張甫田

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266071）

壩體路基穩(wěn)定性分析

張甫田

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266071）

提出來對已有護堤再加載的穩(wěn)定性演算，定量研究了沿海護岸的穩(wěn)定性和變形的分析，獲取相關經(jīng)驗模型，為類似項目的穩(wěn)定性和安全性提供依據(jù)。對于我國實施的公路和城市道路改造的沿海、沿江、沿湖類工程具有極其重要的指導意義。

壩體路基；位移；沉降；穩(wěn)定性

1 概述

沿海、沿江、沿湖等壩體路基與一般路基所處地質環(huán)境、濕度條件等情況差異較大。壩體路基常建設于軟土地基上[1]，軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、固結系數(shù)小、固結時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、明顯的結構性和流變性、土層層狀分布復雜、各層之間物理力學性質相差較大等特點[2]。因此，壩體路基需要進行特殊設計，并計算分析路基的穩(wěn)定性問題，以驗證和消除影響壩體穩(wěn)定的因素，提高壩體安全水平和穩(wěn)定性。

本文通過獲取目標項目西側壩體的沉降和位移觀測數(shù)據(jù)，定量分析不同壩體結構，不同荷載下對壩體穩(wěn)定性影響以及壩體安全性的評價，并提出改正措施。通過研究壩體穩(wěn)定性諸因素特征對壩體穩(wěn)定性影響以及壩體變形的影響，可以及時的、有針對性采取相應的對策，通過有效的方法和措施消除影響壩體穩(wěn)定性的各種影響因素，達到減少變形、增加壩體穩(wěn)定性的目的。并為類似地基狀態(tài)、類似工程，特別是在沿海、沿江堤壩上加載拓寬道路橋梁提供理論依據(jù)和定量的數(shù)學模型支持。

2 理論分析

影響路基穩(wěn)定性的因素很多，包括氣候、路基結構、土體性質等原因。

氣候因素主要是降水及氣溫的影響。降雨的滲入會導致路基土的基質吸力降低，黏聚力減小，從而使邊坡的穩(wěn)定性下降[3]。隨著降雨的持續(xù)，入滲深度不斷增加，路基的安全系數(shù)會不斷降低。氣溫的變化會導致水份的遷移，尤其是對于凍土路基，路基內的凍融變化會不斷弱化路基，降低路基土強度。

路基下臥層厚度變化會對路基穩(wěn)定性造成影響，在一定范圍內，隨著下臥層厚度的增加，安全系數(shù)逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

土的性質是影響路基穩(wěn)定性的因素中極其重要的部分。土的抗剪強度隨著黏聚力c和內摩擦角φ的增大而增大，因此，土體穩(wěn)定性也會隨著黏聚力c和內摩擦角φ的增大而增大。

對于沿河、沿江、沿海路基，應尤其注意路基的排水及處治，防止路基的水毀。由于路基土含水率高，還須注意土體的固結沉降，防止因水的存在造成路基承載力低而導致路基路面結構的破壞。同時，路堤的防護對于路基的穩(wěn)定性也具有很大的影響，波浪的沖刷及侵蝕極易掏空，路基路面結構發(fā)生整體塌陷或滑動破壞。因此，沿海濱江路基需要進行特殊設計，穩(wěn)定性計算需要考慮的方面也不同于一般路基。

3 工程現(xiàn)狀

環(huán)膠州灣公路建成至今已經(jīng)16 a，是青島城區(qū)對外聯(lián)系的快速通道之一。起初在進行環(huán)膠州灣公路設計的同時進行了護岸設計，由于城市建設的需要，需對公路進行拓寬，拓寬后公路外邊線距離護岸主體結構距離較近，新建路基，特別是河橋引橋會對護岸主體結構造成一定的影響。

膠州灣高速公路現(xiàn)狀車行道為“兩塊板”結構，道路總寬24.5 m，雙向4車道，兩側各2.5 m緊急停車帶。沿線橫向相交道路主要有瑞昌路、太原路、濱海路、雙流高架等。環(huán)膠州灣公路海域段環(huán)繞于膠州灣西海岸，路基原為海岸漫灘。

