張 偉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安710043)

0 引 言

高速公路設計中出現(xiàn)的高填方路堤，常見病害主要是由于滑坡、位移造成的公路開裂和沉降，魏斌［1］、彭小云［2］等人對邊坡穩(wěn)定性的影響因素及病害原因進行了分析，魏斌對高填土邊坡穩(wěn)定性采用極限平衡法和有限單元法進行分析，提出高填方邊坡穩(wěn)定性分析采用有限單元法對求得合適的臨界滑裂面位置更加具有優(yōu)勢。彭小云用灰關聯(lián)分析法分析高陡邊坡穩(wěn)定性，認為高陡邊坡的重力和滑動面上的強度參數(shù)是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。呂偉等［3］人通過建立影響邊坡穩(wěn)定性的10 個因素，對影響因素采用Fuzzy AHP 和AHP方法計算權重，認為AHP 方法計算結果精度高。

阿爾及利亞東西高速公路M5 標段(KHEMIS MILIANA-HOCEINIA)共12 處高填方路段，填方最大高度21.5 m，全線為泥質巖，劉德旺等［4］人對泥巖全破壞過程中滲透特性的研究表明，干燥狀態(tài)下泥巖試樣強度較高，隔水性好，遇水后抗壓強度大幅度降低。蘇憶［5］認為在陡坡路段采用加筋土路堤可有效收縮坡腳，減少工程占地，且造價低。耿敏［6］通過土工格柵加筋高填方路堤的沉降觀測和理論計算，認為加筋后的高填方路堤使得巖體的應力重新分布，土體的垂直和水平應力減小，加筋土體抗剪強度增強，可有效增加土體碾壓密實度、土體的抗壓及抗剪強度。且加筋土路堤具有耐久性、可靠性、工程造價低、占地少及抗震能力強等特點，其造價約為擋土墻的40% ～60%，在邊坡工程設計上，具有安全性和經濟性雙重優(yōu)勢。

經對項目地形及地質狀況分析，M5 標段路線大部分走行于CHELEF 盆地北緣及Gountas 低山區(qū)，地形起伏，溝壑縱橫，岡巒起伏，部分路段坡度較大(25%到35%)，根據(jù)地質工程論證［7］及公路邊坡處治技術［8］，考慮對M5 標段高填方路堤邊坡采用加筋土路堤設計方案，以有效實現(xiàn)邊坡防護需求，并減少填方數(shù)量和占地面積，且在地震發(fā)生時，土工布較大的延展性和加強筋的抗拉強度可以有效的防止加筋邊坡的斷裂，有很大的安全性。

1 加筋土路堤幾何設計

1.1 邊坡坡率設計

采用的加筋土路堤設計方法旨在使邊坡坡率達到1H/1V，采用的坡度為18 至33%，平均約為25%.在設計時，設計的一級邊坡采用3H/2V 的坡率，邊坡最大高度為5.5 m［8-9］。二級和三級加筋土路堤邊坡采用1H/1V 的坡率，對于高填方路段，每8 m 高設置一個2 m 寬的過渡平臺。

1.2 加強筋設計

加強筋的垂直間距一般為0.20 m 至0.8 m 之間，以便保持加強路堤合成材料的特性。筋體sv/Hm最大相對間距根據(jù)Linf/Hm比例計算令X=Linf/Hm，其結果見表1.

表1 根據(jù)Linf/Hm 比例計算的最大相對間距［8］Tab.1 Maximum relative spacing of calculation according to Linf/Hm ratio

設計中，需保證下部邊坡的L =14 m，中間邊坡為10 m;設定的垂直間距將是sv=0.3 到0.6 m.

