泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁在高陡斜坡路基拼寬中的應(yīng)用

■楊為品

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

1 引言

隨著社會的發(fā)展和道路通行壓力的與日俱增， 在丘陵、山區(qū)公路建設(shè)過程中不可避免遇到路基拼寬的問題。傳統(tǒng)的路基拼寬一般以衡重式路肩墻、 放坡式的仰斜式重力式擋墻為主，因此在陡坡地段出現(xiàn)了大量的高擋墻、高填方。

泡沫輕質(zhì)土為不含粗骨料的混凝土中摻和發(fā)泡劑，從而形成多孔、輕質(zhì)、高強(qiáng)的材料。 自從我國引進(jìn)泡沫輕質(zhì)土以來，由于其獨(dú)特的工程特性，在路基工程拼寬中得到了廣泛的應(yīng)用。 目前泡沫輕質(zhì)土的工程應(yīng)用主要集中在范圍較小、高度較低的路肩拼寬填補(bǔ)，而在地形陡峭、路基高大等特殊情況下的路基拼寬的應(yīng)用很少遇見。

本文介紹了泡沫輕質(zhì)土在廈蓉高速公路改擴(kuò)建漳州段某高陡斜坡段路基的應(yīng)用，為今后類似工點(diǎn)設(shè)計、施工提供參考。

2 工程概況

廈蓉高速公路改擴(kuò)建工程漳州段某高陡路基位于漳州南靖后眷村，原設(shè)計道路路面寬度18m，屬于半填半挖路段，路基左側(cè)為三階高陡挖方邊坡，路基右側(cè)為衡重式路肩墻填方路基，擋墻高度最高為8m。

該段路基右側(cè)下方為正在運(yùn)營的老漳龍高速公路，新舊兩條高速公路豎向高差約90m，橫向距離約88m，坡面坡度37～45°，如圖1 所示。

路基開挖施工過程中，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況較差，雖以強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化花崗巖為主，但坡面巖土體風(fēng)化不均且出現(xiàn)多道順層不利結(jié)構(gòu)面，節(jié)理裂隙發(fā)育，夾雜著危巖體，危巖體裂隙張開。 坡體大量巖土體開挖后順著結(jié)構(gòu)面沿坡面滾落至下方的老漳龍高速公路， 存在著極大的安全隱患(如圖2 所示)。 同時，開挖巖土體的剝落造成實(shí)際地面線陡于原設(shè)計地面線，原設(shè)計的擋墻高度、基礎(chǔ)凈邊均不能滿足設(shè)計要求。

圖1 場地圖

圖2 危巖體裂隙張開

為滿足右側(cè)路基拼寬的需要， 提出了原衡重式路肩墻加高的方案，如圖3 所示。 根據(jù)現(xiàn)有地面線，衡重式路肩墻加高后最大高度為18m。因擋墻基底風(fēng)化不均，局部巖土體裂隙張開，存在剝落、掉塊現(xiàn)象，高擋墻帶來的大附加應(yīng)力勢必進(jìn)一步影響基底的穩(wěn)定，故采用鋼管樁(外徑Φ108mm， 內(nèi)徑96mm 的鋼管樁， 其中鉆孔孔徑Φ150mm，間距1.5m×1.5m，管內(nèi)灌注C30 水泥漿，樁端部進(jìn)入擋墻1m) 對地基進(jìn)行加固處理， 擋墻凈邊不小于2m。 擋墻基礎(chǔ)前緣下邊坡采用預(yù)應(yīng)力(鋼管)錨索框架進(jìn)行加固， 防止前緣坡體崩落造成， 錨索外套鋼管(外徑Φ108mm，內(nèi)徑96mm 的鋼管樁，鋼管外每3m 設(shè)置一個對中定位支架，外套于錨索自由段)用來提高錨索的抗剪強(qiáng)度。 為保證擋墻施工過程坡體的臨時穩(wěn)定以及下方老漳龍高速公路的運(yùn)營安全，墻背坡體按1∶0.5 坡率進(jìn)行放坡。

圖3 原衡重式路肩墻加高方案

該方案雖然可以實(shí)現(xiàn)路基拼寬，但也有明顯的缺陷：①因需滿足擋墻基礎(chǔ)凈邊和坡體臨時穩(wěn)定的要求， 造成土石方開挖量較大， 最危險斷面開挖量高達(dá)174.4m2，嚴(yán)重威脅下方老漳龍高速公路的運(yùn)營安全。 ②路肩高擋墻對巖土體產(chǎn)生的附加荷載大， 施工過程極有可能造成松動的巖土體剝落引發(fā)二次災(zāi)害。③高陡坡上預(yù)應(yīng)力(鋼管)錨索框架施工難度大且安全難以保證。

