■林舒心（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

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山區(qū)高填方填石路堤穩(wěn)定分析與處治措施探討

■林舒心
（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

山區(qū)的復(fù)雜地形，帶來了大量的高填深挖問題。而填石路堤能因地制宜地利用挖方材料、節(jié)約工程造價，在山區(qū)公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛。本文以寧德至武夷山高速公路大邵K129+600緊急制動車道的高填方填石路堤為研究對象，基于填石路堤工程特性的理論分析，對K129+645斷面的路堤穩(wěn)定性與整體性進行了計算。同時，論文結(jié)合工程經(jīng)驗，對填石路堤的填料、地基處理、分層填筑與碾壓及邊坡防護等工程處治要求進行了總結(jié)。分析表明，大邵K129+600緊急制動車道處于穩(wěn)定狀態(tài)，進行合理、嚴(yán)格的工程處治有助于保障高填方填石路堤的穩(wěn)定性。

高填方填石路堤分層填筑分層碾壓碼砌防護

0引言

隨著國內(nèi)高速、干線公路的全面建設(shè)，各級公路向偏遠山區(qū)深入發(fā)展，面臨了更為復(fù)雜的山區(qū)地形，大量的深挖高填問題不斷出現(xiàn)?？紤]經(jīng)濟與污染問題，能夠充分利用開挖邊坡與隧道爆破過程中產(chǎn)生石料并節(jié)約工程造價的高填方填石路堤成為山區(qū)高等級公路的常見形式。在高填方填石路堤建設(shè)中，常因路基壓實度不足、填料不良、填筑方法不當(dāng)、地基軟弱或暴雨等因素，發(fā)生路面沉陷、裂縫、路基邊坡坍塌、整體滑移等大量工程病害，這對社會經(jīng)濟與人身安全造成不利影響。

筆者認(rèn)為，充分認(rèn)識山區(qū)填石路堤的工程特性，完善高填方填石路堤的處治方式，加強路基設(shè)計的合理性與施工質(zhì)量，能夠更為有效地解決山區(qū)高填方填石路堤的破壞失穩(wěn)問題。本文將結(jié)合寧武高速公路的工程建設(shè)對山區(qū)高填方填石路堤穩(wěn)定分析與處治措施進行探討。

1高填方填石路堤穩(wěn)定分析

1.1工程概況

寧武高速公路S2合同段K115+890～K142+050路段為長下坡路段，長26.160km，平均縱坡達2.483%，該段地形復(fù)雜，橋隧相聯(lián)，構(gòu)造物比例達91.8%，從安全角度考慮設(shè)置緊急制動車道。其中大邵K129+600緊急制動車道位于河氽隧道（出口YK129+415）與大紹1號隧道（進口YK129+670）之間，全長300m，中心最高填高約61.4m，邊坡最高填高約87.5m。該段落路基沿線地質(zhì)表層為薄層殘坡積土，下部為碎塊狀強風(fēng)化凝灰熔巖及弱-微風(fēng)化凝灰熔巖，地質(zhì)條件良好。由于該緊急制動車道修筑在地勢險峻，溝壑縱橫的山嶺地區(qū)，填方高度非常大，為減少地基沉降和不均勻變形等破壞，設(shè)計采用填石路堤。路基填料采用隧道石渣及就近取石場開采的石料填筑。采用填石路堤的施工期及竣工后實景圖，如圖1和圖2所示。

圖1　高填方填石路堤施工期圖

圖2　高填方填石路堤竣工圖

1.2山區(qū)填石路堤工程特性分析

該高填方填石路堤多修筑在地勢險峻，溝壑縱橫的山嶺地區(qū)。由于地形復(fù)雜，填石路堤的填筑高度大，填方量也大，加之填料自身較大的密度，使得路基填筑體存在極大的自重荷載。為了防止承載力不足而導(dǎo)致路基工后沉降過大或沉降不均勻的變形問題，在填石路堤的設(shè)計與施工過程中，有必要對地基承載力提出嚴(yán)格的要求，以減少由于車輛荷載與自重荷載造成的地基壓縮變形，從而保證填石路堤的穩(wěn)定性。

