抗滑樁板式擋墻結(jié)合柔性支護在膨脹土中的應用與思考

黃新雨

(廣西五洲交通股份有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

膨脹土結(jié)構(gòu)松散，抗剪強度低，極易引起路基下沉和路面裂縫，繼而導致路基路面發(fā)生整體滑移。為保障高速公路安全運營，需要了解膨脹土路基病害產(chǎn)生的原因，制定技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理的處置方案。本文采用抗滑樁板式擋墻結(jié)合柔性支護方法處理膨脹土路基，具體實現(xiàn)方法為在易滑塌路堤底部設(shè)置抗滑樁，樁后路堤填土采用加筋土。該方法與傳統(tǒng)的剛性防護相比，加筋土柔性支護結(jié)構(gòu)具有高韌性、高防護強度、易鋪展性等優(yōu)點，對存在崩解性、膨脹性、高液限等不良物理力學病害的路堤邊坡巖土更為適用，且加固持久性更佳[1-2]。通過在反壓土體后緣設(shè)置碎石層，將坡體深層的地下水及時排出，可避免地下水長期浸泡對邊坡穩(wěn)定造成的不利影響，保持膨脹土路基持久的穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果可為同類膨脹土路基的設(shè)計和施工提供參考借鑒。

1 工程病害概況及分析

1.1 工程概況

壇百高速公路K768+870～K768+930段右側(cè)膨脹土路基塌方，病害位置處于百色市東側(cè)約25 km處，屬亞熱帶季風氣候，夏季降雨量大且年平均降水量為1 470 mm。公路北側(cè)為緩丘，南側(cè)為谷底，K768+870～K768+980段路基屬微丘～谷地地貌，路基屬斜坡填方路堤，路堤原填筑坡比為1∶1.75，一級填筑到底，最大填筑高度約10～12 m。由于受不良土質(zhì)和水文循環(huán)間不能及時排出的影響，2016年9月該路段右側(cè)路堤發(fā)生變形，其中K768+870～K768+930段右側(cè)路堤邊緣形成約0.8～1.8 m的錯臺；K768+930～K768+980段右側(cè)路堤出現(xiàn)蠕動變形，填筑坡比由1∶1.75變?yōu)?∶1.8～1∶1.9，路面出現(xiàn)縱向開裂和橫向衍生裂縫。該路段曾于2012年10月進行過對路基變形沉陷等的應急工程修復，樹根樁等部分得到了初步控制，但K768+870～K768+930段右側(cè)路基完成修復后仍出現(xiàn)快速變形，至2017年3月導致下行線緊急停車帶與一條主車道路面再次發(fā)生滑塌，錯臺高度高達1.8 m，路堤底部擋土墻被推出破壞，左幅路面也出現(xiàn)衍生裂縫。病害路段位于與百色至靖西高速公路相接的百峰互通附近。當時下行線整幅處于封閉狀態(tài)，嚴重影響高速公路通行。

1.2 病害成因分析

1.2.1 路段原有地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)鉆探，發(fā)生病害坡體主要由素填土組成，呈稍密狀，弱脹縮性，中等壓縮性和浸水下沉變形等性質(zhì)。下伏路基的天然地基為(Qel)殘積土和(E全)全風化泥巖，二者屬強脹縮土，天然狀態(tài)下遇水膨脹，失水收縮。在排水通暢的情況下，構(gòu)成邊坡的素填土、脹縮土物理力學性質(zhì)不會出現(xiàn)較大變化，但邊坡前緣分布沖洪積土(Qal+pl)和下伏的第四系沖洪積層(Qal+pl)黏土、第四系殘積層(Qel)黏土、古近系漸-始系新統(tǒng)百崗組(E2-3b)全風化泥巖均為隔水層。坡腳擋墻設(shè)有泄水孔，但當水位低于泄水孔口水位時，邊坡土體內(nèi)部深層地下水無法排出，蓄積于坡腳沖洪積層(Qal+pl)黏土、坡體素填土或素填土與下伏天然地基殘積土(Qel)和全風化泥巖(E全)界面處，導致僅能通過蒸發(fā)作用排泄，對邊坡產(chǎn)生了極為不利的影響，最終導致邊坡的破壞。