1.3 土工布布置設計

設計中對坡率為1H/1V 的邊坡所采用的加強土工布由聚脂加強筋網和二維(Bidim)無紡布組合而成，抗拉強度為Tr= 190 kN/ml，延伸率為11.5%，垂直間距為0.6 m. 高強土工布的布置按照《NFP94 -220 規(guī)范》［7］要求，加強材料橫向寬度一般約為平均力學高度的0.7 倍，對低于平均力學高度0.7 倍的路段，坡腳橫向寬度不低于平均力學高度的0.4 倍，平均橫向寬度不低于平均力學高度的0.5 倍，且對路堤各個部位進行計算和驗證其整體穩(wěn)定性。本設計中，所采用的:二級邊坡采用長10 m 的土工布加強;三級邊坡采用長14 m 的土工布加強。

1.4 邊坡加強設計

加強式路堤設計時需考慮各部分的安全系數(shù)，根據(jù)歐洲規(guī)范的方法利用ELU 進行計算［8］，并考慮應力以及土質、填料和土工布的部分系數(shù)。在加筋土路堤的設計時，應保證臺階底部排水層的材料、邊坡底部護腳換填的天然砂礫、邊坡坡腳底部填筑的滲水材料、PVC 管的封閉層材料以及盲溝碎石等符合CCTP 第B3.6.2.5 款的規(guī)定。

應力組合方法上考慮的加權系數(shù)見表2.

根據(jù)法國安全要求標準(NFP94 - 270)規(guī)范［10］，土工布需考慮力學破壞系數(shù)、蠕變系數(shù)、化學漸變系數(shù)以及由γM，t 特有拉力表示的強度系數(shù)，并對加筋土構造物土工布各個部分進行結構性抗拉強度檢驗。

表2 應力的部分加權系數(shù)［8］Tab.2 Part of the weighted coefficient of force

2 穩(wěn)定性計算

邊坡穩(wěn)定性分析采用簡化的Bishop 法，稱為畢肖甫條分法［8］，是一種考慮條塊間側面的土坡穩(wěn)定性分析方法。其邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)應符合CCTP 要求［10］，本項目邊坡加強采用抗拉強度為190 kN/mL 的土工布，土工布最大拉力變形11.5%.穩(wěn)定性計算系根據(jù)歐洲規(guī)范方法所要求的TALREN4 軟件進行。根據(jù)NF P 94 -270 規(guī)范確定土工布部分安全系數(shù):力學坡壞系數(shù)ρend=0.4，蠕變系數(shù)ρflu=1/3，化學漸變系數(shù)ρdég= 0.83;土壤參數(shù)及與土工布的相互作用所需考慮的部分安全系數(shù):土壤容重γ mγ = 1.00，土壤摩擦角切線γmφγ=1.45，黏結力γmφγ =1.85. 應力組合系數(shù)見表2.

考慮各項安全系數(shù)后，邊坡的內部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗算的總安全系數(shù)根據(jù)CCTP 確定，一般工況下邊坡的內部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗算安全系數(shù)為F≥1，在地震力的偶然荷載工況下總安全系數(shù)為F≥1.2，為更好的說明加筋土路堤的安全性，分別對未設置和設置土工布后的安全系數(shù)進行了驗算［11-12］。

2.1 未設土工布時的安全系數(shù)

在未設置土工布時，對1H/1V 未加筋陡峭邊坡(原始邊坡)的填方分析結果如圖1 所示。

圖1 未設置土工布時的內部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.1 Internal stability and overall stability without setting the geotextile

圖1 分析結果可知，未設置土工布時，邊坡內部穩(wěn)定性取最小值0.75 和總體穩(wěn)定性取最小值0.83 時，填方邊坡的安全系數(shù)均不能滿足要求，因此，1H/1V 邊坡不設置土工布時，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

2.2 設置土工布后的安全系數(shù)