填石路堤填料的工程性能與土質(zhì)填料有較大差異：土質(zhì)路基本身抗剪強度低，顆粒之間具有粘聚力，土體具有較強塑性，若地基發(fā)生較大沉降及不均勻沉降，土質(zhì)路基能夠協(xié)調(diào)地基的沉降而發(fā)生共同沉降。但是，填石路堤的填料依靠嵌鎖力與摩擦作用形成強度，內(nèi)摩擦角大，填石顆粒之間沒有粘聚力或粘聚力極小，一定程度上可以看作半剛性體。當(dāng)路基內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過路基極限抗剪強度時，路基會產(chǎn)生剪切破壞，填料間存在剪脹效應(yīng)將使填料顆粒重新排列，內(nèi)摩擦角大大減小，這導(dǎo)致路基邊坡鼓脹從而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

因此，填石路堤對地基沉降的敏感性要高于土質(zhì)路基，地基發(fā)生較大沉降及不均勻沉降均易引起填石路堤發(fā)生坍塌和失穩(wěn)。同時，地基的沉降與填料承受的荷載容易破壞填料之間的原有結(jié)構(gòu)，一旦結(jié)構(gòu)顆粒的嵌鎖作用被破壞，填石路堤就難以像填土路基那樣得以恢復(fù)。對填石路堤而言，尤其是高填方路基，地基承載力是保證路基壓實質(zhì)量和正常使用的前提條件，如若地基承載力不足，必將會導(dǎo)致路基的坍塌和失穩(wěn)，進而使路面產(chǎn)生病害破壞。因此，在寧武高速公路的工程建設(shè)中，對路基基底采取了清除地表漂石、素填土和亞粘土層等軟弱夾層，換填以碎塊狀強風(fēng)化或完整性更強的石作為持力層，有助于確保路基承載力達到設(shè)計與施工要求，并對基底進行特殊挖臺階處理。

1.3典型剖面穩(wěn)定性分析

選取制動車道K129+645斷面進行路基堤身與高填方路基邊坡整體穩(wěn)定計算。計算采用《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD30-2015）推薦的簡化Bishop法。剖面地層參數(shù)與斷面穩(wěn)定性分析計算結(jié)果如圖3和圖4所示。計算結(jié)果表明：

圖3　高填方路堤堤身穩(wěn)定計算（穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.426）

圖4　高填方路堤邊坡整體穩(wěn)定計算（穩(wěn)定系數(shù)Fs=2.125）

路堤堤身邊坡坡度為30°，小于路基填料等效內(nèi)摩擦角，路基堤身邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.426，滿足設(shè)計要求。

路堤基底換填碎塊狀強風(fēng)化以上的填料，在對基底進行挖臺階處理后，路基邊坡整體穩(wěn)定性達到2.125，滿足設(shè)計要求。

2填石路堤的填料要求

K129+600緊急制動車道路基的填料主要利用了河氽和大邵的隧道洞渣填筑，其余路基填料利用取石場開采石方填筑。根據(jù)設(shè)計要求，填方石料抗壓強度不小于35MPa，用于護坡碼砌的石料抗壓強度不小于40MPa。

填料粒徑較大，均勻性較差，易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，導(dǎo)致路基不同部位密實度有很大差別，壓實過程中，石料有可能不斷被壓碎，改變了原有的粒徑組成，從而影響路基密度，強度及穩(wěn)定性。因此，結(jié)合《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）3.8.3條的相關(guān)規(guī)定，該段落填料粒徑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。路床填料最大粒徑應(yīng)小于100mm，路床80cm的范圍內(nèi)填級配碎石，并分層壓實。級配碎石級配組成如表2。

