季節性凍土區高速堤邊坡的加固研究

文/曾屹

1 前言

為了最大限度提高高速公路的運行安全性和通暢性，在季節性凍土地區需要不斷加強對于高速堤邊坡的相關設計，來應對當地特殊的氣候條件和地質條件。

2 季節性凍土對于公路工程的危害

我國東西跨度較大，同時地形變化較大，這使得我國擁有較為豐富的氣候特征以及地形地貌。西藏青海等高寒地區常年在冰雪的覆蓋下，隨著國家西部大開發的不斷深入，我國西部地區基礎設施建設迅速推進，但是由于當地特殊的地貌及氣候條件為基礎設施建設帶來了巨大的障礙，凍土便是最突出的問題[1]。

在我國西藏青海等地區，由于其海拔較高，常年溫度較低，因此存在凍土現象。對于部分氣溫年較差較大的地區來說，季節性凍土的存在對于公路工程的危害性較大，極大影響了公路的運行安全。

季節性凍土對于公路道路安全的影響主要表現在當溫度較低時其土壤中所含水分會凍結，導致土壤的間隙變大。當夏季溫度較高時，這一部分凍土將會融化水分得到釋放，在重力勢能以及水流的沖刷作用下會使得公路的邊坡很容易發生坍塌，影響車輛的正常行駛。除此之外，由于凍土所在地往往有豐富的地下水補給，這使得凍土具有了流變性，這就使得相較于一般土壤或者永久凍土此種土壤特性對交通影響更大，可能造成的經濟損失也更大。不僅是對于邊坡影響較大，路基也會產生一定的影響，因此在進行公路設計的過程當中需要格外注意。

3 石籠擋墻在凍土邊坡工程中的應用

石籠擋墻技術最早可以追溯到2000 多年前，在都江堰水泥工程的建設過程當中，就曾采用到這種結構來防護堤岸。隨著科技的迅速發展，石籠擋墻技術也愈發成熟，現如今的石籠擋墻基礎已經采用高強度，具備較強的磨損能力的低碳重鍍鋅鋼絲，同時已經具備了較強的耐久性和較好的力學性能。

3.1 工程概述

以某高寒高海拔地區的公路邊坡為例。此公路邊坡位于坡積裙上，能夠接收到地下水補給，在整個坡積裙上方存在著季節性凍土。通過對于當地的土壤取樣可以發現[1]，該地主要以粉質黏土為主。當夏季氣溫逐漸升高，凍土將會慢慢融化，使得土壤當中的間隙進一步增大，但是由于土壤的顆粒較小，從而導致此種土壤的滲透性較差，水分不能夠從突然當中被排出，進而會產生超靜孔隙水壓力。土體在受到水分的浸泡之后，抗剪強度會大幅下降，加之沒有支撐結構在上邊坡前緣，該道路的路邊邊坡容易產生熱融滑塌[2]。

3.2 地形及地巖勘測

該地的地勢起伏較大，微單元地貌屬于坡積裙，海拔高度在3380～3480m之間，其坡度10°～35°之間，該地地形屬于南北高中間低，屬易匯水地形。通過現場勘測，發現該地的地層巖性：粉質黏土混碎石，其承載力容許值F=140kPa、全風化砂巖，其承載力容許值F=280kPa，強風化砂巖，其承載力容許值F=400kPa。

3.3 凍土地區的堤邊坡加固設計

在進行季節性凍土地區的堤邊坡加固設計的過程中，應當要全面考慮當地的氣候及地形土質條件，該地、屬于季節性凍土熱融塌區，因此在該地邊坡的加固設計中需要對于該地的地基用顆粒較大的粗顆粒進行換填，利用支擋和截排水措施加以輔助，保證其能夠實現加固目標[3]。

該地由于凍土熱熔導致土體向下滑動，但由于原本坡腳處擋墻的高度不夠，從而導致土體出現了“越頂”現象。在工程建設中，傳統重力式擋墻的應用較為廣泛，但是對于承載的要求較高，對凍土導致的變形較為敏感，很容易使得擋墻出現裂縫。由于施工地附近的砂石資源較為豐富，因此在加固設計上考慮利用格賓石籠擋墻作為支擋結構。格賓石籠擋墻有較好的抗腐蝕、耐磨損特征，在網箱中通過加入碎石和片石使得其形成一個具備良好透水性、整體性的結構。邊坡治理的斷面如下：