在利用Tr=190 kN/m 土工布方法加強，計算隔柵垂直間距為0.6 m.基本組合和偶然組合2 種情況下的穩(wěn)定性分析結果如圖3 ～圖6 所示。

以上組合計算的安全系數(shù)表明:采用抗拉強度Tr=190 kN/m，間距0.6 m 的土工布加強后，邊坡的穩(wěn)定性滿足使用要求［13］。

2.3 驗證方法

采用的驗證方法是針對邊坡出現(xiàn)的滑坡范圍(內部穩(wěn)定性)以及穿透基礎的滑坡范圍(總體穩(wěn)定性)進行合乎規(guī)定的穩(wěn)定性驗算(F≥1)［14-15］。

驗證是在考慮偶然應力地震的情況下進行，在此情況下，在各個地層獲得的地質特征是屬于“短期”數(shù)據(jù)的特征，求得的總安全系數(shù)為F≥1.2.

3 加筋路堤其他相關設計

3.1 填方基底處理

加筋路堤設計的填方處需進行基底處理［11］，由于M5 段泥灰質粘土強度低，安全系數(shù)無法滿足規(guī)范要求，對路基穩(wěn)定性有很大的影響，對此采取了換填土的處理方法，將泥灰質粘土挖除，當自然坡度大于15%時，開挖臺階，臺階的寬度≥5 m，高度約為1 m，臺階具體高度可根據(jù)現(xiàn)場情況適當調整。換填材料依據(jù)GTR(施工技術指導，歐洲規(guī)范)［7］采用分類為C1B1 或C1B2 類填料(相當于中國規(guī)范的碎石類土)進行填筑。經對項目沿線材料調查，對填方基底的表層泥灰質粘土清除換填為來自PK11 的2 號借土場的材料進行填方，該種填料為富含紅色砂礫的第四紀沉積土，等級為C1A1 至C1A2，滿足規(guī)范要求［2］。

圖2 2 種基本組合的內部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.2 Internal stability and overall stability of two basic combination

圖3 2 種偶然組合的內部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.3 Internal stability and overall stability of two kinds of accidental combination

3.2 邊坡坡腳的處理

對原始地面清表開挖臺階后，為更好保證路基穩(wěn)定性［11］，需對邊坡坡腳下開挖設置坡腳加強基礎。設計中針對設計段具有較厚泥灰質粘土情況進行分析，采用在坡腳設置腳墻基礎或砌石基礎無法提供足夠的抗滑力，將坡腳設置為6 m 寬，基礎由壓實的天然砂礫構成，以便擁有足夠的抗滑力應對可能出現(xiàn)的滑坡，基礎深度至密實的泥灰?guī)r層(如圖4)。在風化層局部厚度較大的情況下，在基礎下增設混凝土楔子(如圖5)，楔子由加強基礎底部深入至密實的泥灰?guī)r層［16］。

圖4 邊坡坡腳下開挖設置坡腳加強基礎布置圖Fig.4 Strengthening base layout slope foot toe excavation

圖5 風化層局部厚度較大邊坡基礎下增設混凝土楔子布置圖Fig.5 Additional concrete wedge layout of large base slope with regolith local thickness

3.3 排水系統(tǒng)設計

經對設計段調查，干旱季節(jié)存在開挖的基底和路塹基巖裂隙水滲出現(xiàn)象，因項目段泥灰?guī)r及泥灰質土對水具有極大敏感性，設計中需考慮基底排水設計［10］(如圖6)，挖除泥灰質黏土層后［17］，在路堤下游一半位置的臺階底部設置30 cm 天然砂礫排水層，沿線路縱向每隔20 至50 m設置一道橫向盲溝，路堤坡腳下護腳內設置集水管集中排放盲溝水，在上方側用粘土封閉路堤坡腳，設置排水溝攔截上方來水以免下滲，形成一個完整的排水系統(tǒng)，達到加筋土路堤最佳排水效果。

排水系統(tǒng)使用的土工布應符合CCTP 第B 2.14.3.4 款的規(guī)定［7］。臺階底部排水層的材料、邊坡底部護腳位置用于換填的天然砂礫、邊坡坡腳底部填筑的滲水材料、PVC 管的封閉層材料以及盲溝碎石等［19-20］，均應符合CCTP 第B 3.6.2.5款的規(guī)定［7］。上方側填方坡腳的封閉黏土應符合CCTP 第B 6.7.4 款的規(guī)定。

