膨脹土地區(qū)高邊坡復(fù)合支護(hù)體系設(shè)計(jì)

劉紅衛(wèi)，鄧敏，趙志奇

（中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100038）

膨脹土地區(qū)高邊坡復(fù)合支護(hù)體系設(shè)計(jì)

劉紅衛(wèi)，鄧敏，趙志奇

（中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100038）

針對(duì)膨脹土邊坡遇水后易發(fā)生失穩(wěn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問題，通過實(shí)地調(diào)查分析后，設(shè)計(jì)采用放坡+混凝土格構(gòu)+預(yù)應(yīng)力錨索+擋土墻+坡面植草的綜合支護(hù)方案，項(xiàng)目實(shí)施后取得了良好的效果，成功地解決了膨脹土高邊坡的穩(wěn)定性難題。

膨脹土;高邊坡;支護(hù)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(jié)性，性質(zhì)極不穩(wěn)定，在丘陵地帶及山區(qū)，極易發(fā)生邊坡溜塌、坍塌和淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。在膨脹土普遍發(fā)育的南寧地區(qū)，因城市建設(shè)的需要而不可避免地破壞部分原始地貌形態(tài)，人為削坡的后果使已呈穩(wěn)定狀態(tài)的膨脹土邊坡面臨失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)南寧市軌道交通1號(hào)線屯里車輛段38.4m高邊坡，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)研究，提出了采用防治結(jié)合的復(fù)合支護(hù)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(qū)鳳嶺片區(qū)，用地東西長(zhǎng)約1200m，南北寬約270m，總占地28.8hm2。場(chǎng)地主要為剝蝕殘丘地貌，地勢(shì)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(chǎng)坪標(biāo)高為83.6m。場(chǎng)地北側(cè)為挖方區(qū)，邊坡總長(zhǎng)600m，最大高度為38.4m，邊坡面積38100m2。

3　工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地上覆第四系全新統(tǒng)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(zhì)黏土⑥1-1層,泥巖-粉砂質(zhì)泥巖⑦1-1、⑦1-2、⑦1-3層,粉砂巖-泥質(zhì)粉砂巖⑦2-1、⑦2-2、⑦2-3層及炭質(zhì)泥巖⑦4層。各層巖性特征、分布厚度見圖1，其中黏土-粉質(zhì)黏土層為A1亞類中等脹縮土，泥巖-粉砂質(zhì)泥巖層、炭質(zhì)泥巖均為A1亞類弱脹縮土。根據(jù)勘察報(bào)告，邊坡支護(hù)有關(guān)的土層及力學(xué)指標(biāo)見表1。

本工程場(chǎng)地類別為一類場(chǎng)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(zhì)剖面圖

場(chǎng)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(yīng)標(biāo)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(zhì)粉砂巖中，在場(chǎng)地內(nèi)呈不連續(xù)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(yīng)標(biāo)高75.51～113.55m。

4　膨脹土邊坡破壞的主因分析及支護(hù)原則

通過對(duì)南寧地區(qū)南寧會(huì)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(shù)十處邊坡及支護(hù)工程的實(shí)地調(diào)查，分析膨脹土邊坡的破壞主要原因，尋找出科學(xué)合理的支護(hù)設(shè)計(jì)體系，確保邊坡穩(wěn)定。

4.1主因分析

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

4.2支護(hù)原則與支護(hù)方式選擇

綜合防護(hù)，以防為主，保證邊坡穩(wěn)定：采取擋、防、支撐、護(hù)相結(jié)合的工程穩(wěn)定措施+截、排、堵相結(jié)合的防排水措施+植被防護(hù)措施。

治坡先治水：采取坡頂截水溝、坡面導(dǎo)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(hù)面控制坡面水分急劇變化。

分臺(tái)防護(hù)：高于15m的膨脹土高邊坡必須分臺(tái)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(duì)坡面的沖蝕。

防護(hù)形式選擇：格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索、擋土墻、截排水溝、導(dǎo)流槽、平臺(tái)馬道與擋水墻坡面植草。

5　復(fù)合支護(hù)體系設(shè)計(jì)

5.1計(jì)算參數(shù)及驗(yàn)算說明

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

根據(jù)調(diào)查及分析該場(chǎng)地膨脹土邊坡坡率宜控制在1:1.5～1:3之間。對(duì)于膨脹土邊坡，膨脹土不受阻擋自由膨脹時(shí)，不產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)膨脹受阻時(shí)，變形轉(zhuǎn)化為膨脹力，作用于阻力界面上，當(dāng)阻力足夠大時(shí)，膨脹變形為零。根據(jù)勘察報(bào)告，對(duì)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(yàn)算時(shí)應(yīng)予以考慮，擋土墻由于特殊的墻后結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)可不予考慮。

5.2膨脹土地區(qū)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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

2）格構(gòu)梁底部設(shè)置柔性調(diào)變層，可降低膨脹土脹縮變形對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

3）地表水是引起邊坡失穩(wěn)的主要誘因，邊坡排水設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，防治結(jié)合，做到地表水有序排放。

4）邊坡坡腳設(shè)計(jì)應(yīng)從安全、經(jīng)濟(jì)、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(yīng)植草護(hù)面，防止雨水下滲而形成邊坡滑移的軟弱面。