對于石籠擋墻的穩定性進行計算：

在加固的過程中也需要注重石籠擋墻的相關操作技術標準，首先整個擋墻的高度4m，面墻每級退臺1m，整個擋墻在進行建設時其埋深應當要不少于80cm。格賓填石的直徑應當要控制在10～30cm，同時要保證在填入時其空隙率應當要低于30%，所選擇的石料其硬度應當要較大，能夠達到MU30，具有良好的抗風化能力[4]。

4 土工格柵加固在高速堤邊坡應用

以新疆維吾爾自治區天山北麓某地的高速公路堤邊坡為例，該地的夏季氣溫最高可達30℃，極端最高氣溫40.1℃～41.5℃；冬季寒冷，極端低氣溫-40.6℃～-37.0℃，最大積雪厚度88cm，最大季節凍土深度207cm。當地大部分地區屬于草場，其土質大多以粉質黏土、粉土為主，該地區春融期晝夜溫差較大，路堤邊坡處于凍融循環狀態，不具有穩定性，很容易出現滑坡，為保證道路安全進行堤邊坡加固。

4.1 土工格柵加固

土工格柵作為一種土工合成材料由于其獨特的性能在現代建筑領域有十分廣泛的用途，土工格柵的主要材料由聚丙烯、聚氟乙烯等高分子化合物構成，當前較為常見的有四種，分別是塑料、鋼塑、玻璃纖維、聚酯經編滌綸[5]。土工格柵具有強度較大同時具有較小的蠕變，且能夠適應各種各樣的環境的特點，因此，在高等級公路的擋墻設計中也經常會使用到土工格柵。

季節性凍土區由于其較大的季節溫差，加之惡劣的自然環境，想要對季節性凍土區域的堤邊坡進行加固就需要采用具有良好耐酸堿、耐腐蝕、抗老化、抗低溫等性能的建筑材料，而土工格柵作為一種具有很好的抗拉強度以及具有很好屈服伸長率，是一種很好的建筑材料，也具有很小的故障率，能夠很好地實現對于堤邊坡的加固[6]。

4.2 加固方案

采用圓弧滑動法對于路堤高度12m，坡率為1∶1.5，填料為粉土的路堤邊坡進行穩定性分析：由于路堤邊坡的含水量為10%，其中填料在未凍結的時候其由此可以得出此堤邊坡的穩定系數為1.18。

當氣溫逐漸升高進入春融期的時候，堤邊坡的含水量逐漸增大并逐漸趨于飽和，黏聚力以及內摩擦角都會隨著含水量的不斷增加而不斷減小，根據相關研究表明，此時的黏聚力將會降低到，內摩擦角將會降低到，在此狀態下經過測算其穩定系數為0.90。

進一步確定為了滿足建設需要所需要鋪設的層數，對土工柵格的層數進行計算：

土工柵格其總拉力TS計算如下：，[4]在此公式中，Ksr加筋土路堤邊坡最小安全系數，取1.3，KS為未加筋路堤邊坡最小安全系數0.95；M0表示未加筋路堤邊坡滑面對應的滑動力矩(KN·m)，D 對應于每一滑面的Ts相對于滑動圓心的力臂(m)，Ts的作用點可設定在坡高的1/3 處。

確定所用土工柵格的寬度：

在此公式中，Le土工格柵的錨固長度；Fs抗拔穩定安全系數，取2；作用在某層土工格柵上的土壓力，按自重應力計算；fcs土工格柵與填土的摩擦系數，取。結合當地的氣候影響因素以及土工格柵的錨固長度取 0.5m，可以計算得出鋪設寬度應當要保證在4m。

經檢驗，本設計符合季節性凍土地區的設計需要，能夠更好地加固堤邊坡。

5 結語

季節性凍土地區由于其特殊的氣候地質條件，為了最大限度保證堤邊坡的穩定性，可以根據當地的實際情況來選擇加固方案，本文列舉的土工柵格以及石籠擋墻在實際工作中顯示出較好的穩定性，能夠很好地滿足季節性凍土地區的加固需要。