碎石土混合料在加筋高邊坡中的應用

何必伍， 徐國元， 黃文通，潘 冬

(1.華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510641；2.東莞理工學院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院， 廣東 東莞 523808；3.廣州市市政集團有限公司， 廣東 廣州 510095)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟建設的快速發(fā)展以及城市化進程的推進，許多建設用地緊張的城市不得不在地形地貌復雜的山區(qū)，通過削山填溝的方法來增加建設用地，使得高填方邊坡工程尤為常見[1-4]。其中，大多采用加筋的方法修建高陡邊坡，以增加邊坡的穩(wěn)定性和減少對土地的占用。土工格柵是加筋中的一種常用材料，其結(jié)構(gòu)能顯著提高巖土體的力學性能，對于邊坡填土的加固和側(cè)向約束具有良好的效果[4-5]。目前，國內(nèi)加筋邊坡的高度已經(jīng)達到60 m以上，這對高填方加筋邊坡的設計和施工都提出了嚴格的要求[6]。但相關研究主要集中于加筋邊坡的穩(wěn)定性、加筋材料、筋-土界面特性等方面。文獻[7]基于極限分析上限定理，考慮兩種加筋模式，采用擬靜力分析方法，推導出了一定邊坡高度條件下的三維加筋邊坡臨界加筋強度的計算公式。文獻[8]研究非線性摩爾-庫侖破壞準則下，三維加筋邊坡在均勻加筋和三角形加筋兩種加筋模式下的穩(wěn)定性，采用極限分析上限理論，構(gòu)建加筋邊坡破壞的三維破壞機構(gòu)，推導出不同加筋模式下的筋材內(nèi)能耗散方程，并根據(jù)上限定理，將三維加筋邊坡的穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化為顯式優(yōu)化問題，得到三維邊坡穩(wěn)定性指標的計算公式。文獻[9]通過研究邊坡的水平位移及坡體沉降量，對比分析了土工格柵加筋邊坡的加筋機理及加筋材料對坡體穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)無加筋邊坡的破壞位置發(fā)生在坡肩處，而加筋邊坡的破壞位置發(fā)生在邊坡1/6～1/3高度處。文獻[10]對加筋邊坡進行滲流性能分析，發(fā)現(xiàn)土工織物可較好地提高低滲透邊坡的穩(wěn)定性，且鋪設于邊坡下半部分的加筋材料層對消散孔隙水壓力具有重要作用。文獻[11-13]通過相似的模型試驗或數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)筋土界面處的應力場會嚴重影響界面處顆粒之間的作用方式，而且邊坡加筋穩(wěn)定性并非是筋帶數(shù)量上的疊加效應，邊坡的穩(wěn)定性與筋-土界面特性有著很好的關系，隨筋材模量的增加而增加，但當增加到一定數(shù)值后，改變筋材模量對提高邊坡穩(wěn)定性并無實質(zhì)性的意義。文獻[14]結(jié)合新疆的實際情況，將土工合成材料加筋礫石土坡按準黏聚力原理轉(zhuǎn)化為等代均質(zhì)土坡，按簡化畢肖普法計算加筋邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。綜上可知，對加筋邊坡填料方面的研究較少，特別是在工程建設中產(chǎn)生棄方材料的利用方面。近年來，隨著國家對自然環(huán)境保護越來越重視，工程建設中對自然資源的充分利用及減少對自然環(huán)境的破壞顯得尤為重要。因此，加強對加筋填料方面的研究是有必要的。

粗粒土或級配碎石作為常見的填方邊坡回填材料，其力學參數(shù)易通過小型試驗確定或直接套用保守經(jīng)驗值，而碎石土混合料的力學參數(shù)難以通過小尺寸土工試驗或經(jīng)驗值進行確定。邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的可靠性，很大程度上取決于土體抗剪強度指標的正確選擇，且抗剪強度指標不同，會導致分析結(jié)果的差別遠大于不同計算方法之間的差別[15]。

本文基于就地取材、就近平衡的原則，探究以挖方碎石土混合料代替級配碎石回填加筋邊坡的可行性。通過利用挖方碎石土混合料進行加筋邊坡試驗段填筑，對試驗段進行現(xiàn)場壓板載荷試驗和室內(nèi)大型直剪試驗，并建立有限元模型，計算加筋邊坡的安全系數(shù)，確定不同土石質(zhì)量比時挖方碎石土混合料是否滿足設計要求，以及邊坡穩(wěn)定性安全狀態(tài)。

