高速公路高填土路堤沉降与稳定性控制设计探讨

２０１４年第４期　广东公路勘察设计　总第１５６期　高速公路高填土路堤沉降与稳定性控制设计探讨　尹　科　（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广州５１０５０７）　摘要：本文介绍了高速公路高填土路堤设计的复杂性和重要性，从沉降和稳定性两个方面进行分析，依托包　茂高速公路（桂粤界至茂名段）高填土路堤的设计，对高路堤沉降及稳定性控制的设计方法进行了阐述，从基底　处理、堤身设计、堤身材料和压实度、排水和监测等角度综合设计。　关键词：高速公路；高填土路堤；沉降与稳定控制；设计　Ｏ　引言　高速公路进入低缓丘陵、河流谷底，经常遇到　高填深挖路堤，由于挖方量较大，为了合理消化弃　体路堤的稳定性，建议对临近村庄、建筑物等特殊　路段的高填土路段需提高计算稳定系数。同时，　应该采用其他数值分析软件进行验证计算。　另一方面，对于斜坡路堤的稳定性，还应采用　有关规范提出的不平衡推力法，以便进行支挡设　计。在路堤边坡底部设置挡土墙等支挡结构物，　可以增加坡体稳定性，阻止滑体的下滑；也可以设　置抗滑桩，将桩埋人稳定的地层中，依靠桩的锚固　作用来支撑滑动体。　高填土边坡的稳定加固主要有丽种方法：１）　利用外来施加的力系抵消或平衡下滑力；２）增加　土体的内在强度以致斜坡在没有外来力系的帮助　方，设计往往会抬高纵断面的设计高程，相应的高　填方路堤占比增加。近年来，山区高速公路高填　土路堤越来越多，对高路堤的设计方法越发受到　同行的重视。高路堤一般具有沉降大、沉降稳定　时间长、对地基承载力要求高，路堤稳定性差等特　点，因此对高路堤的综合设计尤为关键。　鉴于以往高速公路高填土路基的使用情况来　看，通常在高填土路基施工后，随着时间的推移与　车辆载荷的持续作用，会对路基产生持久作用力，　并表现在路基表面发生变形，或是路面沉陷，同时　还常常伴随着路基横纵向开裂等病害。一些高填　方路段出现了不同程度的沉降，严重影响道路通　行；如果进入雨季，路面不平、分隔带排水不畅，就　会形成表面积水、路基进水，对路基面层、结构层　造成早期损坏。　下保持稳定　Ｊ。一般在高填土路堤稳定性设计中　两种方法要综合考虑，以保证最好的技术经济效　果。实际工程中，在用地条件允许的情况下可采　用加宽平台，路堤填筑材料的选择，尽量选择内聚　力ｃ和内摩擦角　较大的填料，并在路堤设置一定　数量的土工格栅等措施。　２路堤沉降分析和控制　路堤沉降包括，地基沉降和路堤自身压缩引　起沉降。根据文献＿３　第ｉ层路堤填土最终沉降　ｓ　为其上部填土在该层产生的应力作用下，　卜　部路堤填土和地基的变形总和，可按下式计算：　Ｓ　＝Ｓ　＋５　１路堤稳定性分析和控制　对于路堤的整体稳定分析，公路路基设计规　范。　采用简化Ｂｉｓｈｏｐ条分法。该方法考虑了土条　问的水平推力、土条垂直向的自身平衡以及破坏　面上剪切强度的部分发挥。但由于未考虑土条问　的竖向剪应力，得出的安全系数偏大，路堤稳定存　式中，５　分别为路堤填筑完成后的第ｉ层　在潜在危险。此外，该方法简单地假定破裂面为　一竖向应力作用下，其下部路堤填土和地基的变形。　圆弧，这与实际粘性土破坏面有出入，数值计算　２０．　若地基的固结沉降不能满足要求，必须对地　基进行处理，包括换填和复合地基处理。　结果与实际不符。因此，工程设计中为了确保整　．２０１４年第４期　尹科：高速公路高填土路堤沉降与稳定性控制设计探讨　总第１５６期　当路堤填土压实度不足或路基填料为不良土　质时，路堤本身会产生竖向压缩变形而引起沉降。　