高地震烈度下的高路堤稳定性影响因素研究

马 康 彭小勇 蒲春林

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

云南、贵州、四川省部分公路穿越高地震烈度地区，地震动峰值加速度达到0.3～0.4g。在山区公路中，地形高差大，路线跨越沟谷，难免存在大于20 m的高填方路堤，规范中将此高度的填方定义为高填方路堤。在环境敏感区，弃方位置成为难点，开山石渣无处丢弃，故迫不得已地填筑高路堤以消化废方。按规范常用的1∶1.5～2常规坡率放坡，路基的稳定性系数在1.04附近，无法达到规范对安全系数的要求。

何旭等[1]采用极限平衡法，对40 m高的北非某项目高填方路堤设计方案进行了分析与总结。得出了在地震动峰值加速度为0.3g的情况下“土工布+弃土场反压+底部填石+大台阶”的综合处理方案；段彦福等[2]采用有限元分析法，利用midas有限元软件，得出在地震动峰值加速度为0.3g的情况下，对于8.4 m高的填方，坡脚和H/3高度处在地震作用下容易发生剪切破坏。土工格栅加筋能有效抵抗地震作用下的边坡变形；林宇亮等[3]采用振动台试验的方法，在地震动峰值加速度为0.1～1g的情况下，研究不同压实度路堤加速度放大倍数分布规律及其影响因素；陈守龙等[4]采用有限元分析法，基于逐步实践积分法，对水平地震力作用下边坡受力变形响应特性进行了分析，提供一种设计计算的方法。以往的研究采用不同的方法与不同的模型。但多数为单一工点方案讨论，着重于介绍实际方案，暂时缺少几种思路方案优劣对比及取舍。同时，以往研究的填方高度普遍不大。

1 路堤稳定性影响因素

对于高路堤的侧向整体稳定性，主要受地面横坡、地质条件、路基填料、地震加速度等影响。在同一工点中，以上因素均为定量，且客观存在、无法改变，则设计方案就决定了路堤的稳定与否。从经验上来说，填方高度越高、边坡坡率越陡，路堤的稳定性就越差。特别地，在高地震烈度环境下，常规的设计方案将出现问题。另一方面从路基填料因素入手，在路基内铺设格栅筋带，能提高路基填料自身的抗剪强度，从而达到提高路堤稳定性的目的。

2 工程概况

2.1 场区情况

云南某公路根据云南省地震带划分，区域属于“耿马-澜沧地震带”，该地震带长300 km、宽160～200 km，最大地震的发震时间为1988年11月6日，震级为7.6级。根据GB 18306-2015 《中国地震动参数区划图》，项目设计基本地震动峰加速度为0.30～0.40g，地震动反应谱特征周期均为0.45 s，地震基本烈度为VIII～IX，属于高地震烈度区。

2.2 地质条件

根据勘察报告，场区冲沟底部下伏岩土由上至下依次为：①坡积黏土(Q4dl+pl)，褐色至深褐色，可塑状，中湿，含少量约10%碎石，粒径0.5～1 cm。钻孔揭露厚度为5.30～8.56 m；②强风化绿泥片岩(Ptml)，结构破碎，风化严重，强度低，岩质软，风化层厚度8～10 m，岩性呈碎块状。③中风化绿泥片岩(Ptml)，岩性呈短柱状，偶见柱状。柱长6～10 cm，岩体结构面较发育，岩芯采取率75%～85%。

3 分析模型

3.1 分析方法

目前，边坡稳定性分析方法主要有定性分析、定量分析和不确定分析3大类[5]，其中定量分析方法有极限平衡法、有限元法较为常用[6]。本文分析采用南京库伦GEO5软件进行稳定性分析，分析方法为控制变量的极限平衡法。稳定性计算方案取3种：毕肖普法(Bishop)、摩根斯坦法(Morgenstern-Price)和简布法(Janbu)。地震工况下边坡稳定性计算采用拟静力法[7-8]。

3.2 计算剖面

选取工点位于两隧道之间的明线处，隧道长度分别为2 112，1 366 m。场区为构造侵蚀中低山沟谷地貌，路线位于澜沧江上游，弃土条件极差，遂以填方路基穿过冲沟，以消化前后隧道洞渣。计算断面为K47+740，中心设计填高57.79 m，地面横坡10°～15°，以设计坡比放坡后左侧填方高度达78 m，其断面示意见图1。

图1 计算断面K47+740(单位：m)

3.3 计算参数

1) 岩土参数。根据工点勘察报告，本次计算选用的岩土体物理力学参数见表1。

表1 各岩土体参数一览表

2) 地震参数。该路堤位于场区地震动峰值加速度0.4g，地震动反应谱特征周期均为0.45 s，地震基本烈度为IX。依据JTG B02-2013 《公路工程抗震规范》中相关条款，设置地震参数见表2。

表2 地震参数表

4 各因素的影响情况分析

4.1 填方高度

本次研究旨在分析高地震烈度区的高填方稳定性，故控制填方边坡高度由30 m起算，以10 m一阶均匀上升，最高填方高度设为90 m。作为统一：填方坡比为1.5-1.75×2-2，第一级边坡高度为8 m，其余边坡高度为10 m，平台宽度统一为2 m。经过逐一计算，稳定性系数随填方高度变化的趋势见图2。

