膨脹性紅砂巖路塹邊坡柔性支護(hù)設(shè)計(jì)與施工★

劉可特 劉旭紅 周晗晗

(1.湖南省瀏醴高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410329; 2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004)

紅砂巖是一種具有強(qiáng)度低、失水崩解和遇水軟化等特殊地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的巖體，通常會造成紅砂巖的路塹邊坡在施工后出現(xiàn)滑坡、坍塌等危害[1]。湖南瀏陽至醴陵高速公路，它穿越了湖南省中部瀏湘盆地，是紅砂巖土分布區(qū)，其中含有大量的膨脹性紅砂巖。國內(nèi)常用的漿砌片石護(hù)面墻、擋土墻、抗滑樁等，都屬于剛性結(jié)構(gòu)，而紅砂巖具有膨脹性，容易積蓄過多的膨脹力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。此段路之前采用了拱形骨架護(hù)坡進(jìn)行支護(hù)，處理后不久遇到降雨就出現(xiàn)了大規(guī)模的坍塌，且有惡化的趨勢。而柔性支護(hù)主要是提倡“以柔克剛”的處理方案，并輔助其他的綜合排水防護(hù)措施。其特點(diǎn)是可讓土體產(chǎn)生一定量的變形而不影響其主體，這樣能緩解一部分膨脹力而使支護(hù)能承受住土壓力[2]。在使用過柔性支護(hù)至今一直反映良好，沒有出現(xiàn)支護(hù)破壞的任何問題。

1 瀏醴高速公路紅砂巖路塹邊坡工程地質(zhì)特征和破壞原因分析

分析紅砂巖的工程特性要從其組成成分開始[3]，瀏醴高速K10+218～K10+318在瀏湘盆地北部，屬于白堊紀(jì)沉積地層，其巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、石英砂巖及砂巖等。瀏醴高速的紅砂巖成分又與湖南省其他地區(qū)的紅砂巖不同。一般的紅砂巖會含有一定量粘土礦物質(zhì)。而瀏醴高速的紅砂巖就幾乎不含粘土礦物，所以它的強(qiáng)度較高，強(qiáng)度分布區(qū)間為12 MPa～30 MPa，為軟質(zhì)巖。

坍滑破壞的邊坡中一般是在順層強(qiáng)風(fēng)化帶地質(zhì)界面，而且絕大多數(shù)的滑坍事故都是發(fā)生在一場雨季過后，因?yàn)榧t砂巖具有遇水膨脹的性質(zhì)，所以在雨季后期是最容易遭到破壞的時(shí)期。邊坡出現(xiàn)病害的原因主要有:

1)以順層坡為主，容易產(chǎn)生滑坡;2)土的膨脹性，由于水膨脹而導(dǎo)致雨季過后支護(hù)被破壞;3)紅砂巖具有易軟化、易風(fēng)化的特點(diǎn)，容易產(chǎn)生滑坡;4)坡形設(shè)計(jì)不合理，坡面不平緩或者各分級坡偏高;5)綠化防護(hù)和排水措施偏弱。

2 瀏醴高速公路紅砂巖路塹邊坡柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對瀏醴高速公路紅粘土的地質(zhì)特征及破壞形式，提出一種完善的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，它集結(jié)了綜合防排水功能和邊坡加筋技術(shù)為一體，能有效治理紅砂巖的路塹邊坡問題，見圖1。

2.1 內(nèi)外防排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于瀏醴高速，在排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了截水溝，邊溝，橫向排水盲溝，滲溝及碎石墊層。各種排水設(shè)施相互作用，有效的提高了紅砂巖的排水問題，大大的減少了紅砂巖遇水膨脹的強(qiáng)度。

2.2 加筋體設(shè)計(jì)

圖1 瀏醴高速公路K10+500～K10+634紅砂巖滑坍邊坡柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

其中，A，B，C，D均為通過有荷膨脹試驗(yàn)獲取的回歸系數(shù);ω0為制件初始含水率;h為格柵間距;ET為格柵彈性模量;TS為格柵設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。對瀏醴高速公路K10+500～K10+634段紅砂巖土制備試樣進(jìn)行有荷膨脹試驗(yàn)，得到公式中的相關(guān)系數(shù)分別為:A=0.344，B=0.104 5，C=2.258 7，D=0.662 8。

式(1)中除h外，其他量皆為已知。為安全起見，求得h后，將h除安全系數(shù)k，即獲得所求的加筋間距。

考慮到最不利情況，令施工干密度為1.7×103kg/m3，紅砂巖填筑含水率為25%，而土工格柵TGDG35的ET=300 kN/m，TS=35 kN/m，代入式(1)，h≤0.70 m，取安全系數(shù) k=1.4，則本項(xiàng)處治路段所采用的布網(wǎng)間距的最終結(jié)果h=0.5 m。

