劉士全，趙曉亮

（1.內(nèi)蒙古交通設計研究院有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設工程質(zhì)量監(jiān)測鑒定站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

高路堤邊坡在公路工程中十分常見，填料宜選用級配較好的碎石土，在挖方較多的地區(qū)，填料往往由基巖碎石與細粒土組成。近些年國內(nèi)外學者均對高路堤邊坡穩(wěn)定性進行了研究[1-6]。

圖1 研究區(qū)地形地貌

從穩(wěn)定性分析角度來看，高路堤邊坡不同于深挖路塹邊坡，其潛在滑動面往往大部分位于填方路堤區(qū)域，原地基土的影響并不占主要因素，而更多的是填料本身的力學特性，但當?shù)鼗鶛M坡度較陡時，路堤有沿著填筑面滑動的可能，此時的地基土影響較大。因此，研究高路堤邊坡應主要從原地基橫坡度、填料及地基土特性及左右側填方高度來綜合分析。

內(nèi)蒙古黃土地區(qū)分布較為集中，主要分布于鄂爾多斯的南部和北部，上覆淺層、較厚層黃土狀土，下覆基巖，由于該地區(qū)地形地貌變化較大，往往高路堤也是陡坡路堤，分析其穩(wěn)定性不應單從整體穩(wěn)定性進行考慮，并且高填方邊坡有極強的相似性，往往十幾個甚至幾十個段落高填方邊坡穩(wěn)定性均相差不大。因此，為探究內(nèi)蒙古黃土地區(qū)高路堤邊坡的穩(wěn)定性，以內(nèi)蒙古伊克昭盟某高速公路為研究對象，對全線50處高路堤段落進行研究歸納，總結研究區(qū)4處典型的斷面形式，針對其斷面特點基于極限平衡法進行計算分析，旨在為內(nèi)蒙古黃土地區(qū)高路堤邊坡穩(wěn)定性分析提供一些參考。

2 研究區(qū)概況

2.1 地形地貌

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗境內(nèi)，屬黃土丘陵溝壑地貌，區(qū)域內(nèi)海拔高度820m～1584.6m，地形起伏變化很大，區(qū)域內(nèi)沖溝發(fā)育，溝深一般為數(shù)十米，最大相對高差可達百米以上，地表被切割呈破碎狀，受地形條件限制，研究區(qū)設置高路堤（邊坡高度大于20m）、高架橋路段較多。主線共設置高路堤31段（總長4380m），互通區(qū)共設置高路堤19段（總長2534.2m）。

2.2 氣候水文

研究區(qū)屬于典型的中溫帶大陸性氣候，氣候特點為冬季漫長而寒冷，夏季炎熱而短促，春秋氣溫變化劇烈。全年降雨少而集中，多集中在七、八、九3個月，降雨年際變化大，最低年份僅為143.5mm，最高年份為636.5mm，年平均降雨量400mm左右。蒸發(fā)量年平均為2093mm，是降雨量的5 倍。每年一月最冷，平均氣溫在-10.8℃～-12.9℃之間，極端最低溫度為-32.8℃；7月最熱，年平均氣溫為29℃，極端最高氣溫為39℃。無霜期約145天，初霜日平均為9月30日，終日為5月7日，最大凍土深度1.4m。受季風影響，夏季多偏南風或偏東風，晚秋至初春多西北風，全年日平均風速為1.9m/s～3.4m/s，最大風速為32m/s。

全線水源較為匱乏，大部分地段未見地下水分布，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件及對附近村民走訪調(diào)查，地下水不具腐蝕性。

2.3 地層巖性

研究區(qū)地基土主要為黃土、砂巖及泥巖。

①黃土呈黃褐色，濕度為稍濕，密實度處于稍密-密實之間，含粉砂。稍密狀黃土工程地質(zhì)性質(zhì)一般，密實狀黃土工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

②泥巖呈棕紅色-紫紅色、灰綠色，風化程度為全風化-中風化，高路堤影響范圍內(nèi)主要為全風化泥巖，分布泥巖多含砂質(zhì)，薄層-巨厚層狀，多與砂巖呈互層狀分布。

