瀏醴高速紅砂巖邊坡柔性支護結構設計方法

劉 剛 譚國湖 吳 川

(1．湖南省瀏醴高速公路建設開發有限公司，湖南長沙 410329; 2．長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004)

1 概述

湖南省境內，廣泛分布著泥巖、砂巖等沉積巖類巖石，因富含鐵的化合物而顯紅色或褐色，地質學上稱之為紅層，按習慣統稱為紅砂巖。紅砂巖主要為第三系、白堊系的內陸河湖相碎屑巖，其巖體有著特殊的性質，其節理及裂隙發育，易受濕度、溫度影響，極易風化、崩解，長期結構強度低。

2010年2月開始施工的湖南瀏陽至醴陵高速公路位于湖南中部劉湘盆地，穿越紅砂巖分布區。其2標路段上覆黃褐色、棕紅色粘土，下伏紅褐色、棕紅色粉質泥砂巖，為紅砂巖土質。路段K10+218～K10+318右側坡高14 m、坡長100 m，已經采用了漿砌片石拱形骨架護坡，完工經歷暴雨出現大規模的坍塌。路段K10+500～K10+634右側邊坡坡高13 m、坡長134 m，開挖后還未采取防護措施就已滑塌，之后把坡比從1∶0．75放緩至1∶2，時間不長再次滑坍。

紅砂巖具有特殊的工程地質特征，其坡破壞受風化、巖性、構造(順層滑塌)多因素的影響，具有成群、滯后的特征，可具體總結為淺層性、牽引性、潛在性，這種破壞特征與膨脹土路塹邊坡的脹縮性破壞相似，故而考慮采用柔性支護處治技術進行治理。

2 柔性支護結構特點以及對紅砂巖邊坡的適用性

紅砂巖邊坡垮塌有以下幾個主要原因:1)紅砂巖中的粉質泥砂巖屬于軟質巖土，且容易風化崩解、遇水軟化;2)含有大量軟質的泥砂巖結構處，易形成低抗剪強度的滑動結構面;3)雨水滲入泥化夾層經歷幾輪干濕循環，使得砂巖風化崩解，快速降低其抗剪強度，使巖層滑塌。軟弱泥化夾層是影響其邊坡穩定的關鍵因素，隨著含水量的增加，砂巖的內摩擦角逐步增大，粘聚力先增大后減小，紅砂巖的泥化夾層達到臨界含水量時，粘聚力和內摩擦角急劇下降，巖層抗剪強度隨之下降，邊坡失穩。

從理論上看，雨水的滲入使飽和土的靜水壓力增大，使有效應力減少，從而導致了抗剪強度不夠。柔性支護結構，簡單來說，是通過加筋反包回填土形成土擋墻，并輔以合理有效的排水渠道，達到保濕防滲，綜合排水的目的，能有效地防止因雨水滲入土體而導致紅砂巖風化崩解。

柔性支護結構的技術特點有:1)破壞了原結構面，形成新的結構體;2)以整體作支擋，結構性強;3)容許坡體部分變形，能吸收其變形能;4)具有完備的排水系統，能減弱干濕循環對坡體的作用;5)因地制宜采用原土作為填料，節約成本;6)施工簡便，設備人員要求不高，工期短，造價低。

3 柔性支護結構的參數設計

柔性支護結構設計的基本思路是在坡體邊界加鋪土工格柵并反包回填土，利用U形釘、連接棒等連接材料將土與格柵緊密結合形成整體結構，并輔以有效的排水措施保濕防滲，防止坡體內的土體由于含水量的變化而膨脹垮塌。其結構的橫斷面標準設計圖如圖1所示，其設計參數主要包括土工格柵的加筋間距與加筋寬度等。

圖1 柔性支護結構橫斷面設計圖（單位：cm）

3．1 加筋間距的計算

在坡面附近，攤鋪水平方向的格柵，反包填土，格柵會對土體產生內向應力限制土體變形，同時，格柵會受到向外的剪應力。邊界上的土體受力情況如圖2所示。

稍加分析即可得出任意縱斷面X處土體的膨脹壓力σx的合力等于表面剪應力τxy的合力，即:

圖2 土體在邊界上的受力情況

經有限元分析和大量的現場檢測結果發現，在距離坡面水平L=1 m處膨脹壓力能取得最大值。

現將X=L以外的土體取為研究對象，進行應力分析，并求其應力函數。此為一典型的平面應變問題，其控制方程為:

其中，φ即為待求的應力函數。

其中各應力分量為:

假定膨脹力在y方向上不變化，σx僅為與X相關的函數，即:

σx可表示為:

其中，f1(x)和f2(x)為任意函數。

將式(6)代入式(2)得:

這是一個y的二次方程，要使任意y值均能滿足這一方程，必須有:

由方程(8)可得:

由式(9)和式(10)可得:

將式(10)和式(11)代入式(6)，并考慮到X或y的一次項對應力沒有影響，即可得應力函數為:

各應力分量為:

由問題的對稱性可知，X軸為一對稱軸，故σx，σy是關于y的偶函數，而τxy是關于y的奇函數，所以:

由X=±L/2處的邊界條件可得:

其中，P為設計部位的膨脹壓力，kPa。

將邊界條件式(15)代入，可以求得A，B，C，D四個待定常數:

各應力分量為:

為了確定待定系數H，K，我們假設在y=0，X=L/2處，垂直方向的膨脹力σy與水平方向的膨脹壓力相等，且在X=－L/2，y=±h/2處，垂直方向的膨脹壓力為零，即:

將邊界條件式(18)代入表達式(17)可得:

應力分量在邊界上的分布如圖3所示。

圖3 各應力分量在邊界上的分布（y=h/2）

由圖3可以看出，水平方向的膨脹應力在坡面位置附近為零，從外向內逐漸增大，在x=L處達到最大值。豎直方向的膨脹應力為純壓應力，從外向內至最大應力位置呈三次曲線變化，剪應力呈二次拋物線規律變化。

由于在X=L/2處的膨脹壓力最大，格柵所受的張拉力最大，取該處為設計部位。顯然，此處格柵所承受的張拉力T為其上下表面的剪應力之和，并假設其上下表面所承受的剪應力相等，則有:

由土體膨脹和格柵變形的相容方程有:

即:

或

其中，α為x=L/2處土體的有荷膨脹率，其取值大小與該部位的膨脹壓力P及初始含水量有關;ET為格柵抵抗膨脹變形的形變模量。

式(21)即為網格間距設計的理論公式，由公式可以看出，布網間距將會隨著膨脹應力的增大而減小，并隨著格柵張拉強度的提高而增大。值得注意的是，不能簡單地提高格柵強度來使間距增大，實際上，當間距過大時，兩層格柵之間易出現局部滑塌。

有荷膨脹率α可以通過室內有荷膨脹試驗獲得，以填料的現場施工含水量和干密度制備試樣進行有荷膨脹試驗，得到其公式如下:

其中，A，B，C，D均為系數;P為上覆壓力，kPa;w0為試件初始含水量，%。

將式(22)代入式(21)得:

格柵若處于正常工作狀態時，其所承受的張拉力應不大于其抗拉強度Ts，即:

將式(24)代入式(23)，可得:

式(25)中，除h外，其他量皆已知，求解式(25)就可以得到h的大小。為安全起見，還應該對h除上一個安全系數k。

瀏醴高速柔性支護結構所用的填料最低含水量為15%。碾壓后干密度為1．68×103kg/m3，以此干密度制作的試件進行有荷膨脹試驗，可得其有荷膨脹率為:

其中，α為土體的有荷膨脹率，%;P為上覆壓力，數值上等于膨脹壓力，kPa;w0為初始含水量，%。

瀏醴高速實體工程中采用的土工格柵型號為TGDG35，其抗拉強度Ts=35 kN，伸長率不大于10%，ET=300 kN/m。代入式(25)可得到h≤0．70 m，取安全系數為1．4，則可以得到最后設計的結果h=0．5 m，此即為瀏醴高速實體工程實際采用的布網間距。

3．2 加筋寬度的計算

膨脹性粘土路塹邊坡都具有一定范圍的干濕循環顯著影響區，土體的脹縮活動主要發生在干濕循環顯著影響區之內，加筋材料主要在該區段內起作用，其示意圖如圖4所示。

圖4 干濕循環計算圖式

其中，L為加筋長度，m;H為干濕循環顯著影響區深度，m;β為加筋體的坡度，0°＜β≤90°;α為加筋體與垂直面的夾角，0°＜α≤90°;k為安全系數，一般取1．2 ～1．3;l為筋材的錨固長度，m。

圖4中，水平含水量變化的垂直深度為H，坡面上的含水量變化區域根據邊坡的坡比變化，當坡頂角α=90°時，此時坡面為水平面，含水量在坡面法向影響深度為H;當坡頂角α=0°時，此時坡面為垂直面，水流不會聚集在坡面上，可以認為此時含水量在坡面法向的影響深度為零;當坡頂角度α在0°和90°之間時，其坡面的法向影響深度可設為所以含水量在坡面水平方向由圖分析可知，加筋長度可按下式計算:的影響深度為湖南地區的膨脹土干濕循環顯著影響區深度H=2 m，假設筋材的錨固長度為0．5 m，考慮到錨固長度邊坡的坡率為1∶1．5，以及將安全系數取為1．2，所以加筋的長度L應當為:

實際設計時，取為3．5 m。

3．3 其他參數的設計

柔性支護結構需要采用大型機械如平地機、推土機、壓路機等進行施工，為了防止土工格柵暴露在空氣中老化以及為了防止坡面沖刷，需要在坡面上噴播培植一定厚度的土，因此，柔性支護結構墻面的坡率不能太陡，綜合考慮，瀏醴高速紅砂巖邊坡的坡率取為1∶1．5。考慮到坡面的匯水沖刷以及支護結構的經濟適用，墻面高度不宜過高，經計算瀏醴高速紅砂巖邊坡柔性支護結構每級不大于8 m。

4 結語

柔性支護結構能有效地處治膨脹性砂巖的路塹邊坡穩定問題，結合瀏醴高速紅砂巖邊坡實體工程，具體設計了柔性支護結構的參數，主要的有:加筋間距 0．5 m，加筋寬度 3．5 m，坡率1∶1．5，墻體高度每級 8 m。

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