表1填料粒徑組成取值表

表2級配碎石級配組成

填石料頂面應(yīng)無明顯孔隙、空洞。在路床填料填筑前，填石路堤最后一層的鋪筑層厚應(yīng)不大于400mm，過渡層碎石石料粒徑應(yīng)小于150mm，其中小于0.005mm的細(xì)粒料含量不應(yīng)小于30%。對于路堤石料的開采，采用密集深孔毫秒微差爆破技術(shù)，可以實現(xiàn)爆巖塊度80%在20～30cm之間。爆破施工要嚴(yán)格控制飛石距離，采取切實可行的措施，確保人員、設(shè)備及在建隧道的安全。在填筑路堤過程中應(yīng)嚴(yán)格控制填料的粒徑，對超粒徑的石塊要進行二次解小，不能解小的不得用于路基填筑。

3填石路堤的地基處理要求

3.1填石路堤對地基承載力的要求

填石路堤的填料比較堅硬，壓實度大且透水性好，路基整體穩(wěn)定性強，沉降量少，但水容易從邊坡、路面等部位進入基底造成路基整體的濕軟及不均勻沉降。路基填筑高度高，路堤自身重量大，因此為防止由于地基承載力不足而導(dǎo)致路基工后沉降過大或出現(xiàn)壓縮模量差異而造成不均勻沉降，必須對填石路堤的地基承載力提出要求，盡量減少地基的壓縮變形，從而保證填石路堤的穩(wěn)定性。因此本工程對基底采取清除地表的漂石、素填土和亞粘土層，采用碎塊狀強風(fēng)化及以上巖層為持力層，以確保路基承載力達到要求。

3.2填石路堤的地基排水要求

由于填石路堤的孔隙較大，水較易從邊坡或路面等部位進入路基中，而且由于路基填筑體的滲透性好，水很容易浸濕地基，同時若地基范圍內(nèi)存在地下水，這都會影響填石路堤的整體穩(wěn)定。因此，當(dāng)路堤基底范圍內(nèi)由于地面水或地下水影響路基穩(wěn)定時，填石路堤應(yīng)采取必要的引排、攔截等措施，可設(shè)置盲溝、滲溝或在路堤底部填筑不易風(fēng)化的片石、砂礫石或塊石等透水性材料來設(shè)置透水層，其厚度應(yīng)不小于50cm，以防止水對地基的不良影響。

3.3填石路堤的地基坡度處理要求

當(dāng)原地基有一定的坡度時，為保證填石路堤的整體穩(wěn)定性，應(yīng)對地基進行如下處理：

（1）在地基橫坡陡于1∶5的地段，應(yīng)將原地面挖成寬度不小于2.0m，高1.0m的搭接臺階，高填方陡坡路基為保證路基穩(wěn)定和便于施工需開挖大臺階，同時臺階進行內(nèi)傾處理，然后進行平整壓實，使基底強度和密實度達到設(shè)計要求；

（2）在地基橫坡緩于1∶5的地段，當(dāng)清除樹根草皮或腐植土后，承載力滿足要求時，可直接在天然地面上填筑填石路堤。

4填石路堤的分層填筑與碾壓要求

4.1分層填筑

路堤采用逐層填筑，下路堤每層松鋪厚度小于45cm，上路堤每層松鋪厚度小于35cm。每層填料分兩次填筑，先填筑粗顆粒石料，厚約松鋪層厚度3/4。用推土機將粗粒層攤平穩(wěn)壓一遍，再填筑一層石屑或石渣，厚約松鋪層厚度1/4，其用量約占粗石料的15%～20%，予以填滿大粒徑料之間縫隙，攤鋪層面應(yīng)相對平順，利于碾壓。另外通過碾壓后密實的細(xì)粒層可以起到一定的阻水作用，減少施工期雨水的下滲。應(yīng)采用大噸位推土機整平攤料，整平過程中要將粗細(xì)填料混合均勻，加強填料顆粒的相互擠壓，使其有較好的平整度，避免有明顯的坑槽、低洼或凸起的石塊。

