格賓石籠擋墻在多年凍土區路塹中的設計與優化

李建忠 LI Jian-zhong；明鋒 MING Feng

（①青海省湟源公路工程建設有限公司，西寧 810000；②中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

隨著國家西部大開發戰略的深入貫徹，以基礎設施和生態環境建設為突破口的策略激發了西部大面積凍土區基礎設施的建設熱潮，作為先行行業的交通工程建設方興未艾，受地形、地質條件及交通工程的線性平整度等因素的限制，凍土區公路沿線形成大量的路塹或路堤邊坡。青藏鐵路、青藏公路、川藏公路及川藏鐵路等重點線性工程的建設已經帶來也勢必會引起生態保護的訴求。凍土區脆弱的生態環境在人類大規模的工程活動下已經造成也勢必會加固地質、生態環境的惡化，進而影響工程的正常運行。僅在2008-2010年間，就發生5萬多起凍土區邊坡失穩事件，并有逐年增加的趨勢，嚴重影響道路安全和區域經濟發展。

石籠作為一種支擋防護結構首先被提出是在歐美，其實早在我國的秦朝都江堰建設中已經采用“破竹為籠，圓徑三尺，以石實中，累而壅水”的竹籠裝石結構，“竹籠”就是格賓石籠的原始雛形。在我國大江大河的防洪治理、小流域山洪溝道治理及城市河道生態治理中格賓石籠結構都有著廣泛應用。石籠擋土墻具有以下優點：可因地制宜，對填石石質強度要求不高，不需要規則、較大的石料，可就地取材；與自然景觀相協調，后期生態可恢復性強，美化邊坡；可有效防范凍脹等引起的沉降病害，對地基承載力要求較低，延長防護工程使用壽命；施工工藝簡單，不受海拔、氣溫等自然環境因素的影響；可實現機械化施工，施工進度快，大量節省勞動力等諸多特點。基于石籠擋墻的優越性，其工程應用領域不斷拓寬，從水利工程、景觀工程、礦山生態修復工程再到公路工程的高陡邊坡，應用地域也從潮濕多雨的南方到干旱少雨的北方，再到寒冷的凍土區，廣泛的應用前景卻并未引起對其設計計算及受力特性的系統研究，僅將精力集中在石籠格柵的生產工藝及石籠的施工工藝上。利用改進極限平衡法評價了具有上部結構物的斜坡穩定性。基于青藏鐵路安多實驗段邊坡的穩定性，研究者探討了多年凍土斜坡穩定性的評價方法，提出了凍土支擋結構設計應考慮水平凍脹力且凍土擋墻的合理形式應為柔性結構的觀點。

考慮到多年凍土區邊坡具有凍脹、融沉的變形特點，傳統的支擋結構難以滿足凍土區支擋結構的需要。鑒于格賓石籠具有良好的變形能力，有望在凍土支擋結構中取得較好的應用效果。在路塹開挖以后，受多年凍土融化的影響，邊坡出現多次滑塌現象。為保證表層凍土融化后邊坡不至失穩并保證公路邊坡的穩定性，需對路塹邊坡進行擋墻尺寸進行研究，在滿足工程安全的前提下達到工程量最小，結構最優，經濟效益最好。鑒于格賓石籠具有較好的變形適應能力，決定采用其對凍土邊坡進行支擋。為此，本文以某公路為依托，探討格賓石籠擋墻結構在凍土路塹中的應用，以期為類似工程提供參考。

1 石籠擋墻穩定性分析

1.1 計算原理

為保證路塹邊坡的整體穩定性，在坡腳處采用壓重砌筑石籠擋墻的設計方案。前文已采用有限元軟件進行了數值分析，通過應力應變分析求解邊坡的極限荷載，采用常用的強度折減法定義了邊坡對應的安全系數。從工程實際出發，采用工程設計中常用的剛體極限平衡法，不考慮滑體巖土的變形和破壞，將其作為剛體處理，雖不能反映滑體內部的應力應變關系，但計算簡便，結果可靠，在行業內具有較高的認可度。