3 泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁方案設(shè)計及控制要點(diǎn)

3.1 設(shè)計方案

為最大限度降低填方路基高度，減少土石方開挖量，減輕基底巖土體的附加荷載，提高路基邊坡穩(wěn)定性，保障施工過程中原漳龍高速公路的運(yùn)營安全， 考慮在高陡斜坡上采用泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁方案進(jìn)行路基拼寬，實(shí)踐證明泡沫輕質(zhì)土路基方案(如圖4 所示)可以很好地解決上述問題。 該段泡沫輕質(zhì)土路基高度為3～13m (如圖5 所示)。

下文以高13m 填筑體為典型斷面對泡沫輕質(zhì)土路基方案進(jìn)行詳述：

(1)泡沫輕質(zhì)土容重采用8kN/m3，立方體抗壓強(qiáng)度不小于1.5MPa，最高斷面13m 對應(yīng)的底板橫向?qū)挾葹?m，泡沫輕質(zhì)土填筑體底板以及外側(cè)板均采用C30 鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑， 厚度分別為30cm、20cm， 板內(nèi)1/2 處設(shè)置Φ8@10cm×10cm 鋼筋網(wǎng)，外側(cè)板設(shè)置Φ12@1.0m×1.0m 拉結(jié)筋。

(2)為保證泡沫輕質(zhì)土斜坡地基的穩(wěn)定，在泡沫土填筑體底板處垂直打設(shè)3 排鋼管樁(外徑Φ108mm， 內(nèi)徑Φ96mm 的鋼管樁，其中鉆孔孔徑Φ150mm，間距1.25m×1.25m，管內(nèi)灌注C30 水泥漿)，樁身進(jìn)入泡沫土填筑體內(nèi)1m， 鋼管樁嵌固端進(jìn)入碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖不小于6m 或進(jìn)入中風(fēng)化巖不小于3m，具體長度根據(jù)基底地質(zhì)情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整并確保進(jìn)入穩(wěn)定地層。 每根鋼管樁上焊接4 根Φ20 連接鋼筋，長度由內(nèi)向外分別為13m、8m、4m。 凈邊位置采用Φ22 的系統(tǒng)錨桿(間距1.0m×1.0m)進(jìn)行豎向加固。

圖4 泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁路基拼寬方案

圖5 泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁路基拼寬方案立面圖

(3)靠山側(cè)泡沫輕質(zhì)土路基按三級邊坡進(jìn)行開挖，第一級～第三級邊坡坡率均為1：0.5， 每級邊坡高度分別為4m、4m、5m。每級邊坡平臺寬1.5m。坡面上設(shè)置Φ22 的抗滑錨桿，錨桿長6m，間距1.25m×1.25m ，伸入泡沫輕質(zhì)土填筑體1m，端部做成直角彎鉤狀。

(4) 為提高泡沫輕質(zhì)土填筑體整體性及抗裂性能，基底以上0.5m、2m、臺階處、路床底部以下1m、0.5m 處分別設(shè)置Φ8@10cm×10cm 鋼筋網(wǎng)。 鋼筋網(wǎng)與鋼管樁上的Φ20連接鋼筋進(jìn)行焊接。

(5)為增強(qiáng)泡沫輕質(zhì)土抗傾覆能力，每級平臺處設(shè)置Φ32 錨桿，錨桿長12m(要求穿透不利結(jié)構(gòu)面進(jìn)入穩(wěn)定地層)，沿路線方向間距1m，錨桿端頭做成斜角并與每層鋼筋網(wǎng)焊接。

(6)為確保泡沫輕質(zhì)土有足夠的使用年限，須對其進(jìn)行防水、隔水設(shè)計。在泡沫輕質(zhì)土填筑體鋼筋混凝土底板下鋪設(shè)30cm 厚碎石墊層，以排除開挖面及路基上的水?？可絺?cè)每級臺階坡面采用C20 砼掛網(wǎng)錨噴， 對破碎的坡面進(jìn)行封閉的同時起到隔水作用。 泡沫輕質(zhì)土頂面設(shè)置防水土工膜。

(7)沿路線方向上應(yīng)結(jié)合每個斷面對應(yīng)的泡沫輕質(zhì)土的填筑高度，按1∶1 坡率在變高度處設(shè)置臺階，臺階高度2～3m。