本次研究選取的特征斷面包括正常段、婁山河段、李滄河段等。分析不同位置的護岸和壩體結構類型，不同位置工程地質、水文地質、土壤的物理性質及其力學特征、大氣溫度等。

公路拓寬后車道橫斷面見圖1。

圖1 環(huán)膠州灣公路拓寬正常特征斷面示意圖（單位：m）

根據(jù)道路橫斷面原設計圖，河橋引橋邊墻距離護岸頂面邊緣線僅0.75 m，從護岸結構上考慮，該方案不可行。原因是：

（1）環(huán)膠州灣公路護岸由護岸主體結構和后方回填土兩部分組成，主體結構為拋石體，由堤心石（10～1 000 kg塊石）、鎮(zhèn)壓層和反壓棱體組成，堤心石上部采用漿砌塊石壓頂，寬2.25 m，外部采用干砌條石護面，條石尺寸300 mm（高）×300 mm（寬）×700 mm（長度）。護岸主體的作用是隔斷海水，抵抗波浪的沖擊，并對公路路基進行防護，護岸設計時上部荷載僅考慮人行荷載，未考慮車行荷載和其它荷載，因此護岸主體不能作為承重基礎。設計時，公路中心線距離護岸頂面邊緣線21.5 m，公路路基完全座落于后方回填土之上，對護岸主體結構影響較小，結構受力是合理的。而引橋高度較高，自重較大，如果在護岸主體上建設引橋，會對護岸主體造成不良影響。

（2）護岸外坡采用干砌條石護面，該護面的作用只是保護堤心石，抵抗波浪沖擊，不能承受豎向大荷載的作用，否則會造成滑坡。

（3）引橋擋墻高度較大，產(chǎn)生的豎向力較大，如果距離護岸外緣線較近，不僅無法進行擋墻基礎施工，而且會產(chǎn)生不均勻沉降，造成擋墻傾斜，影響引橋安全。

鑒于上述原因，應將引橋擋墻適當向護岸內側移動一定距離。如果將人行通道放在擋墻以外，即擋墻向內側移動4.0 m，那么擋墻將位于護岸主體結構內側，從結構上考慮是可行的。本此次研究按照該布置方案對護岸進行計算。

根據(jù)計算斷面的位置，各路段護岸及路基斷面見圖2、圖3。

圖2 李村河北引橋處護岸斷面示意圖（單位：mm）

圖3 婁山河北引橋處護岸斷面示意圖（單位：mm）

4 計算及對比

4.1 沉降量計算

固結度是表征土的固結程度，是指土層或土樣在某一級荷載下的固結過程中某一時刻孔隙水壓力平均消散值或壓縮量與初始孔隙水壓力增量或最終壓縮量的比值，以百分率表示[4]，按式（1）進行計算。

總沉降量按式（2）進行計算。

式中：a為壓縮系數(shù)；σ為附加應力；e0為初始孔隙比；γw為空隙水容重。

護岸竣工至現(xiàn)在已完成固結度及沉降量，計算結果見表1。

河橋引橋建成后的沉降量的計算結果見表2。

表1 公路拓寬前沉降量

表2 公路拓寬后沉降量

4.2 穩(wěn)定性分析

目前，邊坡穩(wěn)定分析理論主要有極限平衡理論、塑性極限分析、模糊極值理論和有限單元法[5，6]。極限平衡理論的使用較多，其建立在極限平衡理論方法上，其基本特點是設想所考慮的巖土體處于極限平衡狀態(tài)，假定若干滑裂面，對滑裂面上土體進行條塊劃分，采用摩爾-庫侖破壞準則對其進行分析來求解問題[7]。用極限平衡理論方法求解問題時往往是靜不定的，于是引入一些簡化假定來使問題變得靜定可解，這種處理并不是很嚴密，但它所帶來的誤差并不大，同時利用這些假設使問題的計算工作大大的簡化，因而在工程應用中被廣泛地采用[8]。