1 工程背景

本文研究對象為廣州某產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設配套工程，園區(qū)山體地勢起伏較大，平整場地將產(chǎn)生大量的挖方及填方邊坡，挖填方邊坡分布平面圖如圖1所示。

挖方邊坡主要位于場地的西側(cè)，高度為20～50 m，設計挖方量約為340×104m3。填方邊坡主要位于場地的東側(cè)、北側(cè)及南側(cè)，高度為30～60 m，設計填方量約為250×104m3。填方邊坡對原狀土地基要求是地基承載力特征值≥200 kPa，對復合地基要求是復合地基承載力特征值≥500 kPa。原設計方案要求填方邊坡加筋區(qū)填料選用級配良好的碎石進行回填，并且填料綜合內(nèi)摩擦角不小于35°，最大粒徑應不大于100 mm。分層回填、分層碾壓，每層壓實厚度不得大于250 mm，壓實度≥95%。

本文以具有代表性的村委加筋高邊坡(高60 m)為例進行研究，該加筋高邊坡具體剖面圖及加筋坡面設計見圖2。依據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[16]的相關規(guī)定，該邊坡安全等級為一級，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不小于1.35。

圖2 村委加筋高邊坡剖面圖及加筋坡面設計

根據(jù)巖土工程勘察報告，支護結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)場地地層自上而下為：素填土、人工填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全風化混合花崗巖、強風化混合花崗巖、中風化混合花崗巖、微風化混合花崗巖，具體地層分布見圖2。地下水主要分為松散巖土巖類孔隙水和塊狀基巖裂隙水兩種類型。

2 碎石土混合料的參數(shù)確定

對試驗段進行現(xiàn)場壓板載荷試驗和碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗，獲取試驗段的地基承載力和碎石土混合料的抗剪強度參數(shù)。

2.1 試驗段填筑

為確認挖方碎石土混合料能否在常規(guī)機械組合施工下達到設計要求的壓實度，以及后續(xù)現(xiàn)場壓板載荷試驗展開的需要，利用未經(jīng)處理的挖方碎石土混合料進行試驗段碾壓填筑。

根據(jù)現(xiàn)場的場地條件，試驗段回填面積約500 m2，回填碎石土混合料粒徑不大于200 mm，分層壓實厚度不超過500 mm，并通過常規(guī)碾壓確保邊坡壓實度達到95%以上。壓板載荷試驗中，壓板尺寸為1 m×1 m，影響深度范圍一般為3d(d為壓板直徑或?qū)挾?，為了更好地評估碎石土邊坡填料的力學特性，本次試驗段碎石土邊坡填料的填筑厚度為3.5 m。

2.2 現(xiàn)場壓板載荷試驗

2.2.1 試驗過程

壓板載荷試驗是用一定尺寸的荷載板在指定土層逐級加載，同時量測相應沉降，以得到的荷載-沉降(p-s)曲線,確定地基極限承載力p。

壓板載荷試驗在試驗段場地內(nèi)共布置3個試驗點，壓板尺寸為1 m×1 m，考慮到1 m2壓板的寬度影響深度范圍為3d，因此，相鄰兩個試驗點距離應大于或等于6 m，壓板離試驗區(qū)域邊界應不小于3 m。圖3為試驗場地試驗點平面布置示意圖，圖4為壓板載荷試驗現(xiàn)場照片。

圖3 試驗點平面布置示意圖

圖4 壓板載荷試驗現(xiàn)場照片

所有壓板載荷試驗均采用自動加壓、自動沉降讀數(shù)裝置。試驗前，根據(jù)工程經(jīng)驗，以太沙基極限承載力計算公式[15]初步估算地基承載力：

(1)

其中：Nc、Nq、Nγ為承載力系數(shù)，是關于φ的函數(shù)，根據(jù)φ值，查表可得；c為地基土的黏聚力；q為地基兩側(cè)土的超載；γ為地基土的重度；D為壓板或基礎的寬度或直徑，本次試驗D=1 m。根據(jù)工程經(jīng)驗，取c=20 kPa，內(nèi)摩擦角φ=35°，γ=20 kN/m3，根據(jù)式(1)初步估算得該試驗段的地基承載力為1 610 kPa。為安全起見，考慮約2倍的安全系數(shù)，擬堆載300 t，分8～10級進行加載。

2.2.2 試驗段填料現(xiàn)場篩分

為確定壓板載荷試驗區(qū)域碎石土混合料填筑體的級配情況，對其進行現(xiàn)場取樣篩分。由現(xiàn)場篩分結(jié)果可知，該試驗段填筑體碎石土混合料中的碎石大多數(shù)為中風化～微風化巖塊，土體則主要為黏土和砂質(zhì)黏性土。

