高填陡坡路堤稳定性分析及设计思路初探 一林永功 （福建省交通规划设计院，福州，３５０００４） 摘要本文以龙岩地区某拟建高速公路一处典型高填陡坡路堤为工程实例，就路 堤稳定、路堤沿基底斜坡软弱土层滑动的稳定性等方面进行分析，在计算论证的基础 上，提出了提高高填陡坡路堤稳定性措施，得出一个较为合理经济的设计思路，为高速 公路设计类似工程提供借鉴。 关键词 高速公路 高填陡坡稳定性分析设计思路 随着海西高速公路网“三纵八横三环三十三联”建 设的－不断推进，海西高速公路网已经逐渐向闽西、北山 区重丘所在的市 县辐射。受地形条件、路线平纵线形 指标及项目经济性等诸多方面的限制，山区高速公路路 基不可避免出现高填、陡坡路堤。 目前龙岩地区某拟建高速公路存在多处高填、陡坡 路堤段落，这些路段路堤的稳定、路堤沿路基基底斜坡 或软弱土层滑动的稳定性乃至“桥改路”方案实施的可 行性，均可能影响到局部路线方案甚至整体方案的合理 性。因此，总结以往的类似高填、陡坡路堤的断面、填 料、结构尺寸等设计的经验，寻求判定稳定性的定性分 析、合理经济的定量设计思路是非常有必要的。并为类 似高速公路工程提供借鉴。 ＩＥ１ 该路段典型高填路堤断面及土层参数（单位：ｍ） １：１．１７、１：３．２５、１：６．２８，须进行路堤稳定性检算。 根据初勘地质资料，揭示该山坡自上而下依次分 布：表层厚１￣１．５ｍ坡积粉质粘土，１．５＂－－２．Ｏｍ残积粘性 土，下卧全风化钙质粉砂岩、碎块状钙质粉砂岩至中风 １ 工程概况 受地形条件限制，拟分析路段采用高填路基穿越， 该段路堤长约８０ｍ。位于山坡坡脚处。路堤中心填高仅 约５．３ｍ，但山坡较为陡峭，导致下边坡高达４７ｍ。此外 路基坡脚外侧５６ｍ有一河流。 按照阶梯式断面，边坡坡率自上而下分别为：１：１．５、 １：１．７５、１：２．０，其下均为１：２．０，路基共６阶。该路段典型断面 型式见图１。原地面线大体可分为三个坡率段，分别约为 化岩。地下水主要为赋存于第四系冲洪积层孔隙潜水， 富水性弱，接受大气降水补给，随季节变化大，地下水 主要接受大气降水补给，顺坡向地势低的方向排泄。各 土层岩土物理力学性质指标推荐值见表１。 表１ 岩土物理力学性质指标推荐值 福建交通科技２０１１年第４期田 ２高填陡坡路堤稳定性分析 针对路堤边坡高达４７ｍ的高填陡坡路基，如何选择 安全、合理、经济的路基断面及结构型式，成为该段路 基设计的重点。 鉴于该路堤底部较平缓，在填筑施工过程中稳定性 ■ 相对较高，在完工后全断面的路堤自重及考虑车道荷载 下属于最不利工况，故本文仅对运营期的路堤稳定性进 一 、一 行分析。 ２．１运用岩土软件初步分析 按照１：１比例建立平面模型。模型以左侧路基边缘 图４按Ｓｐｅｎｃｅｒ法求得最不利指定滑动面及安全系数 为坐标ｘ轴０点，以路基坡脚为坐标Ｙ轴０点（本文下述 ２．２．１ 验证最不利滑动面的可靠性 计算图示均以此为坐标原点），运用Ｍｏ￣ｅｍｔｅｍ—Ｐｒｉｃｅ （１）采用条分法验证 法收敛求解整体最不利滑动面及其安全系数。滑动面 运用费伦纽斯法…［２］，沿滑动面出口向坡内做水平 圆心位于Ｘ＝１０８．１、Ｙ＝１３９．６处，滑弧１Ｌ＝１３８．４，滑动 线长４．５Ｈ，分别得到Ｅ点位置，Ｅ点与等效土柱高的外 面出口距坡脚高约２。５ｍ处。此时按条分法求得安全系 侧顶点连线，与滑动面法线交点为拟定滑动面圆心。以 数为１．２３５，如图２；按Ｂｉｓｈｏｐ法求得安全系数为１．２８１。 此方法分别对按照程序计算所得的滑动面（第一种滑动 如图３：按Ｓｐｅｎｃｅｒ法沿坡脚及外侧坡面指定若干滑动 面）、滑动面出口同程序计算出口处（第二种滑动面， 面，求解最不利滑动面及其安全系数为１．２７９，见图４。 Ｘ＝９４．３、Ｙ＝１０５．９，Ｒ．＝１０５．９）、滑动面出口位于坡脚处 ２．２经典方法笔算验证分析 （第三种滑动面，Ｘ＝９９．２、Ｙ＝ｌｌ０．０，ｔＬ＝ｌ１２．３）３种滑 动面，根据经典条分法，分别计算各自安全系数为 １．