膨脹土地區高邊坡復合支護體系設計

劉紅衛，鄧敏，趙志奇

（中鐵工程設計院有限公司，北京 100038）

膨脹土地區高邊坡復合支護體系設計

劉紅衛，鄧敏，趙志奇

（中鐵工程設計院有限公司，北京 100038）

針對膨脹土邊坡遇水后易發生失穩滑坡等地質災害問題，通過實地調查分析后，設計采用放坡+混凝土格構+預應力錨索+擋土墻+坡面植草的綜合支護方案，項目實施后取得了良好的效果，成功地解決了膨脹土高邊坡的穩定性難題。

膨脹土;高邊坡;支護體系;脹縮變形

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.014

1　引言

膨脹土具有脹縮性、裂隙性和超固結性，性質極不穩定，在丘陵地帶及山區，極易發生邊坡溜塌、坍塌和淺層滑坡等地質災害。在膨脹土普遍發育的南寧地區，因城市建設的需要而不可避免地破壞部分原始地貌形態，人為削坡的后果使已呈穩定狀態的膨脹土邊坡面臨失穩的風險。本文針對南寧市軌道交通1號線屯里車輛段38.4m高邊坡，經過精心設計研究，提出了采用防治結合的復合支護體系方案，取得了良好的效果。

2　工程概況

屯里車輛段位于南寧市青秀區鳳嶺片區，用地東西長約1200m，南北寬約270m，總占地28.8hm2。場地主要為剝蝕殘丘地貌，地勢總體呈東高西低，起伏很大，東部平均高程120m左右、西部平均高程80m左右，場坪標高為83.6m。場地北側為挖方區，邊坡總長600m，最大高度為38.4m，邊坡面積38100m2。

3　工程地質及水文地質條件

場地上覆第四系全新統人工堆積層、坡殘積層，下伏古近系巖層（E），主要地層有素填土①層,坡殘積粉質黏土⑥1-1層,泥巖-粉砂質泥巖⑦1-1、⑦1-2、⑦1-3層,粉砂巖-泥質粉砂巖⑦2-1、⑦2-2、⑦2-3層及炭質泥巖⑦4層。各層巖性特征、分布厚度見圖1，其中黏土-粉質黏土層為A1亞類中等脹縮土，泥巖-粉砂質泥巖層、炭質泥巖均為A1亞類弱脹縮土。根據勘察報告，邊坡支護有關的土層及力學指標見表1。

本工程場地類別為一類場地，大氣影響深度為7.0m，中等膨脹性土大氣急劇影響深度為2.0～2.7m。

圖1　工程地質剖面圖

場地分布有上層滯水和碎屑巖類孔隙裂隙水。上層滯水一般賦存于人工填土層及坡、殘積黏性土層中，水位埋深0.0～4.20m，相應標高71.71～110.84m；碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于下伏古近系半成巖粉砂巖-泥質粉砂巖中，在場地內呈不連續分布，略具承壓性，富水性弱，屬中等透水層，水位埋深2.60～13.70m，相應標高75.51～113.55m。

4　膨脹土邊坡破壞的主因分析及支護原則

通過對南寧地區南寧會展中心、南寧市氣象局、李寧體育中心、朱槿路老撾使館、南欽高鐵屯里段、青山路等數十處邊坡及支護工程的實地調查，分析膨脹土邊坡的破壞主要原因，尋找出科學合理的支護設計體系，確保邊坡穩定。

4.1主因分析

影響膨脹土邊坡破壞的主要因素是土質因素、水文氣象因素和人類活動三方面。土質因素主要表現為自身特有的脹縮性、裂隙性和超固結性決定了坡面經開挖暴露于空氣之中必然產生開裂、脹縮和應力釋放而導致坡面破壞。水文氣象因素表現在：一方面在大氣影響深度范圍內，含水量隨著大氣環境變化而變化，使坡面自表及里形成強度分區，其抗剪強度隨土體含水量不同而變化；另一方面在受到強降雨和干旱等不利氣候影響時，導致土體內水分強烈急劇變化，使土體開裂、強度降低、易于失穩下滑。人類活動破壞了山體的自然平衡，原來的穩定邊坡開挖后變得不穩定，由于膨脹土的超固結性，可能在一定范圍內產生減荷膨脹，產生應力釋放，導致邊坡破壞。同時，大氣影響深度范圍內的土體會干濕循環產生破壞。