圖5為壓板載荷試驗碎石土混合料的現(xiàn)場級配曲線。試驗以粒徑大于5 mm作為粗顆粒(碎石)的界定，壓板載荷試驗的碎石土混合料中，土與碎石的質(zhì)量比約為3∶7。

2.2.3 試驗結(jié)果及分析

1#、2#和3#試驗點的壓板載荷試驗p-s曲線如圖6所示，滿足設計要求的復合地基承載力壓板載荷試驗p-s曲線特征值(500 kPa)。

圖5 壓板載荷試驗碎石土混合料的現(xiàn)場級配曲線

圖6 壓板載荷試驗p-s曲線

根據(jù)魏錫克極限承載力公式[17]，對于非條形基礎有：

(2)

其中：Nc、Nq、Nγ為承載力系數(shù)，根據(jù)φ值，查表可得；Sc、Sq、Sγ為基礎形狀系數(shù)，對于方形基礎有Sc=1+Nq/Nc，Sq=1+tanφ，Sγ=0.6；q為壓板兩側(cè)土的超載，本次試驗q=0 kN；D為壓板或基礎的寬度或直徑，本次試驗D=1 m；γ為地基土的重度，本次試驗γ=20 kN/m3。根據(jù)設計要求，假設φ=35°。承載力系數(shù)及基礎形狀系數(shù)取值見表1。

表1 承載力系數(shù)及基礎形狀系數(shù)取值

根據(jù)1#、2#和3#試驗點壓板載荷的試驗結(jié)果，按式(2)取pu分別為2 200 kPa、2 400 kPa和2 400 kPa，進行c值反算。反算得到：壓板載荷試驗1#點的黏聚力c=24 kPa；壓板載荷試驗2#點的黏聚力c=26 kPa；壓板載荷試驗3#點的黏聚力c=26 kPa。取3個試驗的平均值c=25 kPa為本次壓板載荷試驗所采用碎石土混合料的黏聚力。

2.3 室內(nèi)大型直剪試驗

2.3.1 再次取樣篩分

室內(nèi)大型直剪試驗開展之前，對挖方區(qū)碎石土混合料再次進行現(xiàn)場隨機取樣、篩分。由篩分情況可知：本次取樣碎石土混合料中碎石大多數(shù)為強風化，土體主要為黏土和砂質(zhì)黏性土。由于試驗所用的大型直剪儀允許最大粒徑為100 mm，對取樣材料粒徑大于100 mm的碎石，依據(jù)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》[18]，采用等量替代法進行超粒徑顆粒縮尺處理。圖7為碎石土混合料的現(xiàn)場級配曲線和經(jīng)等量替代法處理后的試驗級配曲線。按粒徑大于5 mm作為粗顆粒(碎石)的界定，經(jīng)等量替代法處理后的土與碎石質(zhì)量比約為7∶3(第1組室內(nèi)大型直剪試驗用料情況)。

2.3.2 第1組試驗展開及試驗結(jié)果分析

本次室內(nèi)大型直剪試驗采用的儀器為大型疊環(huán)式剪切儀，圖8為室內(nèi)試驗現(xiàn)場照片。試樣頂部的荷載采用等量分級加載，剪切試驗過程中，試樣頂部的荷載保持不變，試樣的上覆壓力用來模擬60 m高邊坡潛在滑動面上的法向應力，分別取15 m、30 m、45 m和60 m高度處碎石土的自重應力(碎石土容重假設為20 kN/m3)，即剪切試驗試樣的上覆壓力σ分別為300 kPa、600 kPa、900 kPa和1 200 kPa。

圖7 室內(nèi)大型直剪試驗碎石土混合料的級配曲線

圖8 室內(nèi)試驗現(xiàn)場照片

第1組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗結(jié)果見圖9。圖9a為第1組碎石土混合料試驗的剪應力-剪切位移關系曲線。圖9b為剪切強度-豎向壓力關系曲線。由圖9b可知：對于土與碎石質(zhì)量比為7∶3 (級配曲線如圖7所示)，且碎石為強風化的碎石土混合料，在壓實度為95%的條件下，其固結(jié)抗剪強度參數(shù)中c=74.3 kPa，φ=18.9°，內(nèi)摩擦角φ不能滿足設計要求(φ≥35°)。

