山區(qū)高速公路棄土場選址分類方法及其穩(wěn)定性分析＊

彭 立，黃偉偉，徐希武，李宏泉，方理剛，吳仁銑

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南長沙 410008;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

山區(qū)高速公路棄土場選址分類方法及其穩(wěn)定性分析＊

彭 立1，黃偉偉2，徐希武2，李宏泉1，方理剛2，吳仁銑2

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南長沙 410008;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

通過現(xiàn)場調(diào)研，提出鎖口型、敞口型、坡面型3種棄土場選址分類方法。運用Bishop－圓弧搜索法模擬棄土場坡體滑動面可能發(fā)生的位置，采取加固與防護措施，并周期性地監(jiān)測墻背土壓力變化情況。結(jié)果表明:鎖口型棄土場是最安全、最合理的設(shè)計方法，由于棄土場土體的松散特性，棄土場的局部穩(wěn)定性較差，坡體上部土體對攔擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的土壓力最大。該研究結(jié)果可為今后類似工程提供借鑒。

棄土場;鎖口型;穩(wěn)定性;土壓力

公路建設(shè)特別是西部地區(qū)山區(qū)公路建設(shè)中，不可避免地會產(chǎn)生大量棄土(石)。棄土場是公路建設(shè)中具有破壞性的線外附屬工程，亂堆亂棄、棄而不管的現(xiàn)象比較普遍。國內(nèi)外，棄土場設(shè)計與施工沒有一套完整的體系作為指導(dǎo)，棄土場引起的地質(zhì)災(zāi)害屢屢發(fā)生。

棄土場選址不合理，不僅會給周圍環(huán)境帶來破壞，而且還影響周圍居民的生命安全。棄土場位置選擇和設(shè)計是土方工程的一項重要內(nèi)容，棄土場若選擇在陡坡上，甚至在滑坡體上，極易產(chǎn)生工程滑坡，或者誘使古滑坡復(fù)活。另外，棄土隨意堆放于挖方坡頂，會給邊坡施加不小的超載，并可能造成坡頂積水，在荷載作用和雨水下滲的影響下，很容易造成邊坡滑塌失穩(wěn)［1－5］。

棄土場是一種人工形成的邊坡，其穩(wěn)定性比自然邊坡差，它的破壞是有回填形成的松散坡體的破壞，坡體在各種內(nèi)力和外力的共同作用下，極易產(chǎn)生剪切破壞和土體移動。因此，棄土場穩(wěn)定性問題在工程設(shè)計和施工中應(yīng)引起足夠的重視。

1 棄土場選址分類方法

通過對湖南省內(nèi)山區(qū)公路棄土場現(xiàn)場調(diào)研，從安全和環(huán)保方面分析，總結(jié)提出涵蓋考慮穩(wěn)定性、水土保持、景觀協(xié)調(diào)、棄土場設(shè)計類型的3種棄土場選址分類方法和設(shè)計原則，即鎖口型、敞口型、坡面型棄土場分類方法和設(shè)計原則。

鎖口型棄土場設(shè)計原則，從棄土場穩(wěn)定性方面研究，鎖口型棄土場能夠緊緊地將棄土包裹起來，使棄土場的土體更緊密，穩(wěn)定性更高。從改變地形地貌方面研究，鎖口型棄土場很好地將凹地填平，較平地來說，地形地貌變化不大。從占用土地效益方面研究，一般肚大口小的地方，都是沒有效益的廢棄無用土地，所以鎖口型棄土場可以不用占農(nóng)田、耕地等有效益的土地。從防護加固方面考慮，鎖口型棄土場可以不用或少用防護加固措施，只需在鎖口處，設(shè)計攔擋排水等防護加固設(shè)施。

圖1 提出鎖口型棄土場Fig.1 Locking type spoil ground

圖2 鎖口型棄土場設(shè)計示意圖Fig.2 Locking type spoil ground design sketch

敞口型棄土場設(shè)計原則，相對于鎖口型棄土場，穩(wěn)定性稍差。從示意圖3上可以看出敞口型棄土場的選址特征是:棄土場分為2部分，一部分土體在斜坡上，一部分在平地上。如果地基承載力足夠，平地上的土體是處于穩(wěn)定狀態(tài)，而斜坡上的土體存在向下滑動的趨勢，對平地上的土體產(chǎn)生推力作用，一旦推力過大，棄土場容易發(fā)生破壞。