③砂巖呈灰黃色-青灰色，細砂質(zhì)-粗礫砂質(zhì)結構，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結，薄層-巨厚層狀，風化程度為全風化-中風化，高路堤影響范圍內(nèi)主要為全風化砂巖，地層分布穩(wěn)定，多與紫紅色泥巖互層狀分布，局部地段砂巖內(nèi)含煤層多層。

2.4 地質(zhì)構造

研究區(qū)內(nèi)各個時代的地層，主要表現(xiàn)為微弱的地殼升降運動而產(chǎn)生的輕微褶皺和大小、方向不同的斷裂構造。根據(jù)沉積回旋和區(qū)域不整合的特征，區(qū)內(nèi)地層基本可分為印支期、燕山期、喜馬拉雅期三個構造層。第四紀以來，區(qū)內(nèi)基本處于新構造運動的上升階段，在季節(jié)性洪水沖刷侵蝕作用下，造成溝谷十分發(fā)育，使中生界及其以前的老地層裸露于地表。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015），研究區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，對應的地震基本烈度為Ⅵ度，地震動反應譜特征周期為0.45s。因此，根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）,可不用考慮抗震穩(wěn)定性驗算。

2.5 研究區(qū)填料及地基土力學特性指標

研究區(qū)代表性黃土狀粉土土樣壓實度（94%）直剪試驗粘聚力為23.9kPa，內(nèi)摩擦角26.9°，代表性泥質(zhì)砂巖壓實度（94%）直剪試驗粘聚力為20.41kPa，內(nèi)摩擦角32.8°，考慮本項目路基填料以黃土狀粉土及泥質(zhì)砂巖為主，同時結合類似項目黃土狀粉土高路堤抗剪強度參數(shù)取值類比，高路堤填土抗剪強度取值統(tǒng)一按粘聚力為23.9kPa、內(nèi)摩擦角26.9°取值，飽和工況粘聚力為15.9kPa、內(nèi)摩擦角23.9°。

研究區(qū)代表性泥質(zhì)砂巖壓實度（94%）直剪試驗粘聚力為20.41kPa，內(nèi)摩擦角32.8°，泥巖、砂質(zhì)泥巖原狀土直剪試驗抗剪強度參數(shù)普遍較高，考慮研究區(qū)高路堤基底以泥質(zhì)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，高路堤地基土抗剪強度取值統(tǒng)一按粘聚力為20.41kPa、內(nèi)摩擦角32.8°取值。飽和工況粘聚力為12.41kPa、內(nèi)摩擦角29.8°。

3 研究區(qū)高路堤邊坡工況分析

研究區(qū)高填方路堤邊坡根據(jù)其區(qū)域概況及工程地質(zhì)特征計算主要分為兩種分析情況，分析情況1為自然工況，分析情況2為暴雨工況下的穩(wěn)定性。由于是公路路堤高邊坡，可以看做平面應變問題，因此首推工程實踐最普遍采用的極限平衡法進行計算，擬建防護措施屬于被動防護，其作為安全系數(shù)儲備不予考慮。

3.1 自然工況下高邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2015），高填方路堤邊坡需要考慮兩種情況，一是高邊坡的整體穩(wěn)定性，二是路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定性。針對沿斜坡地基或軟弱帶滑動的可能，對路基橫坡陡于1:5的區(qū)域均設置不小于2m寬度的臺階，以減少沿潛在滑動面發(fā)生破壞的可能。

路堤堤身穩(wěn)定性采用圓弧滑動法定量分析邊坡的穩(wěn)定性情況，采用簡化bishop法進行分析，路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定性采用不平衡推力法定量分析邊坡的穩(wěn)定性情況。計算分析后采用摩根斯坦法進行校核。