(a) 剪應力-剪切位移關系曲線

(b) 剪切強度-豎向壓力關系曲線

圖9 第1組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗結(jié)果

2.3.3 第2組和第3組試驗及試驗結(jié)果分析

由第1組試驗結(jié)果可知：當土石質(zhì)量比為7∶3時，φ=18.9°偏小，不能滿足設計要求(φ≥35°)。因此，考慮通過人工調(diào)配減小土石質(zhì)量比和碎石風化程度，進行第2組和第3組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗。

圖10 第2組和第3組室內(nèi)大型直剪試驗碎石土混合料的試驗級配情況

第2組和第3組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗的土與碎石質(zhì)量比都定為5∶5。其中，第2組室內(nèi)大型直剪試驗中主要采用強風化碎石，第3組室內(nèi)大型直剪試驗中則采用中風化～微風化碎石，其他試驗條件同第1組。圖10為第2組和第3組室內(nèi)大型直剪試驗碎石土混合料的試驗級配情況。

圖11a和圖12a分別為第2組和第3組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗的剪應力-剪切位移關系曲線，圖11b和圖12b分別為第2組和第3組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗的剪切強度-豎向壓力關系曲線。由圖11b和圖12b可知：對于土與碎石質(zhì)量比為5∶5(級配曲線如圖10所示)，當碎石為強風化，在壓實度為95%的條件下，其固結(jié)抗剪強度參數(shù)中c=92.0 kPa，φ=20.6°；當碎石為中風化～微風化，在壓實度為95%的條件下，其固結(jié)抗剪強度參數(shù)中c=105.0 kPa，φ=22.0°。

(a) 剪應力-剪切位移關系曲線

(b) 剪切強度-豎向壓力關系曲線

圖11 第2組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗結(jié)果

(a) 剪應力-剪切位移關系曲線

(b) 剪切強度-豎向壓力關系曲線

圖12 第3組碎石土混合料的室內(nèi)大型直剪試驗結(jié)果

表2為1組現(xiàn)場壓板載荷試驗和3組室內(nèi)大型直剪試驗的結(jié)果匯總表。由3組室內(nèi)大型直剪試驗可知：隨著土石質(zhì)量比和碎石風化程度的減小，碎石土混合料的強度參數(shù)φ值增大。但在土石質(zhì)量比達到5∶5，碎石風化程度主要為中風化～微風化時，碎石土混合料的強度參數(shù)φ值仍未能達到設計提出的要求(φ≥35°)。

表2 現(xiàn)場壓板載荷試驗和室內(nèi)大型直剪試驗得到的強度參數(shù)

3 數(shù)值計算模型

由表2可知：在以碎石土混合料土石質(zhì)量比為3∶7，碎石為中風化～微風化，壓實度為95%的條件下填筑時，雖然復合地基承載力滿足設計要求(≥500 kPa)，但其抗剪強度參數(shù)是經(jīng)內(nèi)摩擦角經(jīng)驗假定，黏聚力反算而得。為確保加筋邊坡設計的安全性，對碎石土混合料的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的綜合效應進行分析。分別以第2節(jié)中4組不同土石質(zhì)量比的碎石土混合料為邊坡填筑體，建立數(shù)值計算模型，以強度折減法計算加筋邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

3.1 模型的建立

以巖土與隧道結(jié)構(gòu)專業(yè)的有限元分析軟件MIDAS/GTS 為基礎，建立有限元計算模型，并通過強度折減法分析填方邊坡的變形和穩(wěn)定性問題[19-21]。根據(jù)圖2，計算模型可簡化為二維平面應變問題。為充分考慮模型的邊界效應，模型底部邊界取坡高的1/3，坡頂后邊界取坡高的1/5。模型兩側(cè)約束水平位移，底部約束豎向位移，坡面為自由面，建立的有限元分析模型如圖13所示。

圖13 加筋邊坡剖面有限元分析模型

模型中巖土體采用莫爾-庫侖本構(gòu)關系，擋土墻、水泥粉煤灰碎石(cement fly-ash gravel，CFG)樁和土工格柵采用彈性本構(gòu)關系，土層、擋土墻采用平面應變單元，土工格柵采用一維格柵單元模擬，CFG樁采用梁單元模擬。根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料及相關巖土試驗，有限元分析模型材料的物理力學參數(shù)及材料特性見表3(僅列出土石質(zhì)量比為3∶7時，碎石土混合料的抗剪強度參數(shù))。

廣州所在區(qū)域抗震設防烈度為7度，基本地震峰值加速度0.1g，根據(jù)JTG B02—2013《公路工程抗震規(guī)范》[21]的相關規(guī)定，該加筋邊坡不需進行抗震穩(wěn)定性驗算，分析不考慮地震工況。

