐与统一。综上所述，本着全寿命周期成本的设计理念，一方面考虑工程建设有关的成本、施工工期、存在的安全风险等因素；另一方面又考虑工程建成后运营期间，产生病害所增加的养护工作和费用以及因此造成的运营效益的损失；同时考虑对环境景观的影响及整个社会效益。加筋路堤边坡方案具有填料范围广泛，技术简单，施工方便，施工进度快，工期短；柔性结构，抗震性能优越；能有效的防止边坡滑移、不均匀沉降，减少路面维修费用；节约土地，有效利用工程弃土，保护生态环境；降低工程造价，与桥梁方案相比造价可节省１５％～３０％；施工时及运营过程中对环境的影响小，其综合效益十分显著。因此，结合项目的地形、地质和工程实际情况，选用新技术、新工艺、新材料的加筋路堤边坡方案很有必要。３加筋路堤的设计加筋路堤根据其所处位置及路堤高度选定边坡设计坡率以后，主要是确定土工格栅的层数及长度。土工格栅的铺设层数、铺设范围由加筋路堤的稳定性及土工格栅的锚固长度计算确定。３１计算理论和方法目前常用的计算方法是极限平衡法和强度折减法，其中极限平衡法是各个规范中的推荐方法，比如 Ｂｉｓｈｏｐ法、瑞典条分法等。本项目路堤稳定性采用路基规范规定的简化Ｂｉｓｈｏｐ法进行计算，安全系数取１３５；处于陡坡路堤中的加筋路堤除计算堤身的稳定性外，还需计算坡体沿斜坡地基的稳定性，按路基规范采用不平衡推力法计算分析，安全系数取１３。 ３２坡体稳定性计算分析本文档由土工网www.tugong8.com整理，如有侵权请联系删除。www.tggs.com.cn 在确定了计算方法之后，本项目计算采用ＴｅｎｓａｒＳｌｏｐｅ程序进行计算，加筋材料均采用单向的土工格栅。相应的土工格栅蠕变强度、抗拉强度参照坦萨公司生产的土工格栅的强度指标。计算时采用的格栅强度是以其长期蠕变强度为基础，同时综合考虑其施工时的影响系数以及环境的影响系数等进行相关的修正。当加筋土体整体稳定性不满足要求时，应调整铺设方式、加筋层间距、层数，或重新选定加筋材料，再进行稳定系数最小值计算，直到稳定性满足要求为止。当路堤下地基是浅层软弱土层，或相对于路堤荷载浅层地基土强度较低时，将发生加筋路堤与软土层沿下卧硬土层顶面滑动，或软土层侧向挤出滑动，则需验算加筋路堤平面滑动稳定性。本项目路堤下地基非软弱土层，故未进行平面稳定性验算。３３设计结果根据以上计算程序并综合考虑施工的方便性，确定本项目加筋路堤结构型式为：一般情况下，加筋路堤边坡采用１∶１，如受地形限制时，边坡放陡至１∶０７５。当填土高度小于等于１２ｍ时，路堤边坡不设平台；填土高度大于１２ｍ时，路堤边坡每１０ｍ高设２ｍ宽平台一处。加筋材料采用聚乙烯或高密度聚乙烯单向土工格栅，要求其抗拉强度大于８０ｋＮ／ｍ。土工格栅沿坡高层层水平铺设，竖向间隔为０５ｍ，水平长度为８０ｍ；沿高度方向每隔２ｍ设一道加强筋，长度为１５ｍ，如遇天然坡面，要求加强筋锚入原地面不小于５ｍ。为了保证路堤排水良好，避免土工格栅受不良化学物质的侵蚀，不可直接把土工格栅铺在原地基上。填筑路堤时应在原地表设置３０ｃｍ的砂砾垫层，再铺设土工格栅。根据现行公路规范要求，土工合成材料加筋的路堤，其边坡必须进行适当的防护并首选植物防护。当采用植草防护时，边坡草皮的覆盖率不得低于‘本文档由土工网www.tugong8.com整理，如有侵权请联系删除。www.tggs.com.cn ８５％。本项目边坡采用拱型骨架内种草（灌木）防护和采用三维网植草防护。对于边坡坡出较远，压占河道或原有道路时，上部采用加筋路堤，下部采用挡土墙或护脚收缩坡脚。一方面可减少占地和防止压占河道等，同时坡脚设挡墙或护脚也增加了坡体的整体稳定性；另一方面，挡墙墙后采用砂砾或不易风化的岩石碎块、石渣填 筑，可提高路堤堤身的Ｃ、值等计算参数指标，增 φ 强堤身稳定性。加筋路堤方案和措施见图１所示。３４加筋路堤设计中涉及的主要技术问题及其解决措施。３４１地基压实度本项目地基为湿陷性黄土，地基除自身有一定的湿陷性外，同时还承受上部填土的土压力，按规定正常压实后，仍有一定的沉降和变形。为解决地基沉降问题，设计对高填路段采用了强夯处理，夯击能不小于２０００ｋＮ?ｍ。施工时一般采用第一、二遍沉降量，路堤两侧加宽填筑的措施，预留沉降量一般为路堤高度的１％左右，加宽填筑路基是在路基每侧加宽１０ｍ后填筑压实，工程填筑完成后，坡体防护施工前，将超宽填筑部分予以清除。４实践检验本项目６９段高填方路段中，段采用了加筋２２路堤方案，占全部高填方段落的３１８８％。点夯，每遍６～８击；第三遍满夯，夯痕以／搭１４Ｄ接。止夯标准为最后２击的夯沉量不大于。５ｃｍ３４２路堤土体工后沉降变形由于路堤填筑高度较高，同时工期要求较紧，路堤的工后沉降和变形不可避免。为解决以上问题，首先采取提高压实度措施，路堤压实度均需不小于９５％，然后采取路堤顶部预留通车３年来，路基坡体整体稳定，路面平整度良好，未出现明显的不均匀沉降现象。特别是在２０１２年７月２７日－２０１２年８月１日期间，受西南暖湿气流和冷空气的共同影响，太佳高速公路临县段连续４次遭受长时间强烈的特大暴雨袭击，根据气象局统计数据显示，在２０１２年７月２７日：：的降雨７００～１０００中，临县城区３ｈ降雨量达１０６１ｍｍ，临县城西段达本文档由土工网www.tugong8.com整理，如有侵权请联系删除。www.tggs.com.cn 本文档由土工网www.tugong8.com整理，如有侵权请联系删除。www.tggs.com.cn