２３８、１．２６０、１．２５０。第一种滑动面与Ｓｐｅｎｃｅｒ法程序求 得１．２３５相当接近，且其余２种均比之略大，由此简要证 明了程序解得滑动面位置及安全系数与条分法所得结果 接近。 （２）采用简化Ｂｉｓｈｏｐ法验证 根据《公路路基设计规范》（ＪＴＧＤ３０—２００４） （以 下简称《规范》）， “路堤的堤身稳定性、路堤和地基的 整体稳定性宜采用简化Ｂｉｓｈｏｐ法进行分析计算”，稳定 系数Ｆｓ计算公式如下： 图２按条分法求得最不利滑动面及安全系数 当土条ｉ滑弧位于地基中时： Ｉ（ｉ＝ ｍｄｉ 当土条ｉ滑弧位于路堤中时： Ｋ：—Ｃｆｉｂｉ＋ＣＷｔｉ＋Ｑｉ）ｔａｎ￣ —‘ １ＴＩ ｍ￣＝ｃｏ 通过采取与条分法相同的３个滑动面，按照运营期 Ｕ＝Ｉ的情况下，采取固结快剪参数（与程序略有不同）， １１１３按Ｂｉｓｈｏｐ￣求得最不利滑动面及安全系数 计算得出安全系数分别为：１．２９９５、１．３４９５、１．３４５５，与 团福建交通科技２０１１年第４期 条分法结果相近，比条分法略大约１．５％～７．６％，符合不 同计算方法之间误差不超过１２％的范围Ⅲ及接近《规范》 １．０４。对比采用Ｂｉｓｈ０ｐ法计算滑动面在坡脚处所得的安 全系数１．３４５５，分别高出不平衡推力法计算的３３％、 ２９％，由于地层富水性弱，故未考虑土体渗透性影响 （即基底固结），与规范条文说明中相差２８％左右相符。 表明的６％左右，可认为计算基本准确，小于规范值 １．３５，故需采取技术措施加强路堤稳定性。 其中。第一种滑动面基本沿原始地基表面滑动，可 忽略进入坡积土层部分的容重差异；第二种滑动面基本沿 地基表层坡、残积土滑动，３条土条已经进入全风化层； ３提高高填陡坡路堤稳定性的措施分析 ３．１ 设置支挡措施后的路堤稳定性分析 仅考虑增设坡脚重力式路堤挡墙的情况下，将挡墙 第三种滑动面５条土条已经进入全风化层，故考虑地基部 分容重差异，验算参数取坡积土层参数及全风化层参数。 材料参数设置为大刚度土体（沿片砼挡墙墙身抗剪切强 度很大），通过软件分析路堤整体稳定安全系数最小值为 （３）采用不平衡推力法法验证 指定墙顶为出口的一个滑动面，安全系数１．３２８（见图６）。 根据《规范》“路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的 稳定性可采用不平衡推力法进行分析计算”，公式如下： Ｅｌ＝ＷＱｓｉｎａｉ－÷ｒＳ ［ｃ＾＋ｗ Ｑｌｃｏｓ仅Ｉｔａｎ‘Ｐ，］＋Ｅｉ一１ ，一１ ０Ｓ（％ 一詈ｓｉｎ ＯＬｉ－ｌ－Ｏｔｉ） 计算结果证明在滑动面穿过全风化钙质粉砂岩层的 情况下，路堤稳定性安全系数均较高，故在上文所述模 型的基础上，根据地基地质条件，结合原地表坡度，沿 软弱地层顶面及地面拟定了２个可能性较大的滑动面， 图６增设重力式挡墙后整体稳定最小安全系数 见．图５。 当然，若设置衡重式路肩墙或桩基挡墙墙高达２１ｍ， 若在各阶护坡道平台设置重力式路堤墙，则墙高将分别达 到２７ｍ、２３ｍ、２１ｍ、１４ｍ，无法实现或挡墙尺寸十分巨 大，显然仅以设置支挡结构保证路基稳定极不经济。 ３．２安全系数与‘ｐ、ｃ值的敏感关系 ’ “边坡的失稳概率ｐ尉内摩擦角‘ｐ的变异性反应都要 敏感于对粘聚力Ｃ的变异性反应”。［３ 为此，利用第一个 模型，假设‘Ｐ、ｃ值可趋于无限大，分别调整‘Ｐ、ｃ值，求 解同一模型的不同安全系数，对安全系数对‘ｐ、ｃ值的敏 感性做了横向比较．（见表２），表明与文献结论相符。 通过计算安全系数的比较不难发现，当内摩擦角‘ｐ 值不变的情况下，路堤的安全系数随着粘聚力ｃ的增大 按照约每增加１倍增大９％的线性增大；当粘聚力ｃ值不 图５路堤沿软弱土层滑动面图示 变的情况下，路堤的安全系数在内摩擦角值小于～定范 通过采用安全系数规范值１．３０计算，以上２种滑动 围内（约３０－３５），即可理解为在土层内，随着‘ｐ值的增 面分别存在剩余下滑力Ｅ＝２０２８．７ｋＮ和Ｅ＝２０５９．