圖6 加筋土路堤排水系統(tǒng)設計圖Fig.6 Reinforced embankment drainage system design

4 結 論

鑒于M5 標段高填方路堤、泥灰質巖土地質及該段無法采用擋土墻的特殊情況，提出采用加筋土路堤設計。研究從邊坡坡率、加強筋、土工布布置及邊坡加強3 個方面對加筋土路堤進行了幾何設計，提出對于高填方路段，每8 m 高設置一個2 m 寬的過渡平臺，且需保證下部邊坡的加強筋間距L=14 m，中間邊坡為10 m，筋體設定的垂直間距將是sv=0.3 到0.6 m，設計的二級邊坡采用長10 m 的土工布加強，三級邊坡采用長14 m 的土工布加強。對加筋土路堤的邊坡分析采用簡化的Bishop 法，通過對土工布各項安全系數(shù)的考慮，根據(jù)CCTP 確定了邊坡的內部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗算的總安全系數(shù)為:一般工況下為F≥1，地震力的偶然荷載工況下為F≥1.2，并分別對未設置和設置土工布后的安全系數(shù)進行了驗算，分析證明采用土工布后的穩(wěn)定性滿足設計要求。在通車六年時間里，設置加筋土路堤路段的排水效果良好，沉降數(shù)據(jù)觀測結果滿足規(guī)范要求，實踐證明，通過采用加筋土路堤設計可有效收縮坡腳，降低工程造價，提高高路堤邊坡的穩(wěn)定性，且證明高強度土工布的加筋土路堤對泥灰?guī)r及泥灰質粘土高填方邊坡的處理措施是合理有效的，設計方法對國內外類似地質條件的工程設計具有一定的借鑒意義。

References

［1］ 魏 斌，王敏強.高填土路堤邊坡失穩(wěn)機理及加固措施比選［J］.武漢大學學報:工學版，2010，43(3):366-369.WEI Bin，Wang Min-qiang. Study of mechanism of destabilization and reinforcement of slopes in high filling embankments［J］.Engineering Journal of Wuhan Uniersity，2010，43(3):366 -369.

［2］ 彭小云，張 婷，秦 龍.高陡邊坡穩(wěn)定性的影響因素分析［J］. 西北建筑工程學院學報:自然科學版，2002，19(3):14 -17.PENG Xiao-yun，ZHANG Ting，QIN Long. Analysis of influencing factors for the stability of high and steep slope［J］.Journal of Northwestern Institute of Architectural Engineering:Natural Science Edition，2002，19(3):14 -17.

［3］ 呂 偉，胡榮華.邊坡穩(wěn)定性的Fuzzy AHP 和AHP 對比研究［J］.西安科技大學學報，2013，33(3):307 -312.LV Wei，HU Rong-hua. Comparison research of Fuzzy AHP and AHP for slope stability［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(3):307-312.

［4］ 劉德旺，劉 洋，趙春虎.泥巖全破壞過程中滲透特性試驗研究［J］.西安科技大學學報，2015，35(1):78-82.LIU De-wang，LIU Yang，ZHAO Chun-hu.Experimental study on the characteristics of permeability in the all failure process of mudstone［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35(1):78 -82.

［5］ 蘇 憶.泥灰?guī)r底層上的加筋土路堤設計［J］. 甘肅科技，2011，27(14):112 -114.SU Yi. Reinforced embankment on marl underlying design［J］. GanSu Science and Technology，2011，27(14):112 -114.

［6］ 耿 敏.土工格柵加筋高填方路堤變形與穩(wěn)定性研究［D］.天津:河北工業(yè)大學，2013.GENG Min. Study on the deformation and stability of geogrid reinforced high embankment［D］.Tianjin:Hebei Uniersity of Technology，2013.