圖3 敞口型棄土場設(shè)計示意圖Fig.3 Exposure type spoil ground design sketch

坡面型棄土場設(shè)計原則，在棄土場3種分類中，穩(wěn)定性最差。一般公路施工中產(chǎn)生的棄土比較多，且周圍沒有很好的場址可以放置棄土，考慮到運距因素，將棄土放置在附近的荒坡上，這種看起來對無效益的荒坡沒有產(chǎn)生影響，但存在的安全隱患卻非常巨大，由于整個棄土場都處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，棄土場與坡面接觸的基底可能都是滑動帶，整個棄土場都有向下滑動的趨勢，這種棄土場設(shè)計方法欠佳。

圖4 坡面型棄土場設(shè)計示意圖Fig.4 Slope type spoil ground design sketch

2 棄土場穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性分析方法

棄土場穩(wěn)定性問題一直是公路建設(shè)中的一個重要研究內(nèi)容。棄土場穩(wěn)定性分析方法很多，不同的方法又各具特點，有一定的適用條件。棄土場穩(wěn)定性分析的一般步驟為:實際坡體—力學(xué)模型—數(shù)學(xué)模型—計算方法—結(jié)論［6－7］。極限平衡法建立在庫倫和郎肯2種不同的思路基礎(chǔ)上，這也引起了極限平衡法2個獨立分支的形成。一是通過研究滑裂面上作用的力的靜力平衡和確定臨界滑裂面求得問題的解，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出了目前廣泛采用的穩(wěn)定分析的條分法;另一是在假定土體內(nèi)處處達到極限平衡狀態(tài)的前提下，用特征線法求解應(yīng)力場，在一定的簡化條件下，獲得問題的閉合解。極限平衡法分為極限平衡分析的垂直條分法和滑移線法［8］。

2.2 加固與防護措施

針對不同的山區(qū)公路棄土場巖體類型及其破壞模式應(yīng)相對采用不同的治理措施。為了體現(xiàn)協(xié)調(diào)性原則，穩(wěn)態(tài)坡形的選擇或補強方案的制定必須考慮新建山區(qū)公路棄土場的穩(wěn)態(tài)或被加固體的穩(wěn)態(tài)要同自然坡體的穩(wěn)態(tài)相互協(xié)調(diào)。治理病害山區(qū)公路棄土場的方法種類很多，就其所起的作用來說，原則上可分為2種:一種是當(dāng)山區(qū)公路棄土場整體穩(wěn)定無問題，僅對表部或局部出現(xiàn)的變形破壞而采取的防護措施，例如為防止山區(qū)公路棄土場沖刷、侵蝕、風(fēng)化或局部崩塌的防護措施;另一種則是山區(qū)公路棄土場本身不能保持穩(wěn)定，為清除或減少各種不穩(wěn)定因素，增強山區(qū)公路棄土場穩(wěn)定性的整治工程措施。從以下3個方面做好棄土場防護與加固措施［9］:

(1)排水工程:應(yīng)設(shè)置地表排水設(shè)施和地下排水設(shè)施，消除或減輕水對山區(qū)公路棄土場穩(wěn)定性的影響。地表排水設(shè)施主要有:截水溝、排水溝和急流槽等;地下排水設(shè)施主要有:排水管、泄水孔和反濾層等。

(2)攔擋工程:對有潛在滑動面的棄土場坡體，攔擋工程的修建是必不可少的。攔擋工程可以改善山區(qū)公路棄土場的力學(xué)平衡條件。攔擋措施主要有:設(shè)置抗滑擋墻(重力式擋土墻、錨索擋墻、土釘墻、薄壁式擋墻、加筋土擋土墻、錨定板擋土墻)、抗滑樁、錨固或預(yù)應(yīng)力錨固等。

(3)綠化工程:防止坡面風(fēng)化，水土流失，脫落，需對棄土場坡面進行綠地整理，增強棄土場坡體穩(wěn)定性，同時可以改觀棄土場與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性。綠化工程主要有:樹木栽植、草坪、花卉種植和復(fù)耕工程(復(fù)耕還林和復(fù)耕還農(nóng))等。