3.2 暴雨工況下高邊坡穩(wěn)定性

由于每個土層的水土特性曲線難以實測，并且項目區(qū)主要為季節(jié)性降雨，瞬時降雨時間不定，因此基于保守考慮，結合地勘提供的飽和抗剪強度進行綜合選取，計算方法同情況1，若保守情況下的暴雨工況穩(wěn)定性無法滿足規(guī)范要求，考慮非飽和土降雨入滲計算，相關模型采用Van Genuchten 模型來擬合土層的水土特征曲線，數(shù)據(jù)來源為《工程地質(zhì)手冊》（第五版）及邊坡計算軟件自帶數(shù)據(jù)庫。

3.3 典型斷面的選取原則

高填方路堤邊坡與深挖路塹邊坡地質(zhì)條件變化不同，其整體穩(wěn)定性主要看路堤填料的性質(zhì)，地基土可根據(jù)區(qū)域整體進行統(tǒng)一取值劃分。典型斷面的選取有以下原則：

①地基土在該段落具有代表性，填方高度又是區(qū)域段落最高填方高度。

②地基原橫坡陡，需要開挖臺階減小滑動可能的斷面。

③兩側均是高填方路堤邊坡或陡坡區(qū)域貫穿整個路堤橫斷面。

4 研究區(qū)高填方邊坡穩(wěn)定性分析研究

4.1 穩(wěn)定性分析方法

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2015），結合項目區(qū)填料及地基土特征，穩(wěn)定性分析方法采用簡化畢肖普法和不平衡推力法進行分析計算，其中路堤整體穩(wěn)定性采用簡化畢肖普法，沿填筑面滑動穩(wěn)定性采用不平衡推力法。

4.2 穩(wěn)定性評價標準

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2015），可確定邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，本項目地基強度指標采用直剪固結快剪試驗，各階段邊坡安全系數(shù)取值見表1。

表1 高路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

4.3 邊坡計算典型段落選取

根據(jù)典型斷面規(guī)則，由于部分典型高填方路堤邊坡屬于陡坡路堤，而且研究區(qū)中單獨的陡坡路堤坡腳均有反坡，安全系數(shù)普遍偏高，綜合考慮，因此本次選取4處不同特點且能代表研究區(qū)的典型高路堤邊坡進行計算。該4處典型高路堤邊坡段落代表了整個研究區(qū)高填方邊坡斷面計算形式，分別為：

①既是高填方路堤也是陡坡路堤，路基為半填半挖路基。

②斷面兩側均屬于高填方路堤，局部斜坡橫坡陡于1:5，但緩于1∶2.5，沿斜坡地基或軟弱帶滑動的可能性幾乎為零，應分左右兩側分析邊坡穩(wěn)定性。

③需同時考慮路堤整體穩(wěn)定性及沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定性，并且陡坡路堤是整個路堤斷面的陡坡路堤，且路堤填方高度大。

④斷面一側屬于高填方路堤，局部斜坡橫坡陡于1∶2.5，但反坡同樣占比較大，沿斜坡地基或軟弱帶滑動的可能性幾乎為零，但填方低的左邊坡同樣也有可能發(fā)生滑動，宜建立全斷面模型，潛在滑動面分左右搜索兩次，分別驗算路堤邊坡的穩(wěn)定性。

4.4 邊坡計算模型尺寸及荷載

考慮邊界效應，邊坡模型根據(jù)坡高H 進行尺寸擴展，根據(jù)實際情況，坡頂為路面，考慮以重載方向為準（73cm），路床厚度80cm，則開挖臺階模型應考慮開挖至路面標高底以下1.53m處。坡腳至右邊界距離為1H，坡腳至下邊界距離為1H。

邊坡8m 一級設置2m 寬平臺，根據(jù)既有工程經(jīng)驗，邊坡坡率一般選取為一級坡1∶1.5、二級坡1∶1.75、高級坡1∶2.0，由于邊坡填料土質(zhì)為黃土狀粉土及泥質(zhì)砂巖為主，碎石土工程特性較好，因此根據(jù)現(xiàn)場實際情況及規(guī)范要求綜合選取四級以上邊坡坡率均為1∶1.5。