4.2支護原則與支護方式選擇

綜合防護，以防為主，保證邊坡穩定：采取擋、防、支撐、護相結合的工程穩定措施+截、排、堵相結合的防排水措施+植被防護措施。

治坡先治水：采取坡頂截水溝、坡面導流槽、坡腳排水溝的措施截排水；坡（墻）頂采取封堵措施防止地表水流入；采取植物護面控制坡面水分急劇變化。

分臺防護：高于15m的膨脹土高邊坡必須分臺開挖，把高邊坡降為矮邊坡的組合形式，既減少坡腳壓力，又減少水對坡面的沖蝕。

防護形式選擇：格構梁+預應力錨索、擋土墻、截排水溝、導流槽、平臺馬道與擋水墻坡面植草。

5　復合支護體系設計

5.1計算參數及驗算說明

邊坡穩定性計算參數見表1。

表1　邊坡設計參數一覽表

根據調查及分析該場地膨脹土邊坡坡率宜控制在1:1.5～1:3之間。對于膨脹土邊坡，膨脹土不受阻擋自由膨脹時，不產生膨脹力，當膨脹受阻時，變形轉化為膨脹力，作用于阻力界面上，當阻力足夠大時，膨脹變形為零。根據勘察報告，對于可能出露的膨脹土土層膨脹力約為30kPa，巖層膨脹力約為40kPa，錨桿驗算時應予以考慮，擋土墻由于特殊的墻后結構驗算時可不予考慮。

5.2膨脹土地區邊坡支護設計要點

1）錨桿錨拉段及擋墻必須穿過滑動面，邊坡坡率宜控制在1:1.5～1:3之間。

2）格構梁底部設置柔性調變層，可降低膨脹土脹縮變形對支護結構的影響。

3）地表水是引起邊坡失穩的主要誘因，邊坡排水設計應統籌考慮，防治結合，做到地表水有序排放。

4）邊坡坡腳設計應從安全、經濟、適用等方面綜合考慮，擋墻既要起到擋土作用又有防止坡腳被水浸泡。

5）坡面應植草護面，防止雨水下滲而形成邊坡滑移的軟弱面。

6）格構梁材質、斷面大小、錨拉桿件以及施工質量對邊坡穩定性具有重要作用。

5.3邊坡支護體系選擇

本工程邊坡最大高度為38.4m，消坡后形成大面積分布的膨脹巖（土）臨空面，根據前期典型工程調查結果，考慮到軌道交通工程的重要性，經綜合分析對比，邊坡支護體系采用放坡+混凝土格構+預應力錨索+擋土墻+坡面植草的綜合支護方式。

5.4支護結構設計

本邊坡設計為永久高邊坡，高度為38.4m，工程安全等級為一級，邊坡重要性系數為1.1，抗震設防烈度按7度設計。根據場地地層分布和各巖（土）層力學指標，設計采用4級放坡，坡率為1:1.5，第1級、第2級坡高各為7.5m，第3級坡高為10.0m，第4級坡高為11.2m，每級坡間設2.0m寬平臺，平臺上設置擋水墻。第1級坡坡腳設1m高毛石混凝土擋墻，基礎埋深2.0m，見圖2。

圖2　邊坡支護立面圖

錨索長度經計算確定，滿足邊坡穩定性計算要求，各級邊坡具體設計參數為：

第1級邊坡設3排預應力錨索，錨索長度分別為20m、22m、25m；

第2級邊坡設3排預應力錨索，錨索長度分別為26m、27m、27m；

第3級邊坡設4排預應力錨索，錨索長度為26m、25m、25m、25m；

第4級邊坡設4排預應力錨索，錨索長度為22m、20m、18m、18m。

支護結構剖面詳見圖3。

圖3　支護結構剖面圖

圖4　鋼筋混凝土格構大樣圖

由于膨脹土邊坡破壞的主要形式為漸進式滑坡，即邊坡往往由于坡腳受水的影響，從坡腳開始發生軟化滑塌，進而引發整個邊坡的失穩。本邊坡采用毛石混凝土擋墻護坡，墻后回填砂礫層并設泄水孔，擋土墻大樣詳見圖5。