表3 有限元分析模型材料物理力學參數(shù)及材料特性

3.2 計算結(jié)果分析

通過有限元模型分析了邊坡在自重作用下的安全系數(shù)及潛在滑動趨勢。圖14為加筋邊坡以不同土石質(zhì)量比的碎石土混合料填筑時，分析得到的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)和等效塑性區(qū)變形云圖。

由圖14a可知：加筋邊坡以土石質(zhì)量比為3∶7、中風化～微風化的碎石土填筑時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為2.175 8，滿足規(guī)范要求的1.35；上部加筋區(qū)末端及坡腳部位塑性應變較大，存在明顯的塑性區(qū)，但加筋邊坡潛在滑動面明顯未貫通。由圖14b和圖14c可知：土石質(zhì)量比為5∶5、中風化～微風化和強風化的碎石土填筑時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.628 1和1.497 7，雖滿足規(guī)范要求，但上部加筋區(qū)末端和坡底存在明顯的塑性區(qū)，且潛在滑動面基本貫通，安全風險較大。由圖14d可知：加筋邊坡以土石質(zhì)量比為7∶3、強風化的碎石土填筑時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.303 1，加筋區(qū)末端和坡底存在明顯的塑性區(qū)，潛在滑動面完全貫通，不滿足相關規(guī)范要求。文獻[22]的研究結(jié)果表明：加筋土邊坡臨界破壞狀態(tài)的判斷標準為塑性區(qū)從坡腳到坡頂貫通。因此，以土石質(zhì)量比為3∶7、中風化～微風化的碎石土混合料填筑時，加筋邊坡是處于安全穩(wěn)定狀態(tài)的。以上分析結(jié)果表明：加筋邊坡隨著碎石土混合料的土石質(zhì)量比和碎石風化程度增大，邊坡塑性區(qū)增大，穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸減小。

(a) 土石質(zhì)量比3∶7(中風化～微風化)

(a) 土石質(zhì)量比3∶7(中風化～微風化)

(c) 土石質(zhì)量比5∶5(強風化)

(d) 土石質(zhì)量比7∶3(強風化)

圖14 自重作用下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)和等效塑性區(qū)變形云圖

綜合分析以上各項試驗和數(shù)值計算結(jié)果表明：隨著土石質(zhì)量比及碎石風化程度減小，碎石土混合料內(nèi)摩擦角和邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均增大；在土石質(zhì)量比為3∶7、中風化～微風化、壓實度≥95%的條件下填筑時，盡管內(nèi)摩擦角為假定值，但其地基承載力及邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足相關規(guī)范和設計的要求。

因此，該工程最終確定加筋邊坡填料由挖方碎石土混合料代替級配碎石，且要求混合料中碎石最大粒徑≤200 mm，土石質(zhì)量比不大于3∶7(即填料中粒徑為5～200 mm的顆粒質(zhì)量應占填料總質(zhì)量的70%或以上)，填料分層回填壓實，分層厚度≤500 mm，壓實度≥95%。

該加筋邊坡自2016年5月開始施工，填筑過程中為滿足碎石土混合料的粒徑和土石質(zhì)量比的要求，對超粒徑碎石進行二次破碎，對土石質(zhì)量比大于3∶7的碎石土混合料，通過摻入級配碎石進行土石質(zhì)量比調(diào)配，以滿足相關要求。工程于2017年9月完成現(xiàn)場施工，2018年9月順利通過驗收。施工期間及工后邊坡變形監(jiān)測均顯示邊坡變形在正常范圍內(nèi)，邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)通過挖方碎石土混合料進行現(xiàn)場取樣，鋪筑加筋邊坡試驗段，確認了挖方碎石土混合料在常規(guī)機械組合下施工能夠達到設計要求的壓實度，并能夠為后續(xù)試驗提供條件。

(2)現(xiàn)場壓板載荷試驗表明：在土石質(zhì)量比為3∶7時，地基承載力滿足要求，且反算出碎石土的抗剪強度參數(shù)。室內(nèi)大型直剪試驗表明：碎石土混合料的內(nèi)摩擦角隨著其土石質(zhì)量比和碎石風化程度的增大而減小。

(3)建立有限元模型，以強度折減法對加筋邊坡進行穩(wěn)定性分析，加筋邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著土石質(zhì)量比和碎石風化程度的增大而減小，且在土石質(zhì)量比為5∶5、碎石為強風化時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)就滿足規(guī)范的要求。