1.1.1 安全系數

①通過坡腳任意選定可能發生的圓弧滑動面AB，其半徑為R，沿路線縱向取單位長度1m。將滑動土體分成若干個一定寬度的垂直土條，其寬一般為2-4m；

②計算每個土條的土體重G（包括小段土重和其上部換算為土柱的荷載在內）；

③計算每一小段滑動面上的反力（抵抗力）；

④計算滑動力矩和抗滑力矩，需要注意的是，受環境溫度影響，土體存在一定的水平凍脹力。根據上一章的研究結果，柔性支擋結構后的水平凍脹力分布與庫倫土壓力形式接近。因此，在計算下滑力矩時，需要將這部分因素考慮。本次計算選擇10%凍脹率所對應的土壓力分布；

⑤求穩定系數值：

依據《公路路基設計規范》，并參考《建筑邊坡工程技術規范》的相關內容，對于土質邊坡、極軟巖邊坡、破碎巖質邊坡的穩定性計算可采用圓弧滑動面。本次研究擬針對不同的邊坡坡比確定采用圓弧滑動面。

1.1.2 抗滑穩定性驗算

基底抗滑穩定系數FS按下式計算：

式中：∑T水平力總和，kN；μ為基底摩擦系數，取μ=0.5。

1.1.3 抗傾覆穩定性驗算

格賓石籠擋墻抗傾覆計算可忽略墻前的被動土壓力，抗傾覆穩定系數FS按下式計算：

式中：∑M為穩定力系對格賓擋土墻墻趾的力矩，kN·m；∑M為傾覆力系對格賓擋土墻墻趾的力矩，kN·m。

1.2 模型建立

依據邊坡實際情況，在兼顧計算精度和計算代價的前提下，確定模型長為50m，高為30m。邊坡坡高20m，坡率為1∶1.5。結合已有工程經驗，初步擬定4種格賓石籠擋墻尺寸：

①設計參數1：擋墻高4m，基底埋深0.5m，臨空面高度3.5m，墻背錯臺寬度0.5m，單層砌筑高度1m，臨土側坡比1:0.5，底寬4m，頂寬2.5m。

②設計參數2：擋墻高4m，基底埋深0.5m，臨空面高度3.5m，墻背底部兩層錯臺寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側坡比1:0.7，底寬4m，頂寬2m。

③設計參數3：擋墻高5m，基底埋深0.5m，臨空面高度4.5m，墻背底部錯臺寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側坡比1:0.7，底寬4m，頂寬1.2m。

④設計參數4：擋墻高6m，基底埋深2.5m，臨空面高度3.5m，墻背底部錯臺寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側坡比1:0.7，底寬5.4m，頂寬2m。

1.3 凍融界面處理

理正巖土軟件主要用于常規土的邊坡穩定計算，針對凍土等特殊土無具體的模塊解決。但根據凍土的工程特性及力學指標，可通過常規計算中的水位線作為凍土的凍融界面，也即凍土與融土的分界線。分界線以上邊坡淺層的融土可采用天然重度及歷經多次凍融循環后的抗剪強度指標，分界線以下為凍土，可采用飽和重度及類似巖石的抗剪強度指標。計算中不考慮滲透壓力，用水位線定義邊坡淺層2.7m為融土區，以下為凍結區，兩個分區的抗剪強度指標采用本文的研究成果。

1.4 計算參數確定

基于已有的研究成果，確定工程區的抗剪強度指標（表1）。融土狀態下格賓石籠類比為堆石體，不考慮粘聚力，當冬季凍結且堆石體內部孔隙被冰顆粒充填粘結時，認為有一定的粘聚力，本次計算從偏安全的角度僅考慮一個較小的粘聚力。