攔擋加固工程是棄土場坡體防治中的有效方法。近年來在完善已有措施的基礎(chǔ)上，正向復(fù)合結(jié)構(gòu)、輕小型化和機械化施工方向發(fā)展。同時各類棄土場滑坡治理也從單一方式向綜合方式發(fā)展，由被動受力向主動抗滑發(fā)展。山區(qū)公路棄土場的攔擋結(jié)構(gòu)形式選用時可根據(jù)場地地質(zhì)環(huán)境條件、山區(qū)公路棄土場高度以及棄土棄渣巖體的類型［10］。

2.3 實例分析

吉懷高速公路第十九合同段是包頭—茂名(包茂高速)高速公路中吉首至懷化的一段，其中K98+800處有一個正在施工的棄土場，運用Bishop－圓弧搜索法理論基礎(chǔ)，通過軟件模擬該棄土場局部和整體最可能發(fā)生滑動的10個滑移面。

在實際工程中，采用現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)，觀察K98+800棄土場土體對擋土墻產(chǎn)生的土壓力的周期性變化，分析其穩(wěn)定性變化規(guī)律。

2.3.1 棄土場坡體模擬分析

在棄土場坡體上選取某個斷面，對其進行局部和整體搜索，找到可能發(fā)生的滑動面。

從地形圖中可得中斷面地表和地層線段的坐標(biāo)如表1，其中地層1為紅砂巖，地層2為亞砂土。

表1 斷面邊界坐標(biāo)Table 1 The boundary coordinate of section

斷面分析圖見圖5，從圖中可以看出:局部和整體滑動面主要集中在棄土場坡體下端的土體，說明擋土墻上部會受到最大的滑動力作用。

圖5 斷面滑移面分析圖Fig.5 The sliping surface of section

在分析地層和坡體走向時，選擇局部最危險滑移面進行計算。對搜索范圍有如下設(shè)計:允許搜索的起點的范圍為從X坐標(biāo)值12到X坐標(biāo)值14，允許搜索的終點范圍為從X坐標(biāo)值25到X坐標(biāo)值30。搜索的密度，在起點范圍內(nèi)設(shè)計10個點數(shù)，通過每一個點的滑動面數(shù)為10個。其中，滑動面條分線段長度為1 m。

由于存在潛在滑動面的危險，棄土場需要進行攔擋措施，考慮攔擋工程對棄土場坡體的力系平衡作用，再計算棄土場坡體穩(wěn)定性，結(jié)果如表2，攔擋工程穩(wěn)定性符合要求。

表2 棄土場穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 2 Retaining wall stability calculations

2.3.2 棄土場現(xiàn)場監(jiān)測

K98+800棄土場的擋土墻有6 m高，在棄土之前，擋土墻已修建好，在墻背同一深度左右2個斷面分別安裝土壓力盒傳感器，共5組，目的是為了對同一深度的觀測值進行校正，或取2個觀測值的平均值代表這個深度的最終觀測結(jié)果，安裝示意圖見圖6。

圖6 土壓力盒傳感器安裝示意圖Fig.6 The installation diagram of soil pressure sensor

對擋土墻墻背土壓力進行了6個月的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7～圖8所示。

圖7 K98+800棄土場左斷面土壓力變化情況Fig.7 The left section changes of soil pressure in K98+800 spoil ground

圖8 K98+800棄土場右斷面土壓力變化情況Fig.8 The right section changes of soil pressure in k98+800 spoil ground

土壓力變化跟時間有關(guān)，但時間并不是影響土壓力變化的根本原因，根本原因在于墻體變形、土體流變、固結(jié)、沉降以及降雨等因素。

3 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場調(diào)研，提出鎖口型、敞口型和坡面型的3種棄土場選址分類方案，安全性依次減弱，建議高速公路類似棄土場工程采用鎖口型棄土場選址方案;

(2)通過軟件模擬試驗，反映實際工程中棄土場穩(wěn)定性的變化情況和坡體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，得出棄土場坡體下端土體處在自重和上端土體滑動力的雙重作用下穩(wěn)定性最差的結(jié)論，必須采取合理經(jīng)濟的攔擋加固措施;

(3)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明:2.6 m深土壓力最大，由于該深度以上的土體處在向下滑動趨勢，棄土場坡體深部土體相對穩(wěn)定，結(jié)合模擬試驗分析，棄土場發(fā)生局部滑坡的可能性較大。

［1］陳 濤，金亮星.湘西某滑坡整治深部位移監(jiān)測分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2010，6(11):45 －50.