計算模型主要考慮填土的自重與汽車荷載對下部路基土的作用，汽車荷載視為施加在路面結構頂面的均布荷載，行車荷載可換算為作用在路面結構上的巖土層的土柱，計算公式見式（1）[7]。

圖2 地震動峰值及地震動反應普特征周期加速度區(qū)劃圖

式中，h0為行車荷載換算高度，m；γ 為填料重度，kN/m3；L 為前后輪最大軸距，按《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）[8]規(guī)定對于標準車輛軸距為12.8m；Q為一輛重車的重力，標準車輛荷載為550kN；N為并列車輛數(shù)，雙車道取2，單車道取1；B為荷載橫向分布的寬度，B=Nb+（N-1）m+d，b 為后輪輪距取1.8m，m 為相鄰兩輛車后輪的中心間距，取1.3m，d 為輪胎著地寬度，取0.6m。荷載分布寬度為5.5m，行車荷載計算得15.625kPa。

4.5 典型路段計算與分析

4.5.1高填方典型路段1

K1+760～K1+840 段路堤高邊坡，總長約80m，地面最大橫坡坡度為49°，路堤填筑后形成最大邊坡高度為27.5m。根據(jù)典型斷面的確定原則，本段落選取的典型斷面樁號為K1+820斷面。需同時考慮路堤整體穩(wěn)定性及沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定性。建立邊坡模型如圖3所示。

圖3 高填方典型路段1邊坡計算模型

天然工況下，此段高填方路堤邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.719（圖4），大于1.45；由于開挖臺階的存在，此段路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動穩(wěn)定性必定大于整體穩(wěn)定性，若將開挖臺階作為穩(wěn)定系數(shù)儲備，重新建立模型進行計算，此段路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定系數(shù)為1.787（圖5），大于1.30，仍滿足規(guī)范要求。

圖4 高填方邊坡天然工況下整體穩(wěn)定性

圖5 高填方邊坡天然工況下沿路堤填筑面滑移穩(wěn)定性

暴雨工況下，此段高填方路堤邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.384（圖6），大于1.35，路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定系數(shù)為1.562（圖7），大于1.20，均滿足規(guī)范要求。

圖6 高填方邊坡暴雨工況下整體穩(wěn)定性

圖7 高填方邊坡暴雨工況下沿路堤填筑面滑移穩(wěn)定性

4.5.2高填方典型路段2

K12+400～K12+530段路堤高邊坡，總長約130m，地面最大橫坡坡度為26°，路堤填筑后形成最大邊坡高度約26m。根據(jù)典型斷面的確定原則，本段落選取的典型斷面樁號為K12+450斷面。該斷面兩側均屬于高填方路堤，局部斜坡橫坡陡于1:5，但緩于1:2.5，沿斜坡地基或軟弱帶滑動的可能性幾乎為零，因此考慮路堤整體穩(wěn)定性即可，但應分左右側分析兩側的邊坡穩(wěn)定性。建立邊坡模型如圖8、圖9所示。

圖8 高填方典型路段2左側邊坡計算模型

圖9 高填方典型路段2右側邊坡計算模型

天然工況下，此段高填方路堤左右側邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)分別為1.724（圖10）、1.696（圖11），均大于1.45，滿足規(guī)范要求。

圖10 高填方左側邊坡天然工況下整體穩(wěn)定性

圖11 高填方右側邊坡天然工況下整體穩(wěn)定性

暴雨工況下，此段高填方路堤左右側邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)分別為1.397（圖12）、1.371（圖13），均大于1.35，滿足規(guī)范要求。