此次護岸穩(wěn)定計算采用天津港灣工程研究所編制的地基計算系統(tǒng)（98版），計算采用極限平衡理論方法，將水位零線作為X軸，將通過護岸頂面外緣線的垂線作為Y軸。各河橋引橋段穩(wěn)定計算選取引橋最大路基厚度進行，圓弧滑動計算見圖4、圖5，圓弧滑動計算結果見表3。

圖4 李村河北岸引橋處護岸圓弧滑動計算圖

圖5 婁山河北岸引橋處護岸圓弧滑動計算圖

表3 引橋圓弧滑動計算結果

由上述計算可知，引橋距離護岸頂面外緣線4.75 m時，各引橋處護岸的安全系數(shù)均大于1.3，計算證明護岸是穩(wěn)定的。

5 施工后觀測結果及分析

為了解公路拓寬后，新增道路，特別是河橋引橋對護岸穩(wěn)定的影響，施工過程中和施工完成后需對護岸進行變形觀測。變形觀測包括沉降觀測和水平位移觀測，沉降觀測主要是對全線路基，特別是路基加高段的沉降進行觀測，了解公路拓寬后對護岸垂直變形的影響；水平位移觀測主要是對全線路基，特別是路基加高段護岸的水平位移進行觀測，了解公路拓寬后護岸水平變形情況。

變形測量的重點是湖島河橋、李村河橋、沔陽河橋和婁山河橋的引橋部分。因為這些引橋均為重力結構，高度較高，自重較大，對護岸穩(wěn)定影響較大。

變形觀測點的布置按照重點部位重點布控的原則進行。對于引橋部分，觀測點間距設定為10.0 m，并在護岸邊緣線和新增道路中心線分別布置；對于一般路段，觀測點間距設定為100.0 m，布置在護岸邊緣線即可。引橋施工期的觀測頻率為每5 d觀測一次，一般路段每10 d觀測一次。施工期后的觀測點數(shù)可適當減少，頻率可適當增大，具體根據(jù)現(xiàn)場觀測情況定。

工后1 a內對沉降和水平位移的觀測結果見圖6、圖7，可以看出，各路段的變形規(guī)律相似。在觀測期內，變形速度前期比較快，后期慢慢趨于緩和。并且，對比實測數(shù)據(jù)和各計算點的沉降計算結果可以看出，各路段沉降量隨時間產(chǎn)生累積效果，剩余沉降大的路段，沉降速率也比較大。水平位移選用湖島河橋北岸、李村河橋北岸和婁底河橋北岸的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)各段水平位移變化趨勢一致，呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，且一個位移恢復的時段，根據(jù)第二小節(jié)分析，這應該與當?shù)丶竟?jié)性氣溫的變化影響有關。

圖6 各路段平均沉降觀測結果圖

圖7 各路段平均水平位移觀測結果圖

6 結論與建議

（1）引橋擋墻距離護岸頂外緣線的長度不宜過小，本次計算引橋擋墻距離護岸頂外緣線4.75 m，即人行通道位于引橋外側，證明可行。但引橋施工過程中會對護岸結構造成一定的影響，建議施工過程時加強對護岸結構的保護，并對施工速率進行控制。

（2）對引橋建成前、后的地基沉降量進行了計算。

（3）對引橋建成后護岸的穩(wěn)定性進行了計算，計算結果證明引橋建成后護岸穩(wěn)定。

（4）護岸在引橋建成后的水平位移量和沉降量，變形速度慢慢趨于緩和，而且剩余沉降大的路段，沉降速率也比較大；水平位移受當?shù)貧鉁刈兓绊戄^大。

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U416.1

A

1009-7716（2017）03-0063-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.019

2016-11-20

張甫田（1976-），男，山東青島人，高級工程師，從事道橋設計工作。