(8)泡沫輕質(zhì)土路基與普通路基交界處的水穩(wěn)層中布置Φ8@10cm×10cm 鋼筋網(wǎng)以協(xié)調(diào)路面變形提高強(qiáng)度。

3.2 控制要點(diǎn)

(1)泡沫輕質(zhì)土由水泥漿與泡沫混合配制而成，其容重一般為普通混凝土的1/5～1/3，同時強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于普通填土，因此能夠有效減輕上部荷載。如何選擇泡沫輕質(zhì)土的參數(shù)指標(biāo)顯得尤為重要。 根據(jù)現(xiàn)有泡沫輕質(zhì)土制作技術(shù)，其抗壓強(qiáng)度介于0.4～7.5MPa，已經(jīng)可以滿足路基填筑強(qiáng)度要求，表觀密度則需要根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行選擇。由于本工程案例中泡沫輕質(zhì)土在高陡斜坡上大量充當(dāng)高速公路拼寬路基，其強(qiáng)度需滿足大型車輛振動荷載、地震等不利工況下的強(qiáng)度要求，綜合考慮地質(zhì)、場地、附近構(gòu)筑物(下方老漳龍高速)等因素，選取表觀密度為8kN/m3，立方體抗壓強(qiáng)度不小于1.5MPa。

(2)陡斜坡上進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土高填方施工，“上大下小”的形態(tài)須滿足抗傾覆、抗滑移、整體性等要求。 工程設(shè)計中采用了抗滑錨桿、鋼管樁、鋼筋網(wǎng)片、路線縱橫向分臺階設(shè)置等措施，以確保填筑體滿足設(shè)計要求。

(3)泡沫輕質(zhì)土施工過程中應(yīng)嚴(yán)格做好防水、截水、排水的措施。本案例中泡沫填筑體設(shè)置鋼筋混凝土底板、側(cè)面板、防水土工膜、掛網(wǎng)錨噴、碎石墊層等隔水設(shè)施。值得注意的是， 碎石墊層與靠山側(cè)坡腳交界處須預(yù)留出墊層排水空間，防止積水，如圖6 所示。倘若施工期遇到暴雨、大雨或持續(xù)時間較長的小雨， 應(yīng)對未固化的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行遮擋、覆蓋，防止雨水消解氣泡，并立即停止施工。

(4)本案例中泡沫輕質(zhì)土填筑量較大，澆筑過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制澆筑厚度，一般控制在0.25～0.8m。 倘若遇到高溫天氣，澆筑厚度不應(yīng)大于0.6m。

圖6 泡沫輕質(zhì)土路基拼寬底板構(gòu)造圖

(5)當(dāng)泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度高于0.5MPa 后，方可進(jìn)行路面施工。 施工過程中應(yīng)嚴(yán)格禁止大型機(jī)械在輕質(zhì)土頂面行駛。 因地形較陡，施工平臺受限，若局部地段無法避免， 應(yīng)在合適的位置采取鋪設(shè)臨時保護(hù)層(厚度不小于50cm)或鋼板作為臨時施工便道。

(6)沿路線方向泡沫輕質(zhì)土基底突變或臺階部位應(yīng)設(shè)置變形縫，其余段落按10m 間距設(shè)置變形縫，變形縫寬10mm～20mm，全斷面填塞瀝青木板或夾板。

4 方案分析計算

推薦方案中泡沫輕質(zhì)土在原漳龍高速公路邊坡上方進(jìn)行施工?？紤]擋墻基底巖土體不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，裂隙張開，路基開挖過程中極易造成巖土體剝落，因此泡沫輕質(zhì)土擋墻基底應(yīng)力情況、 路基邊坡整體穩(wěn)定性都須進(jìn)行分析驗證。

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定分析方法——極限平衡法， 無法考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及結(jié)構(gòu)物與巖土體的協(xié)調(diào)變形。 為更好地模擬實(shí)際情況，采用Midas GTS/NX 中的有限元強(qiáng)度折減法(SRM)進(jìn)行分析。

Midas GTS/NX 作為一款大型巖土有限元分析軟件，強(qiáng)大的前、后處理操作界面，豐富的本構(gòu)模型，能對復(fù)雜邊界條件下的工程問題進(jìn)行評價。

4.1 模型建立

結(jié)合工程特點(diǎn)，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理，采用三角形+四邊形的網(wǎng)格單元。模型中左右兩側(cè)設(shè)置水平方向約束邊界，底部設(shè)置水平及豎向約束邊界，荷載組包括自重及車輛荷載。 為更直觀地分析基底不利軟弱位置的豎向應(yīng)力，選取典型斷面強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化巖土交界的特征點(diǎn)A進(jìn)行分析，典型斷面有限元模型如圖7 所示。