圖12 高填方左側邊坡暴雨工況下整體穩(wěn)定性

圖13 高填方右側邊坡暴雨工況下整體穩(wěn)定性

4.5.3高填方典型路段3

K25+230～K25+520段路堤高邊坡，總長約290m，地面最大橫坡坡度為41°，中心最大填土高度40.9m，路堤填筑后形成最大邊坡高度約48.2m。根據(jù)典型斷面的確定原則，本段落選取的典型斷面樁號為K25+380斷面。該斷面需同時考慮路堤整體穩(wěn)定性及沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定性，并且該陡坡路堤是整個路堤斷面的陡坡路堤，且路堤填方高度大，是項目區(qū)最具代表性的陡坡路堤。建立邊坡模型如圖14、圖15所示。

圖14 高填方典型路段3邊坡計算模型I

圖15 高填方典型路段3邊坡計算模型II

天然工況下，此段高填方路堤邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.751（圖16），大于1.45；由于此段路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動涉及整個路基，因此重新建模后進行計算，此段路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定系數(shù)為2.561（圖17），大于1.30，滿足規(guī)范要求。

圖16 高填方邊坡天然工況下整體穩(wěn)定性

圖17 高填方邊坡天然工況下沿路堤填筑面滑移穩(wěn)定性

暴雨工況下，此段高填方路堤邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.431（圖18），大于1.35；路堤沿斜坡地基或軟弱帶滑動的穩(wěn)定系數(shù)為2.171（圖19），大于1.20，滿足規(guī)范要求。

圖18 高填方邊坡暴雨工況下整體穩(wěn)定性

圖19 高填方邊坡暴雨工況下沿路堤填筑面滑移穩(wěn)定性

4.5.4高填方典型路段4

K36+690～K36+900段路堤高邊坡，長約210m，地面最大橫坡坡度為40°，中心最大填土高度41m，路堤填筑后形成最大邊坡高度約43m。根據(jù)典型斷面的確定原則，本段落選取的典型斷面樁號為K36+860斷面。該斷面右側屬于高填方路堤，局部斜坡橫坡陡于1:2.5，但反坡同樣占比較大，沿斜坡地基或軟弱帶滑動的可能性幾乎為零，因此考慮路堤整體穩(wěn)定性即可，但填方低的左邊坡同樣也有可能發(fā)生滑動，為了探尋此類邊坡穩(wěn)定性，本次計算采用全斷面建模，潛在滑動面分左右搜索兩次。建立邊坡模型如圖20所示。

圖20 高填方典型路段4邊坡計算模型

天然工況下，此段高填方路堤左右側邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)分別為2.116（圖21）、1.986（圖22），均大于1.45，滿足規(guī)范要求。

圖21 高填方左側邊坡天然工況下整體穩(wěn)定性

圖22 高填方右側邊坡天然工況下整體穩(wěn)定性

暴雨工況下，此段高填方路堤左右側邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)分別為1.732（圖23）、1.569（圖24），均大于1.35，滿足規(guī)范要求。

圖23 高填方左側邊坡暴雨工況下整體穩(wěn)定性

圖24 高填方右側邊坡暴雨工況下整體穩(wěn)定性

5 結語

對內(nèi)蒙古準格爾旗黃土地區(qū)某高速公路研究區(qū)全線高路堤邊坡穩(wěn)定性進行了研究歸納，得到如下結論：

①全線50處高路堤邊坡主要有4種斷面形式，基本可以代表附近地區(qū)的高路堤邊坡斷面，從天然工況和暴雨工況對4個典型斷面模型進行了穩(wěn)定性分析，計算結果均滿足規(guī)范要求，說明了研究區(qū)地基土和填料力學特性較好，驗證了高邊坡坡率確定的正確性。

②區(qū)域地震烈度較小，為VI度，因此可以不用驗算地震作用對高邊坡的影響。

③在暴雨工況中采用飽和參數(shù)進行穩(wěn)定性計算，計算結果均滿足規(guī)范要求，此種方法是工程設計中較為常用的保守方法，若未滿足規(guī)范要求，還應考慮土體非飽和入滲的規(guī)律，通過負孔隙水壓力和降雨入滲深度的關系進行暴雨工況的邊坡穩(wěn)定性計算。此外，防護形式及排水設施作為安全儲備，不體現(xiàn)在邊坡穩(wěn)定系數(shù)中。