1.2.2 外部環(huán)境作用

經(jīng)鉆探分析，坡體土質(zhì)的不利條件伴隨蓄水循環(huán)作用的影響會極大地消減邊坡的穩(wěn)定性能。隨著擋墻基底處沖洪積層(Qal+pl)黏土飽水時間增長，土體抗剪能力以及與混凝土結(jié)構(gòu)的摩擦力逐步降低，重力式混凝土擋墻抗滑移能力逐漸變差。積于邊坡土體后緣的上層滯水埋藏較淺，受氣象條件以及蒸發(fā)作用影響，地下水位在素填土與下伏天然地基中上下波動，天然地基土和素填土長期處于飽水～失水～飽水的干濕循環(huán)交替狀態(tài)，產(chǎn)生脹縮荷載，并不斷累積。在脹縮累積荷載的作用下，土體內(nèi)部裂隙增多、增大，儲水條件進一步加強，干濕循環(huán)的強度逐漸增大，而土體物理力學強度則加速變差，擋墻抗滑能力變差，最終產(chǎn)生滑坡。坡腳重力式擋墻被橫向推出而非墻體中部出現(xiàn)縱向剪裂，也與上述分析結(jié)果相印證：相應路段路堤邊坡滑塌并非僅由滑坡推力造成，而是地下水排泄通道閉塞、脹縮附加荷載、擋墻地基性質(zhì)共同作用的結(jié)果。

2 邊坡滑面參數(shù)反算和穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡滑面參數(shù)反算

根據(jù)鉆探結(jié)果，坡面參數(shù)的反算通過提取極限狀態(tài)下的條件參數(shù)，驗算方案是否滿足邊坡穩(wěn)定所需要的抗剪抗滑強度，綜合考慮病害土體的結(jié)構(gòu)組成和最有可能的破壞形式，運用軟件進行力學演算的方式，較為真實地反應出土質(zhì)邊坡極限受力的狀態(tài)。因此設(shè)邊坡處于臨界滑動狀態(tài)，滑面處天然狀態(tài)即為飽和狀態(tài)，按非正常工況Ⅰ進行反算。非正常工況Ⅰ(自重+暴雨)條件下安全系數(shù)取0.95，利用理正巖土計算系列軟件6.5版，按已知潛在滑動面及安全系數(shù)情況，以計算臨界穩(wěn)定狀態(tài)下剪切破壞帶巖土層剪切參數(shù)c、φ值為計算指標，各巖土層計算參數(shù)按表1選取，反演驗算結(jié)果見表2，反算結(jié)果見圖1。

圖1 K768+900斷面非正常工況Ⅰ反算結(jié)果圖

表1 巖土層物理力學參數(shù)推薦值表

表2 滑面參數(shù)反算成果表

2.2 邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

根據(jù)鉆探結(jié)果，滑坡現(xiàn)狀條件下仍處于滑動狀態(tài)，上行線受牽引路面已出現(xiàn)張拉裂縫，如不及時處治，在滑坡的牽引作用下，滑坡規(guī)模將進一步擴大，威脅對向車道安全。根據(jù)勘察提供的潛在牽引滑動面(以對向車道的最外側(cè)裂縫為邊界)，在非正常工況Ⅰ(自重+暴雨)條件下安全系數(shù)取1.05(按施工期要求最小安全系數(shù)考慮)的臨界狀態(tài)，利用理正巖土計算系列軟件6.5版，按已知潛在滑動面及安全系數(shù)情況，以計算臨界穩(wěn)定狀態(tài)下最末端滑塊剩余下滑力為計算目標，滑面參數(shù)按表2選取，計算出最末端滑塊剩余下滑力為25.492 kN，計算結(jié)果如圖2所示，坡體顯示處于不穩(wěn)定狀態(tài)。計算結(jié)果與分析結(jié)果相印證，若不及時采取防護措施，滑坡將擴大至對向車道，影響整條高速公路的通車運營。