６７ｋＮ，路 大按照约每增加１倍增大１４％的线性增大；当‘Ｐ值大于一 堤不稳定，需采取技术措施加强抗滑稳定性。 定范围（约＞３０￣３５）以后，线性关系减弱，大致按照 通过试算，分别求得该滑面的安全系数为１．０１和 ６％ ％的弱线性或非线性增大。当然，在土层性质非匀 表２安全系数对 、ｃ值的敏感性比较 福建交通科技２０１１年第４期回 质变化、‘Ｐ、ｃ值共同变化、且当￣ｐ＞４０以上几乎可以认 为已经进入碎块状风化岩时，以上线性关系应当不太适 用，但至少从一定程度上证明了安全系数对‘ｐ值的敏感 性比对Ｃ值的大，也给我们解决路堤稳定性问题提供了 一种明确的思路，即改善填料的内摩擦角可以很好的达 当然，实际设计中还应当综合判断设置支挡结构与 到提高路堤稳定性的目的。 改善填料内摩擦角条件或二者兼顾的可行性、技术性和 经济性等因素。 ３．３提高路堤稳定性的填料设计措施 由于本路段存在大量路堑挖石方弃方，可利用弃石 方填筑２￣３阶的填石路堤，同时路基坡脚距离河岸尚有 约５０多米距离，具备反压条件，可考虑填石路堤增设 ｌＯ￣２０ｍ的反压护坡道平台，对加强底部２－＇－３阶路堤稳定 性、减小沉降变形较为有利；由于临近河岸，可在填石 路堤的坡脚利用完整的片、块石砌筑挡墙收缩坡脚、稳 固路堤。鉴于本路段覆盖层较薄，下卧钙质粉砂岩层， 可采取挖台阶，甚至可以适当加大台阶宽度、高度，让 路堤填筑体落于强度较高的地层上，通过条分法理论不 难发现也可以利用填筑体自重抵消部分下滑力，以改善 路堤整体稳定性。 在路堤第三阶以下采用填石、增设路堤墙固脚的情 况下，运用软件分析路堤整体及指定滑动面稳定性，指定 滑动面布置见图７。通过分析，路堤最不利滑动面已经移 动至填土区边坡，整体稳定安全系数最小值为１．６３９，见图 ８，安全系数已经大幅超出规范值１．４５，路堤稳定。 ３．４提高路堤稳定性的其他措施 路堤稳定除了与自身填料、地基坡度、土层性质密 切相关外．还跟基底的物理条件、水文条件等息息相 关，提高路堤稳定性，也需要从改善基底状况，增加基 底滑动面的摩擦阻力人手，如清除表层松软的覆盖土层 或基底夯实，使路堤置于坚实的土层之上；开挖台阶改 善基底受力情况；放缓下边坡，加设反压护道，以消除 路堤下滑力等。 陡坡路堤下滑的主要原因，除地面横坡过陡或基底 － 《 — 寻 Ｃ 题■ 蹙ｇ — 图７填石、增设挡墙后指定不利滑动面分布图 接触面摩阻力过小之外，还与地表水和地下水关系密 切。根据《土质边坡稳定分析一原理・方法・程序》Ｈ］ 对于土坡一旦发生滑动破坏的情况下，通常可取粘聚力 为零来进行稳定分析。为避免由于高填陡坡路堤基底渗 入地表水或者地下水没有及时疏干导致土层趋于饱和， 粘聚力丧失，引起路堤失稳，必须在路堤上边坡设置截 水沟、排水沟以及坡体排水措施以阻止地表水侵入渗透 基底，若地下水丰富需设置排水盲沟、渗沟，以疏干基 底土层提高抗滑力。因此做好路堤上边坡的排水也是至 关重要的一个环节。 如果对于特殊情况下的路堤，经过填料设计、采取 常规支挡措施仍无法满足稳定性要求，可考虑加设抗滑 桩、增设土工格栅、采取轻质特殊填料（如粉煤灰、复 合土工轻型材料等）等手段提高路堤稳定性。 ４结语 针对当前我省高速公路高填、陡坡路堤断面有越来 越高、大、长的趋势，在各项目路线方案评审过程中、 路基设计中都是比较头痛的事情，如何因地制宜地采取 有效的技术措施确保路堤稳定，时刻注重路堤的“填料 设计”。应为路基设计的一个原则。 本文对高填、陡坡路堤稳定性分析及设计思路的粗略 探讨，旨在总结设计过程中的一些浅显经验与同行交流，受 笔者水平所限，难免存在一些错漏，望广大同行不吝指正。 参考文献 ［１］交通部第二公路勘察设计院．公路设计手册路基（第二版）．北 京：人民交通出版社。２００４． ［２］方左英．路基工程．北京：人民交通出版社，１９９ｏ． 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