2)加筋長度。紅砂巖邊坡的脹縮現(xiàn)象主要發(fā)生于干濕循環(huán)顯著影響深度范圍內(nèi)，沿路基橫斷面水平方向加筋長度計(jì)算式[4]:

其中，α為邊坡傾角;L為加筋長度;H為干濕循環(huán)影響深度。

由于該試驗(yàn)段的干濕循環(huán)顯著影響深度H=2.0 m，因此設(shè)計(jì)的柔性支護(hù)邊坡的坡率均為1∶1.5，由式(2)得水平加筋的長度L=3.5 m，并取安全系數(shù)k=1.2，實(shí)際采用的加筋長度為4.0 m。

1)加筋間距。格柵所受張拉應(yīng)不大于其抗拉強(qiáng)度，公式如下:

2.3 柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價(jià)

柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)是利用填土和格柵間的摩擦力和咬合力，土工格柵的層間連接、反包能產(chǎn)生一定的抗剪強(qiáng)度，使加筋體構(gòu)統(tǒng)一來抵抗邊坡的作用;“以柔克剛”:柔性支護(hù)允許一定量的膨脹土遇水膨脹，可緩沖開挖邊坡的很大一部分膨脹力與應(yīng)力;路塹開挖的坡面由大于坡高的柔性加筋體覆蓋，能產(chǎn)生自重以抵抗邊坡土壓力作用，因此非常適合紅砂巖滑坍邊坡的處治。

3 瀏醴高速公路紅砂巖路塹邊坡柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

1)邊坡開挖施工工藝。將擋墻的基礎(chǔ)挖方深度與原路床的換填部位平行，從坡腳位置往邊坡方向開挖5 m，深度由邊溝的頂部向下挖至0.5 m處。

2)基底滲溝施工工藝。先將基礎(chǔ)的松土清除，按照設(shè)計(jì)開挖滲溝，預(yù)埋PVC管并用碎石覆蓋滲溝，然后碾壓基底。若局部濕軟可先摻灰處理，再用土工格柵包碎石土回填。

3)加筋體施工工藝。先填筑滲水層，攤鋪第一層格柵，第一層攤鋪好后進(jìn)行碾壓，直接在第一層上攤鋪和碾壓第二層填料，整平攤鋪并在其上進(jìn)行碾壓。為了提高基地承載力以及排水能力，第一層以及修筑到4 m高的平臺后的第一層(需在碎石層地下鋪兩布一膜防止上方邊坡積水往下滲，并采用軟水管將水從兩邊排除)，均采用高度為50 cm的碎石土層，分兩次填筑，坡率按1∶1.5。碎石土分兩次填筑，每次填筑約30 cm再壓實(shí)，填筑高度按50 cm。按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行人工修坡，然后進(jìn)行第一層和第二層土工格柵反包與搭接，并加以固定，如圖2所示。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，重復(fù)上述步驟，直到做完整個(gè)擋土墻。要注意的是，柔性邊坡施工完成后要及時(shí)回填耕植土，防止土工格柵被破壞。

4)坡頂及坡面防護(hù)施工工藝。坡面防護(hù):在邊坡表面培植10 cm的耕植土，并用機(jī)械或人工夯實(shí)，然后采用人工鋪草皮，或者采用機(jī)械噴灑草籽的方式進(jìn)行植草。

圖2 土工格柵搭接示意圖及“U”形釘大樣（Φ6鋼筋）

4 結(jié)語

瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖路塹邊坡破壞具有淺層性、牽引性、潛在性等與膨脹土路塹邊坡相似的破壞特性，采用拱形骨架、重力式擋墻等傳統(tǒng)的邊坡支護(hù)措施不能有效穩(wěn)定邊坡。柔性支護(hù)技術(shù)采用紅砂巖邊坡滑坍體作為填料、土工格柵加筋并輔以綜合的防排水措施，大大減少了清方和棄土占地，柔性加筋體實(shí)現(xiàn)了以柔克剛，有效疏排了坡內(nèi)積水并防止了坡面的雨水入滲，同時(shí)該技術(shù)施工便捷、造價(jià)低廉，是一種集工程可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保于一體的膨脹性紅砂巖路塹邊坡處治新技術(shù)。

[1] 陳曉明.紅砂巖路塹邊坡的病害淺析[J].廣東公路交通，2006(3):62-66.

[2] 鄭健龍，楊和平.公路膨脹土工程[M].北京:人民交通出版社，2009.

[3] 趙明華，鄧勤宇.紅砂巖崩解特性及其路堤填筑技術(shù)研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2003，16(3):1-5.

[4] JTG/T D32-2012，公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].