圖2 K768+900斷面非正常工況(潛在滑面剩余下滑力)計算結(jié)果圖

3 加固設(shè)計與施工

病害路段處治著重需解決四個方面問題：(1)邊坡臨時防護，確保對向車道通暢與防護工程施工期安全；(2)坡體深層地下水排泄問題；(3)天然地基脹縮荷載附加應力問題；(4)坡底剛性支擋結(jié)構(gòu)持力層選擇問題。

3.1 加固方案比較

根據(jù)病害路段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)綜合分析路基病害形成原因，提出三個方案進行分析對比。方案一：灌漿加固方案，通過液壓方式將水泥漿或砂漿注入土體，待漿體硬化后加固土質(zhì)邊坡，達到強化效果；方案二：抗滑樁加固方案，即在邊坡中埋入一定嵌入深度的成排樁體，提供力學支撐防護；方案三：抗滑樁兼柔性支護加固法方案，柔性支護設(shè)置在抗滑樁后緣，同時發(fā)揮雙加固方法的優(yōu)點。

根據(jù)鉆探結(jié)果，由于滑坡土體結(jié)構(gòu)松散、抗剪強度低，經(jīng)驗算，在考慮靜壓注漿提高滑坡土體抗剪強度的條件下，仍無法滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD30-2015)對路堤邊坡安全系數(shù)的最低要求，且注漿工藝的初始階段存在對土體的軟化作用，因此無法設(shè)計實施。方案二的實施需采取增大樁深尺寸、加密配筋、縮小樁距等舉措，造成建設(shè)成本增高、樁身鋼筋籠吊裝難度大等問題[3-4]，且樁頂路堤仍受其背側(cè)脹縮土天然地基的影響，需采取額外措施。方案三在與方案一和方案二進行了同等深度綜合比較后，滿足不利地理水文條件情況及規(guī)范標準，適用該膨脹土引發(fā)的地質(zhì)問題。綜合考慮后，決定選用方案三設(shè)計施工。

3.2 加固設(shè)計及驗算

針對上述問題，病害路段的設(shè)計方案為：(1)采用鋼板樁進行臨時防護，于現(xiàn)有滑坡后緣設(shè)置兩排鋼板樁，確保對向車道及防護工程施工期安全；(2)坡體深層地下水排泄和天然地基脹縮荷載附加應力問題采用加筋土柔性防護結(jié)構(gòu)解決，即清除路堤邊坡滑坡堆積土層，對路堤填土加筋處理，填土背部設(shè)置碎石排水帶，坡底設(shè)置片石反壓區(qū)和碎石排水盲溝，多層次排出坡體深層地下水；(3)坡腳部位設(shè)置明挖基礎(chǔ)類剛性支檔結(jié)構(gòu)時，須選擇埋藏更深的強～中風化泥巖為持力層，做好封底工作，因此本設(shè)計選擇抗滑樁板式擋墻作為支檔結(jié)構(gòu)，以中風化泥巖為樁基持力層。設(shè)計示意圖如圖3所示。首先對鋼板樁的埋入深度進行試算以滿足土坡體水平方向的主、被動土壓力控制要求，確定樁的懸臂與入土深度；再對鋼板樁抗彎要求進行驗算以滿足基本要求?？够瑯厄炈阃ㄟ^理正巖土計算系列軟件進行計算，采用“K”法，將抗滑樁和滑面參數(shù)輸入抗滑樁分析模塊并按兩種非正常工況進行驗算，其中脹縮荷載附加應力由加筋土柔性防護結(jié)構(gòu)中和，抗滑樁不承擔此部分應力。柔性防護驗算主要控制滿足安全系數(shù)下的筋材總拉力以及土工格柵設(shè)計計算抗拉強度，同樣在軟件中以兩種非正常工況的最危險滑動面作為條件計算。各分項工程關(guān)鍵尺寸設(shè)計完成后應保持對施工期間滑坡位移變形的實時監(jiān)測，嚴格控制施工質(zhì)量及安全。