表1 計算參數的確定

2 模型結果分析

將表1參數帶入模型，即可求解不同工況下的安全系數以及邊坡失穩形態。從4種石籠擋墻結構模型的穩定計算結果可知，在持久設計工況下，施加擋墻后的路塹邊坡的最小穩定系數均大于1.5，滿足邊坡規范要求。在4種石籠擋墻方案下安全系數相差較小，基本上在持久設計工況下為1.8左右。可以看出，改變格賓石籠尺寸對邊坡破壞形態的影響較小。

對比設計參數1和設計參數4可以發現，改變擋土墻埋深對邊坡安全系數影響不大。這是因為，格賓石籠擋土墻是一種柔性重力式擋土墻，其自重決定了邊坡的安全系數。

表2給出了4種工況下的抗滑移抗傾覆驗算結果。可以看出，4種條件下擋土墻的抗滑移、抗傾覆穩定性均能滿足規范要求。

表2 抗滑移抗傾覆驗算

由于格賓石籠的導熱性能較好，應盡量減小石籠對邊坡凍土的熱擾動。這就意味著應減小基礎埋深，以及基礎向邊坡體的延伸長度。因此，在安全系數相當的情況下，為了支擋工程的工程量最小，減少凍土熱擾動，達到最優經濟，最終推薦采用石籠擋墻的設計參數2，即擋墻高4m，基底埋深0.5m，臨空面高度3.5m，墻背底部兩層錯臺寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側坡比1:0.7，底寬4m，頂寬2m。

3 格賓石籠擋土墻施工效果

為檢驗格賓石籠擋土墻的治理效果，在依托工程開展實體工程監測。根據邊坡變形特征及格賓石籠擋土墻措施的設置情況，在邊坡的中部和坡腳處設置兩處測斜管來監測邊坡水平變形，測量孔的監測深度均為5m。

變形量是確定邊坡是否發生失穩的關鍵參數之一。通過一年多的現場觀測，獲取了邊坡中部及底部的變形數據（圖1和圖2）。從圖1中可以看出，邊坡變形重要集中在0～3m深度范圍內最大變形為46mm，3m以下變形的土體小于5mm。從時間上來看，邊坡中部出現最大變形的時間在5月份，在8月份之后邊坡變形逐漸減小。

圖1 邊坡中部土體變形

圖2為邊坡坡腳處的土體變形結果。從分布趨勢來看，坡腳處的變形分布與邊坡中部的變形分布類似。有所不同的是，坡腳處3m以下的變形明顯大于邊坡中部的變形。這是由于，在坡腳原有土體被挖出以后，造成邊坡應力的不平衡。由于失去邊坡坡腳土體的反壓作用，盡管設置了擋土墻并回填了中粗砂，但邊坡土體仍然產生變形。因此，相對于邊坡中部3m以下的土體，坡腳處的邊坡土體變形更大。

圖2 邊坡底部土體變形

現場監測數據表明，無論是邊坡坡腳還是邊坡中部的位移-深度曲線，其位移量整體偏小，說明邊坡土體處于穩定狀態。由圖1和圖2可知，經過格賓石籠擋土墻治理的邊坡最大位移量為46mm。邊坡淺層土體在復雜條件下產生水平位移大于中部和深層土體，且在一定深度范圍以下的土體位移逐漸趨于穩定。

4 結論

本文以多年凍土區公路路塹邊坡支護項目為背景，對格賓石籠擋土墻在凍土區的適用性進行了探討。經過理論分析與現場監測，得出以下主要結論：

①利用極限平衡方法計算4種設計參數下，邊坡的穩定安全系數均大于1.5，滿足規范要求。綜合考慮邊坡加固效果及建設施工成本，建議采用設計參數2作為最終的格賓石籠擋墻施工尺寸。

②現場監測數據表明，采用格賓石籠支擋后，邊坡變形較小。在擋墻運營過程中未發現格賓破損、邊坡失穩等現象。石籠擋土墻整體融入了當地生態環境，體現了這種結構的生態價值。因此，格賓石籠擋土墻是一種適用于寒區環境的較優型式。