圖5　擋土墻大樣圖

5.5坡面排水系統設計

邊坡排水以自排為主，多道防線，防排結合，綜合治理。坡頂設置截水溝，平臺設置擋水墻，使坡面集水匯流至兩側急流槽中；坡腳設置排水溝，雨水經邊溝、截水溝和排水溝匯入站場排水系統。邊溝、截水溝溝底縱坡坡度不小于0.2%，邊坡排水系統見圖6。

圖6　邊坡排水系統圖

混凝土格構采用自排水系統，該系統是將每個小框格的雨水迅速收集到本框格下方水平混凝土框格上，然后引流到豎向框格排水溝并迅速排放到平臺的排水溝內，然后經急流槽排至坡底排水溝中，其優點是及時將大氣降水排出坡面，避免了雨水對坡面土體的長時間浸泡及沖刷。急流槽立面圖、剖面圖分別見圖7、圖8。

圖7　急流槽立面圖

圖8　急流槽剖面圖

5.6坡面綠化設計

本工程與以往換填種植土后直接植草方式不同，首先在格構梁框格內鋪設土工網墊，填300mm厚種植土后再人工植草。土工網墊一則可以保護種植土和植被不會被沖刷，此外又可以防止膨脹土與大氣的直接接觸，從而降低膨脹土的脹縮性對邊坡穩定性的影響。草種的選擇是根據當地的氣候條件，選擇根系發達，枝繁葉茂的多年生草本、藤本混雜的狗牙根、黑麥草、白三葉，除了固土護坡外，還具有較高的觀賞性。

6　邊坡治理效果

屯里車輛段高邊坡支護工程于2013年11月開始實施，于2014年9月結束，治理面積共38100m2，施工質量通過了當地質檢部門的驗收，為車輛段內的土建工程施工提供了條件。坡頂水平和垂直位移監測、支護結構變形觀測結果表明邊坡整體穩定，各項觀測指標均在允許范圍內。治理后的邊坡經過了一年多時間的使用，結構完好，坡頂截水溝、坡面排水系統暢通，坡面植被生長良好（見圖9）。

圖9　邊坡治理效果

7　結論

1)針對屯里車輛段38.4m高的膨脹土邊坡，在總結典型工程成敗經驗的基礎上，按照“護坡頂、封坡面、穩坡角、截排水”的設計原則，通過采用放坡+混凝土格構+預應力錨索+擋土墻+坡面植草的綜合支護方式，有效地解決了膨脹土高邊坡的穩定性難題。

2)膨脹土邊坡的防排水系統設計合理與否，對邊坡的長期穩定性至關重要，通過采取“截、排、封閉”等綜合防排措施，防止地表水沖刷與入滲，減少了水體對邊坡的不利影響。

3）坡腳采用毛石混凝土擋墻，在保證工程質量的同時，有效地降低了工程造價，取得了較好經濟效益和社會效益。

【1】GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范[S].

【2】DB45/T 396—2007廣西膨脹土地區建筑勘察設計施工技術規程[S].

【3】DZT 0219—2006滑坡防治工程設計與施工技術規范[S].

【4】楊正國.膨脹土高邊坡開挖支護設計分析[J].路基工程，2010（3）：136-138.

【5】范秋雁.膨脹巖與工程[M].北京：科學出版社，2008.

【6】廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京:中國鐵道出版社,1984.

Design of Composite Support System for High Slope in Expansive Soil Area

LIU Hong-wei,DENG Min,ZHAO Zhi-qi
(China Railway Engineering Design Institute Co.Ltd.,Beijing 100038,China)

A comprehensive support and protection plan is adopted for the instability,landslide and other geological disasters which happen to the slopes of expansive soil when they meet water after the field survey has been done.The plan consists of slope development, concrete lattice,pre-stressed anchor cable,retaining wall and plating grass on the slope.When the project is carried out the instability of the high slope of expansive soilis successfully solved and the resultis good.

expansive soil;high slope;support system;swelling-shrinking deformation

U416.1+4

B

1007-9467（2016）05-0059-05

劉紅衛（1966～），男，陜西眉縣人，高級工程師，注冊土木（巖土）工程師，從事巖土工程勘察設計與研究，（電子信箱）1292507907@qq.com。

2015-12-11