圖3 抗滑樁及加筋土路堤設(shè)計圖

3.3 加固施工工序及要求

滑坡綜合防護治理關(guān)鍵施工步驟(見圖4)。

圖4 加固施工工序流程圖

3.3.1 鋼板樁臨時防護技術(shù)要求

采用國標熱軋U型400 mm×170 mm鋼板樁，腹板厚15.5 mm，樁長12 m。第一排鋼板樁布設(shè)于下行線路面，距中央分隔帶護欄2 m處，并開挖第一級臺階。第一級臺階外側(cè)布設(shè)第二層鋼板樁，兩排鋼板樁間距2 m。支撐安裝采用開槽架設(shè)，使鋼板直立、平整，樁平面轉(zhuǎn)角處做相應加強處理?；靥钍┕ぶ恋诙艠俄敿纯砂纬摪鍢杜c支撐。拔樁后產(chǎn)生的樁位孔穴應及時用黃砂回填密實，必要時采用壓密注漿防治周邊土體沉陷。

3.3.2 抗滑樁施工技術(shù)要求

抗滑樁應嚴格按照設(shè)計圖施工，樁長15 m，出露段3 m，入土段12 m，要求嵌入強～中風化巖層深度應≥8 m。施工時必須保證抗滑樁入土要求及嵌巖深度，并采用旋挖鉆孔施工確保施工安全及質(zhì)量。抗滑樁施工工序為：施工準備→初定位(隔樁施工)→場地平整→精確定位→埋設(shè)護筒→鉆機架設(shè)調(diào)試→鉆孔→成孔檢查→安裝鋼筋籠→導管、漏斗→澆筑混凝土→樁頭處理等。由于工程施工處樁位土質(zhì)較疏松，抗滑樁開挖易造成孔壁坍塌，開挖前應掌握現(xiàn)場土質(zhì)情況，錯開樁位開挖，實時監(jiān)測，必要時可將坍孔處用鋼護筒封堵，操作進程控制緊湊。

3.3.3 加筋土柔性支護技術(shù)要求

加筋土填料選擇黏性土，將挖方土晾曬后進行利用。填料粒徑應≤2 cm，每層松鋪厚度≤30 cm，施工方式與建筑填筑邊坡相同。每兩層填土上沿滑動方向鋪一層土工格柵，格柵搭接≥30 cm并采用U型釘固定于填料上。柔性支護平臺于柔性防護體基底區(qū)域鋪設(shè)一層兩布一膜隔水，幅間采用縫合連接。柔性支護后的排水層最小水平寬度≥50 cm，采用碎石鋪墊，確保地下水能夠從底部滲溝及墻體泄水孔通暢排出。

3.4 施工注意事項

施工過程應嚴格按照設(shè)計方案進行，確保鋼板、樁筋、柔性支護鋪設(shè)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的指標要求，隨時進行抽樣檢查并實施監(jiān)測。路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計應按原設(shè)計進行新舊搭接處理，保證道路結(jié)構(gòu)的整體性。由于施工中有正常通車需求，建設(shè)過程應做好充足的準備和安全措施管理。

4 加固效果

加固后高速公路路基處置段穩(wěn)定性良好，目前未再出現(xiàn)裂縫、沉陷等不良病害，路堤側(cè)經(jīng)觀察檢測不易蓄水，排水通暢。整修路段與原高速路面銜接正常，路用性能優(yōu)異，路基整體抗剪強度與內(nèi)摩阻力得以提升?？够瑯短幹闻蛎浲辆哂邪踩?、高效、經(jīng)濟、環(huán)保，施工快速便捷、質(zhì)量易于檢測等特點，可預測施工過程中可能出現(xiàn)的情況，確保對向車道同時安全運行，減少設(shè)計變更，避免返工。

5 結(jié)語

(1)通過對坡體土質(zhì)和排水等工況進行分析，得出病害是由土質(zhì)脹縮荷載、排水不暢和擋墻處地質(zhì)不良三個方面共同引起。通過提取極限狀態(tài)下的條件參數(shù)，反算得出目前邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如不加以治理，垮塌的威脅將繼續(xù)擴大。

(2)針對需要解決的四個方面問題對加固方案進行了比較，確定滿足安全與經(jīng)濟性的抗滑樁兼柔性支護方案。方案中對鋼板樁、抗滑樁、柔性支護的關(guān)鍵尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計。

(3)對關(guān)鍵施工方案步驟進行介紹，提出了各分項工程中的技術(shù)要求和注意事項。