图2 稳定性系数与填方高度关系图

4.2 填方坡比

高地震烈度区，按照常规坡比放坡，所得的填方路基在极端地震发生时的稳定性系数已经难以满足规范对安全系数的要求。故设置不同坡比的填方放坡方式，研究其稳定性情况。为了控制变量，取填方中心填高为定值24.04 m。设置试验组以常规坡比1.5-1.75×2-2为起点，逐步放缓，坡比设置情况见表3。不同放坡坡比下的稳定性系数结果见图3。

表3 不同坡比试验组设置表

图3 稳定性系数与填方坡比关系图

4.3 路基加筋

现今路基土自身加固措施中，加筋成为常见处置措施。加筋土路基通过筋带与路基土之间的摩擦，能充分发挥筋带的抗拉强度，减少路堤填筑后的地基不均匀沉降，提高地基承载能力，增强路堤的整体性和稳定性。相比于常规筋带土工格栅，三维结构的土工格室更是在提供筋带摩擦力的基础上，提供了格室内一定土体的侧向约束，以达到更好的效果。

图4 土工格室大样与路基内布置示意图

加筋土在高地震区的利用已成为一种有效、经济的处置方式。加筋间距可根据不同型号的筋带、不同情况的工点进行调整。本次研究选取筋材厚度为90 mm的土工格室，抗拉强度取110 kN/m。筋带位于近坡面侧，设置反包，滑体内端点假设为固定。设置加筋间距分别为20，10，5，2 m作为研究对象，并设置不加筋组作为对照。取填方中心填高为定值24.04 m(填方高度42.15 m)，填方坡比1.5-1.75×2-2。

图5 稳定性系数与加筋间距关系图

4.4 结果分析

1) 填方高度对于路基稳定性的影响。由图2可知：①稳定性系数从趋势上来看，随填方边坡高度的增大而降低；②图中当填方高度处于50～70 m范围时，结合具体工点，填方坡脚局部地形相对平缓，坡脚处属于阻滑段。当填方高度增加时，坡脚阻滑段增长，抗滑力相对增大，从而造成了稳定性系数的不降反增；③随着填方高度由30 m增大到90 m，稳定性系数并无某区间内骤降趋势显示，整个区间的稳定性系数仅从1.08降至了0.99，幅度较小。这表明只要基底满足填筑要求，且填方体本身抗剪强度能够保证(严格控制填方施工质量)，填方高度的增大不会成为极大影响填方稳定性的原因；④因为基本假设的不同，Bishop法在本工点问题的计算上存在稍大的误差(因为考虑了土体条带之间的相互作用力)。Bishop法和Morgenstern-Price法得到结果吻合度较高，其中Morgenstern-Price法相对更加保守。

2) 填方坡比对于路基稳定性的影响。从图3的结果可知：①稳定性系数随着填方坡比的放缓而提高，且效果显著(1.05～1.29)；②Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法得到结果吻合度较高，其中Janbu法和Morgenstern-Price法相对更加保守；③按JTG B02-2013《公路工程抗震规范》中相关条款，抗震区高路堤的稳定性系数不应小于1.15。从本次计算中可知，拟用坡比2-2.25×2-2.5放坡，边坡的自稳性可基本满足抗震要求，再加之适当的(普通防护)支档、路基土处置、加筋等，小幅度提高稳定性系数，即可保证路堤稳定性。同时此坡比也不至于过缓，对于填方坡脚收坡和节省占地范围均有利；④在以近乎均匀的坡率放缓边坡的过程中，稳定系数也近似均匀地提高。

3) 填方加筋对于路基稳定性的影响。从图5的结果可知：①路基加筋后能较为显著(1.04～1.17)地提高路基的稳定性系数；②以《公路工程抗震规范》中相关条款，抗震区高路堤的稳定性系数不应小于1.15。从本次计算中可知，常规1.5-1.75×2-2坡比下，设置2 m间距的土工格室能使路基整体达到稳定性要求，这可用于地形较陡、放坡条件较差、需要较陡坡率收坡的填方路段；③Janbu法和Morgenstern-Price法得到结果吻合度较高且更加保守，并在设置间距为2 m时，稳定性系数超过Bishop法所得；④2 m间距铺设土工格室，在填方高度较高、填方面积较大时，格室的工程量较大，经济性相对稍差。实际设计中可综合与放缓坡比、铺设间距大于等于5 m方案做经济性对比，择优推选。

5 结论

1) 以0.4g为例，高地震下的高填方稳定性较差。在无下伏软弱层的情况下，常规路基方案的自身稳定性系数均处于1.00～1.10，无法达到规范要求。

2) 常规处置措施中，可通过控制填方高度、放缓坡比、路基加筋的手段来提高路堤稳定性。

3) 基底满足填筑要求，且填方体本身抗剪强度能够保证，填方高度的增大不会成为极大影响填方稳定性的原因，但会造成小幅度影响(仅1.08～0.99)。

4) 填方稳定性系数随着填方坡比的放缓而提高，且效果显著(1.05～1.29)。拟用2-2.25×2-2.5坡比放坡，边坡的自稳性可基本满足抗震要求，同时此坡比也不至于过缓，对于填方坡脚收坡和节省占地范围均有利。

5) 路基加筋后可较为显著(1.04～1.17)地提高路基的稳定性系数。筋带铺设间距2～5 m，配合常规支挡措施，可基本解决填方高度40余m的斜坡填方在高地震区的自身稳定问题。