CHEN Tao，JIN Liang-xing.Analysis of deep displacement monitoring of landslide treatment in western Hunan［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2010，6(11):45－50.

［2］雷金山，陽軍生，周大東，等.長潭新開河邊坡滑坡機理分析與整治設(shè)計［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2010，6(10):40－44.

LEI Jin-shan，YANG Jun-sheng，ZHOU Da-dong，et al.Mechanism analysis of landslide of Changtan new river and treatment［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2010，6(10):40 －44.

［3］陳宗偉，江玉林，張洪江.高速公路棄土場邊坡溝蝕規(guī)律研究［J］.中國水土保持科學(xué)，2006，4(Supp):6－10.

CHEN Zong-wei，JIANG Yu-lin，ZHANG Hong-jiang.Law of gully erosion of side slope of expressway spoil ground［J］.Science of Soil and Water Conservation 2006，4(Supp):6－10.

［4］卓慕寧.高速公路棄土場堆積邊坡的生態(tài)防護試驗［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2007，26(6):912 －916.

ZHUO Mu-ning.Ecological protection of spoil ground accumulation slope in expressway construction［J］.Chinese Journal of Ecology，2007，26(6):912 －916.

［5］韓 信，張敏靜.棄土場位置選擇和設(shè)計原則方法探討［J］.公路，2008，9(9):282 －285.

HAN Xin，ZHANG Min-jing.The study of spoil site in location choice and design principles［J］.Highway，2008，9(9):282－285.

［6］許湘華，朱能文，方理剛，等.貴州地區(qū)淺變質(zhì)巖公路邊坡穩(wěn)定性分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2010，4(8):45－51.

XU Xiang-hua，ZHU Neng-wen，F(xiàn)ANG Li-gang，et al.Stability analysis of shallow metamorphic rock slope in Guizhou area［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2010，4(8):45 －51.

［7］蔣德松，蘇永華，趙明華.邊坡穩(wěn)定可靠性分析程序研制［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008，5(10):44 －48.

JIANG De-song，SU Yong-hua，ZHAO Ming-hua.Program of stability reliability analysis system for slope［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2010，5(10):44－48.

［8］王江營，文世新，曹文貴，等.塑性極限分析上限法在邊坡安全系數(shù)求解中的應(yīng)用［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2009，5(10):45 －49.

WANG Jiang-ying，WEN Shi-xin，CAO Wen-gui，et al.Appliancation of plastic limit analysis upper bound method on the calculation of safety factor on slope［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2009，5(10):45－49.

［9］JTG F10—2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范［S］.

JTG F10—2006，Technical specification for construction of highway subgrades［S］.

［10］徐國民，楊金和.邊坡支護需考慮的因素與支護結(jié)構(gòu)形式的選擇［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報，2008，33(4):51－68.

XU Guo-ming，YANG Jin-he.Influencing factors and structural choices for slope supporting［J］.Journal of Kunming University of Secience and Technology:2008，33(4):51－68.

The methods for site choosing and stability analysis of mountain highway spoil ground

PENG Li1，HUANG Wei-wei2，XU Xi-wu2，LI Hong-quan1，F(xiàn)ANG Li-gang2，WU Ren-xi2

(1.Hunan Provincial Communications Planning，Survey ＆ Design Institute，Changsha 410008，China;2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

According to site investigation，three methods for site choosing of spoil ground，which are locking－type method，exposure－type method，slope－type method，were proposed firstly.Using Bishop －arc searching method to simulate the most possible place of sliding surface of slope in the spoil ground，we adopted measures of strengthening and protection.We monitored the changing of soil stress of wall back periodically.The results shown that the locking －type method is most safety and reasonable.Because of the loose characteristics of soil in the spoil ground，the local stability become worse，and we find the soil pressure of supporting －structure caused by the upper soil of slope is maximum.The study of this paper may provide reference for the similar projects in the future.

spoil ground;locking－type;stability;soil pressure

U412

A

1672－7029(2011)06－0075－05

2011－12－02

西部交通建設(shè)科技項目(200731822313)

彭立(1968－)，男，湖南長沙人，碩士，高級工程師，從事公路工程勘察與設(shè)計、科研、管理工作