4.2分層碾壓

（1）整平后的路堤適當(dāng)灑水，以利于碾壓時石塊移動、嵌鎖。

（2）壓實時的操作要求，應(yīng)先壓兩側(cè)（即靠路肩部分）后壓中間，壓實路線對于輪碾應(yīng)縱向互相平行，反復(fù)碾壓。

（3）碾壓時，先輕后重，先用25t輪式振動壓路機或相近的重型壓路機初壓兩遍，起穩(wěn)壓作用，選擇穩(wěn)定的測點，便于施工中觀測。

（4）穩(wěn)壓后再用加大噸位的壓路機復(fù)壓6～8遍。加大噸位的壓路機主要參考技術(shù)指標(biāo)如下：額定功率220kW，激震力590/450kN，最大總作用力810kN。復(fù)壓時橫向重疊40～50cm，縱向重疊100～150cm，做到無漏壓、無死角。

（5）施工過程中的路堤壓實度主要以孔隙率控制，當(dāng)采用孔隙率作為壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)有困難時，也可以用壓實沉降差進行控制。

5填石路堤的邊坡防護要求

由于填料的透水性良好，填石路堤宜產(chǎn)生孔隙，在一定條件下（如雨水沖刷或浸水路堤）會導(dǎo)致路基填筑體中的細(xì)粒料流失，從而發(fā)生較大的沉降，所以應(yīng)采用碼砌邊坡防護，以增強路基的整體穩(wěn)定。

5.1路堤邊坡碼砌尺寸要求

路堤邊坡防護采用符合要求的塊石碼砌，碼砌厚度為1～2m，路基高度小于5m時，碼砌厚度為1m，路基高度大于等于5m且小于12m，碼砌厚度為1.5m，路基高度大于等于12m時，碼砌厚度為2m。路基建議采用“先填筑后碼砌”的工藝方式。每級路堤邊坡采用臺階式碼砌，具體碼砌尺寸如表3所示。

表3路堤邊坡碼砌尺寸表

5.2路堤邊坡碼砌填料要求

邊坡碼砌所用石料要采用強度較大、不易風(fēng)化、遇水不易崩解的石料，嚴(yán)禁將強風(fēng)化的石料用于路基邊坡施工。邊坡石料的最大粒徑不宜大于80cm，最小厚度不小于20cm，其形狀應(yīng)規(guī)則、方正，至少有兩個面較為平行，以保證塊石碼砌時擺放穩(wěn)定。同時，應(yīng)采用大塊石料與中等塊度的石料交錯咬碼，嚴(yán)禁采用層鋪法和細(xì)石填隙砌筑。

填石路堤的邊坡碼砌施工時，應(yīng)將石料逐個碼砌，大面朝下，放置平穩(wěn)。石料應(yīng)盡量緊貼路基填筑體，相互之間緊密接觸，互相咬扣，無明顯落空、松動現(xiàn)象。碼砌石塊間的承力接觸面應(yīng)稍向內(nèi)傾斜，形成較為穩(wěn)定的內(nèi)傾結(jié)構(gòu)，嚴(yán)禁通縫、疊砌和貼砌，盡量做到坡面平整。

6結(jié)論

（1）填石路堤填料顆粒之間粘聚力極小，其抗剪強度主要由顆粒之間的摩擦力與嵌鎖力組成，內(nèi)摩擦角大，一定程度上可視為半剛性體。

（2）寧武高速公路K129+600緊急制動車道高填方路堤所用填料等效內(nèi)摩擦角大于堤身坡度，路堤堤身與整體性穩(wěn)定性良好。

（3）結(jié)合工程案例經(jīng)驗，本文對高填方填石路堤的填料、地基處理、分層填筑與碾壓及邊坡防護等要求上對其工程處治要求進行詳細(xì)介紹，工程運營現(xiàn)狀良好，值得進一步推廣。

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