对高路堤而言，即使压实度和路基填料均满足要　求，但由于在土中仍存在空隙，在雨水渗流或毛细　水压及上部荷载的作用下产生竖向压缩变形。若　这一变形有很大部分在工后发生，则路面的损坏　不可避免，因此需要采用相应的压实方法、压实度　标准和合适的压实机械等，减少路堤堤身的沉降。　３　工程实例　包茂高速公路（桂粤界至茂名段）主线路线全　长约５０ｋｍ，采用设计速度１００ｋｍ／ｈ的双向四车道　高速公路标准，路基宽度２６ｍ。路线所经区域地形　地貌可分为低山丘陵区、丘陵及丘问谷地和平原　微丘区等地貌单元，路段大部分穿行在山问谷地。　根据以往工程经验，在广东地区由于雨水较多，对　路堤沉降和稳定要求较高，一般填土高度大于１６ｍ　即按高路堤处理，本项目高填路堤及陡坡路堤工　点达百余个，解决高路堤的稳定和沉降是本项目　重点难点。对于填土高度大于１６ｍ的高路堤、半　填半挖及陡坡路堤，由于填土荷重较大，对地基要　求较高，地基和填土本身均会出现沉降，导致路面　在运营过程中出现沉降和跳车。为了控制路堤的　沉降和稳定性，对高路堤进行包括基底处理、堤身　设计、堤身材料和压实度、防排水及监测等方面的　综合设计。　３．１基底处理　对高路堤而言，软基的概念仅仅是相对的。　同样的地基，在低填方为良好地基，但在高填方较　大填土荷载作用下，却可能表现为类似于软基的　固结沉降，甚至失稳破坏。　初始孑Ｌ隙比超过１．０或软土为泥炭土为软土，　主要分布在山问洼地、河流谷地路段，分布较零散　且埋深较浅、厚度小，对于高填路堤基底可塑粉质　粘土、细砂，通过计算不满足稳定要求的也视为软　弱土层。　（１）填土路基要求的地基承载力：最大填高　１０ｍ以内，不小于１００ｋＰａ，最大填高１０～１５ｍ，不　小于１２５ｋＰａ，最大填高１５～２０ｍ，不小于１５０ｋＰａ，　最大填高２０～２５ｍ，不小于１７５ｋＰａ，最大填高２５ｍ　以上，不小于２００ｋＰａ，特殊地段或承载力不足的路　基应按设计要求进行处理。覆盖层较浅的岩石地　基，宜清除覆盖层。　（２）浅层换填处理　换填深度视情况确定，一般情况下不超过３ｍ，　山问凹地、填土高度超过１４ｍ的情况下换填深度　不超过６ｍ。当路堤高度大于２４ｍ路段，换填深度　大于３．０ｍ，采用底部２．０ｍ片石＋碎石换填方案，　小于３．０ｍ，采用碎石换填方案；当路堤高度小于　２４ｍ，换填深度大于３．０ｍ，采用底部２．０ｍ片石＋　强风化土换填方案，小于３．０ｍ，采用底部１．０ｍ碎　石＋强风化土换填方案。当采用路堑边坡开挖土　石方时，应保证石料风化不严重，无崩解性、可溶　性等不良特性。山问凹地的软土深度不均，换填　要彻底。对于换填深度超过３ｍ的路段，施工时需　设置钢板桩支护。　（３）深层复合地基处理　根据多个项目的经验，水泥搅拌桩成桩质量　难以保证且检测困难；ＣＦＧ桩容易断桩、检测困　难；素混凝土桩成桩后检测时间较长，且难以满足　高路堤抗剪力要求。考虑施工工期、成桩质量和　经济等因素比选，选择施工速度快捷、单桩承载力　高的管桩复合地基处治。填土高度小于１６ｍ时，　管桩直径３０ｃｍ，管桩间距１．８ｍ～２．２ｍ；填土高度　≥１６ｍ时，管桩直径４０ｃｍ，管桩间距１．８ｍ～２．２ｍ，　桩底穿透软土进入下卧层不小于２ｍ，桩长由承载　力计算控制，桩顶托板采用Ｃ２５钢筋混凝土，并设　置碎石褥垫层。　３．２路堤堤身设计　（１）高填土陡坡路基上、下路床底面设土工格　栅，有助减少路基的不均匀沉降。　