圖7 泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁方案典型斷面有限元簡化模型

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合地質(zhì)勘察資料， 典型斷面巖土體材料為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、 中風(fēng)化花崗巖。 泡沫輕質(zhì)土、巖土體材料采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，鋼管樁、錨桿采用彈性模型，巖土體物理力學(xué)及材料參數(shù)分別見表1、表2。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 材料參數(shù)表

4.2 計算工況

論證建立了五種分析工況：(1) 開挖前路基邊坡初始工況；(2)衡重式擋墻加高工況；(3)衡重式擋墻加高+鋼管樁工況；(4)泡沫輕質(zhì)土擋墻工況；(5)泡沫輕質(zhì)土擋墻+鋼管樁工況。

4.3 結(jié)果分析

(1) 衡重式擋墻加高工況特征點(diǎn)A 豎向應(yīng)力為441.19kPa，其值遠(yuǎn)大于開挖前路基邊坡初始工況對應(yīng)位置的豎向應(yīng)力235.78kPa。 若衡重式擋墻基底設(shè)置鋼管樁，則特征點(diǎn)A 豎向應(yīng)力仍有364.161kPa，如圖8～10 所示。 可見衡重式擋墻加高方案產(chǎn)生的較大的附加荷載不利于路基邊坡的穩(wěn)定。

(2) 泡沫輕質(zhì)土擋墻工況特征點(diǎn)A 豎向應(yīng)力為286.988kPa， 其值大于開挖前路基邊坡初始工況對應(yīng)位置的豎向應(yīng)力200.573kPa。 倘若泡沫土擋墻基底設(shè)置豎向鋼管樁，則特征點(diǎn)A 處豎向應(yīng)力降低到202.156kPa，如圖11～12 所示?？梢姡摴軜恫坏梢云鸬郊庸叹植坎焕Y(jié)構(gòu)面巖土體的作用， 同時還可以進(jìn)一步降低泡沫輕質(zhì)土擋墻基底與巖土體的接觸應(yīng)力，提高了邊坡的安全性。

圖8 開挖前路基邊坡初始工況豎向應(yīng)力

圖9 衡重式擋墻加高工況豎向應(yīng)力

圖10 衡重式擋墻加高+鋼管樁工況豎向應(yīng)力

圖11 泡沫輕質(zhì)土擋墻工況豎向應(yīng)力

圖12 泡沫輕質(zhì)土擋墻+鋼管樁工況豎向應(yīng)力

(3)根據(jù)有限元強(qiáng)度折減法(SRM)可知，衡重式擋墻加高、衡重式擋墻加高+鋼管樁、泡沫輕質(zhì)土擋墻、泡沫輕質(zhì)土擋墻+鋼管樁這四種工況下邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.2656、1.2938、1.3273、1.3578，如圖13～16 所示。 可見，泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁路基拼寬方案加固地基的同時減小了基底附加應(yīng)力，提高了邊坡整體穩(wěn)定性，滿足了規(guī)范要求。

圖13 衡重式擋墻加高工況滑動面

圖14 衡重式擋墻加高+鋼管樁工況滑動面

圖15 泡沫輕質(zhì)土擋墻工況滑動面

圖16 泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁工況滑動面

5 結(jié)語

廈蓉高速公路改擴(kuò)建工程漳州段現(xiàn)已通車運(yùn)營，實(shí)踐證明高陡斜坡上泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁路基拼寬方案切實(shí)可行，且效果較好。

(1)相對原衡重式路肩墻加高方案，泡沫輕質(zhì)土+鋼管樁路基方案在高陡斜坡段拼寬中可以減少土石方開挖量(最高斷面挖量為81.9m3)，降低路基高度，減輕基底附加荷載，提高下方老漳龍的運(yùn)營安全。

(2)泡沫輕質(zhì)土路基填筑高度較大時，須綜合考慮其形態(tài)要求，在保證基底穩(wěn)定基礎(chǔ)上，加強(qiáng)抗滑移、抗傾覆、整體抗裂性、隔水排水等設(shè)計。另外可采用有限元分析軟件進(jìn)行基底應(yīng)力、路基邊坡整體穩(wěn)定性分析。

(3)泡沫輕質(zhì)土填筑質(zhì)量與合理的施工工序、工藝等密切相關(guān)，須加強(qiáng)施工過程把控，嚴(yán)格按照設(shè)計說明及相關(guān)規(guī)范要求施工，同時做好質(zhì)量檢驗。