6）格構(gòu)梁材質(zhì)、斷面大小、錨拉桿件以及施工質(zhì)量對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有重要作用。

5.3邊坡支護(hù)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(jù)前期典型工程調(diào)查結(jié)果，考慮到軌道交通工程的重要性，經(jīng)綜合分析對(duì)比，邊坡支護(hù)體系采用放坡+混凝土格構(gòu)+預(yù)應(yīng)力錨索+擋土墻+坡面植草的綜合支護(hù)方式。

5.4支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本邊坡設(shè)計(jì)為永久高邊坡，高度為38.4m，工程安全等級(jí)為一級(jí)，邊坡重要性系數(shù)為1.1，抗震設(shè)防烈度按7度設(shè)計(jì)。根據(jù)場(chǎng)地地層分布和各巖（土）層力學(xué)指標(biāo)，設(shè)計(jì)采用4級(jí)放坡，坡率為1:1.5，第1級(jí)、第2級(jí)坡高各為7.5m，第3級(jí)坡高為10.0m，第4級(jí)坡高為11.2m，每級(jí)坡間設(shè)2.0m寬平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)置擋水墻。第1級(jí)坡坡腳設(shè)1m高毛石混凝土擋墻，基礎(chǔ)埋深2.0m，見圖2。

圖2　邊坡支護(hù)立面圖

錨索長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算確定，滿足邊坡穩(wěn)定性計(jì)算要求，各級(jí)邊坡具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：

第1級(jí)邊坡設(shè)3排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度分別為20m、22m、25m；

第2級(jí)邊坡設(shè)3排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度分別為26m、27m、27m；

第3級(jí)邊坡設(shè)4排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度為26m、25m、25m、25m；

第4級(jí)邊坡設(shè)4排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度為22m、20m、18m、18m。

支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面詳見圖3。

圖3　支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4　鋼筋混凝土格構(gòu)大樣圖

由于膨脹土邊坡破壞的主要形式為漸進(jìn)式滑坡，即邊坡往往由于坡腳受水的影響，從坡腳開始發(fā)生軟化滑塌，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)邊坡的失穩(wěn)。本邊坡采用毛石混凝土擋墻護(hù)坡，墻后回填砂礫層并設(shè)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(tǒng)設(shè)計(jì)

邊坡排水以自排為主，多道防線，防排結(jié)合，綜合治理。坡頂設(shè)置截水溝，平臺(tái)設(shè)置擋水墻，使坡面集水匯流至兩側(cè)急流槽中；坡腳設(shè)置排水溝，雨水經(jīng)邊溝、截水溝和排水溝匯入站場(chǎng)排水系統(tǒng)。邊溝、截水溝溝底縱坡坡度不小于0.2%，邊坡排水系統(tǒng)見圖6。

圖6　邊坡排水系統(tǒng)圖

混凝土格構(gòu)采用自排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將每個(gè)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(tái)的排水溝內(nèi)，然后經(jīng)急流槽排至坡底排水溝中，其優(yōu)點(diǎn)是及時(shí)將大氣降水排出坡面，避免了雨水對(duì)坡面土體的長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)

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(gòu)梁框格內(nèi)鋪設(shè)土工網(wǎng)墊，填300mm厚種植土后再人工植草。土工網(wǎng)墊一則可以保護(hù)種植土和植被不會(huì)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(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。草種的選擇是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，選擇根系發(fā)達(dá)，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(hù)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(hù)工程于2013年11月開始實(shí)施，于2014年9月結(jié)束，治理面積共38100m2，施工質(zhì)量通過了當(dāng)?shù)刭|(zhì)檢部門的驗(yàn)收，為車輛段內(nèi)的土建工程施工提供了條件。坡頂水平和垂直位移監(jiān)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形觀測(cè)結(jié)果表明邊坡整體穩(wěn)定，各項(xiàng)觀測(cè)指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)。治理后的邊坡經(jīng)過了一年多時(shí)間的使用，結(jié)構(gòu)完好，坡頂截水溝、坡面排水系統(tǒng)暢通，坡面植被生長(zhǎng)良好（見圖9）。

圖9　邊坡治理效果

7　結(jié)論

1)針對(duì)屯里車輛段38.4m高的膨脹土邊坡，在總結(jié)典型工程成敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照“護(hù)坡頂、封坡面、穩(wěn)坡角、截排水”的設(shè)計(jì)原則，通過采用放坡+混凝土格構(gòu)+預(yù)應(yīng)力錨索+擋土墻+坡面植草的綜合支護(hù)方式，有效地解決了膨脹土高邊坡的穩(wěn)定性難題。

2)膨脹土邊坡的防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)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(duì)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(zhì)量的同時(shí)，有效地降低了工程造價(jià)，取得了較好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【1】GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

【2】DB45/T 396—2007廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程[S].

【3】DZT 0219—2006滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

【4】楊正國.膨脹土高邊坡開挖支護(hù)設(shè)計(jì)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(xué)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(wèi)（1966～），男，陜西眉縣人，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木（巖土）工程師，從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）1292507907@qq.com。

2015-12-11