（２）高填土及陡坡路堤通过计算确定是否设　置土工格栅，出于耐久性考虑计算时应适当对土　工格栅的指标进行折减。　（３）当地面横坡大于１：５时，填方路段必须进　行挖台阶处理，台阶宽不小于３ｍ；陡于２５。的陡坡　路堤，台阶宽度不小于４ｍ，台阶朝内侧倾斜４％，　挖台阶回填材料与换填材料及相应层位的路基填　料一致。　（４）对于陡坡路段，根据验算结果及实际工程　．２１・　２０１４年第４期　尹科：高速公路高填土路堤沉降与稳定性控制设计探讨　总第１５６期　之间每隔２ｍ填土高度采用冲击式压路机压实２０　遍。对于填筑长度小于１００ｍ的路段，采用重锤夯　实，每填筑２ｍ高满夯一遍。　（４）冲击式压路机最大夯击势能为２５ｋＪ，由两　侧向路中心夯实，在大面积夯实前，应就本设计提　出的压路机技术参数进行现场验证，并根据试验　结果确定施工过程中的技术参数。　３．４防、排水设计　随着路基含水量的增长，土的强度指标相应　降低。这种含水量增加导致路基土软化的现象，　使得路基稳定性的安全储备下降，有时甚至发生　路基失稳的情况，因此需要做好高路堤防排水设　计。　高路堤应按动态设计原则，做好防、排、截、疏　水措施，实际施工阶段应充分调查边坡处原山体　的地质水文情况，对地下水发育处、水流集中处及　易受水流冲刷处应做好详细记录，并采用相应的　处治措施，如设置支撑渗沟、盲沟，设置间距视现　场情况而定，保证边坡内部土体处于干燥或中湿　状态。边坡施工进行中或完成后，如遇雨水，应及　时做好防雨措施，雨后及时清除湿软土体，并按设　计要求重新压实合格。　Ｍ７．５水泥砂浆勾缝　．１＿０，　图３支撑渗沟大样图　１：１Ｏ０　反滤土工布　图４盲沟大样图　３．５监测　在高路堤施工过程中，为及时了解高路堤的　稳定变化情况，对高路堤进行了沉降和稳定监测　设计。同时建议工后进行长期监控。通过这些监　测及时了解高路堤的沉降变化规律，明确高路堤　稳定的因素，并采取相应的处理措施。在使用过　程或施工过程中，路基出现失稳或显示失稳征兆　时，应该详细调查地形、地质，了解设计和施工等　方面的问题，对坡体变化和滑动面情况进行及时　的观察，并进行必要的试验，以便分析路基失稳原　因，从而制订出合理有效的防治措施。本项目高　填土路堤均委托了具有较高专业水平的单位进行　现场监测，监测项目有表面沉降、孔隙水压力、土　压力、水平位移等。　４　结语　（１）根据计算，路堤填筑材料内聚力Ｃ和内摩　擦角　对稳定性的影响很大，填筑路堤材料应优先　选择填石、强风化土及全风化土，慎用一般粘性土。　（２）对于高填方路基来说，如果按路堤填筑土　重荷载计算要求地基承载力，特别是对于复合地　基，则会造成地基处理资金的浪费，因此需要对高　填路堤的地基承载力进行更深入的研究，并应慎　重提出高填路堤地基承载力的设计值要求。　（３）通过计算土工格栅对高路堤稳定性的作　用有限，仅通过大量增加土工格栅的用量达到提　高路堤稳定系数的方法，不经济。因此对于山区　高速公路，如果在用地条件允许的情况下，可通过　加宽路堤边坡平台的方法，相当于增加反压护道，　可使稳定性安全系数增大，同时还可减少土工材　料的使用量。　参考文献：　［１］公路路基设计规范ＪＴＧ　Ｄ３０—２００４．　［２］许保英．高路堤边坡防护的探讨［Ｊ］．山西交通　科技，１９９６，７：１９—２１．　［３］张占荣，刘庆辉，等．高填土路堤沉降计算方法分　析［Ｊ］．铁路标准设计，２０１Ｉ（２）．　［４］公路桥涵地基与基础设计规范，ＪＴＧ　Ｄ６３—２００７．　［５］张志峰．关于山区高速公路高路堤设计的探讨．　交通标准化，２００９第２３期．　・２３・