［7］ Pr NF P 94 -270 -V1/070514 地質工程的論證［S］.巴黎:法國標準化協(xié)會(AFNOR)，2007.Pr NF P 94 -270 -V1/070514 demonstration of geological engineering［S］. Paris:French Association for Standardization(AFNOR)，2007.

［8］ 郭長慶，梁勇旗，魏 進，等. 公路邊坡處治技術［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.GUO Chang-qing，LIANG Yong-qi，WEI Jin，et al.Highway slope treatment technology［M］. Beijing:Chinese Architectural ＆ Building Press，2007.

［9］ 陳建兵，劉志云，金 龍.青藏公路凍土路基最大設計高度研究［J］. 西安科技大學學報，2012，32(2):198 -203.CHEN Jian-bing，LIU Zhi-yun. JIN Long. Maximum design height of Qinghai-Tibetan highway embankment［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(2):198 -203.

［10］ Terrasol.TALREN 4 -v 1.x C.技術手冊［M］.Terrasol，2005.Terrasol.TALREN 4 -v 1.x C.Technical manual［M］.Terrasol，2005.

［11］交通部公路科學研究院.JTJ E40 -2007 公路土工試驗規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2007.Research Institute of Highway Ministry.JTJ E40 -2007 test methods of soils for highway engineering［S］. Beijing:People’s Communications Press，2007.

［12］交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊［M］.北京:人民交通出版社，1996.Second Highway Survey and Design Institute of the Ministry of Communications. Highway design manual［M］.Beijing:People’s Communications Press，1996.

［13］劉慶雪，劉曉玲，李 明，等.某煤礦工業(yè)場地黃土高邊坡穩(wěn)定設計分析［J］.西安科技大學學報，2012，32(3):314 -319.LIU Qing-xue，LIU Xiao-ling，LI Ming，et al.The stability analysis of landslide for the site construction of the coal industry［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(3):314 -319.

［14］中交第二公路勘察設計研究院有限公司.公路擋土墻設計與施工技術細則［M］. 北京:人民交通出版社，2008.Second Highway Survey and Design Institute. Technical guidelines for design and construction of highway retaining walls［M］.Beijing:People’s Communications Publishing House，2008.

［15］中交第二公路勘察設計研究院.JTG D30 -2004 公路路基設計規(guī)范［S］北京:人民交通出版社，2004.Second Highway Survey and Design Institute. JTG D30-2004 specifications for design of highway subgrades［S］.Beijing:People’s Communications Press，2004.

［16］龔曉南.地基處理手冊［M］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.GONG Xiao-nan.Ground handling manual［M］.Beijing:Chinese Architectural ＆ Building Press，2008.

［17］魏錦平，邵 軒，牛國良，等.泥巖分層的脆性對底板比壓的影響特征研究［J］.西安科技大學學報，2013，33(6):656 -660.WEI Jin-ping，SHAO Xuan，NIU Guo-liang，et al. Influence of mudstone layer brittleness on floor specific pressure［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(6):656 -660.

［18］王毅紅，賈順利，周 綱，等.混凝土防鹽腐蝕措施的探討［J］. 西安科技大學學報，2014，34(2):163 -168.WANG Yi-hong，JIA Shun-li，ZHOU Gang，et al. Measures of salt corrosion resistance for concrete［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(2):163 -168.

［19］史生志. 土性機理分析及邊坡穩(wěn)定性研究［D］. 杭州:浙江大學，2011.SHI Sheng-zhi. Research of slope stability based on analysis of cohesive soil mechanics［D］. Hangzhou:Zhejiang University，2011.

［20］李大毛.加筋土路堤整體穩(wěn)定可靠度影響因素分析［J］.山西建筑，2010，36(25):269 -270.LI Da-mao.Analyze to reliability of the overall stability of reinforced embankment influencing factors［J］.Shanxi Building Magazine，2010，36(25):269 -270.