季節(jié)性凍土區(qū)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(yùn)行安全性和通暢性，在季節(jié)性凍土地區(qū)需要不斷加強(qiáng)對于高速堤邊坡的相關(guān)設(shè)計，來應(yīng)對當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂驐l件和地質(zhì)條件。

2 季節(jié)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(qū)常年在冰雪的覆蓋下，隨著國家西部大開發(fā)的不斷深入，我國西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速推進(jìn)，但是由于當(dāng)?shù)靥厥獾牡孛布皻夂驐l件為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(qū)，由于其海拔較高，常年溫度較低，因此存在凍土現(xiàn)象。對于部分氣溫年較差較大的地區(qū)來說，季節(jié)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(yùn)行安全。

季節(jié)性凍土對于公路道路安全的影響主要表現(xiàn)在當(dāng)溫度較低時其土壤中所含水分會凍結(jié)，導(dǎo)致土壤的間隙變大。當(dāng)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(fā)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(bǔ)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(jīng)濟(jì)損失也更大。不僅是對于邊坡影響較大，路基也會產(chǎn)生一定的影響，因此在進(jìn)行公路設(shè)計的過程當(dāng)中需要格外注意。

3 石籠擋墻在凍土邊坡工程中的應(yīng)用

石籠擋墻技術(shù)最早可以追溯到2000 多年前，在都江堰水泥工程的建設(shè)過程當(dāng)中，就曾采用到這種結(jié)構(gòu)來防護(hù)堤岸。隨著科技的迅速發(fā)展，石籠擋墻技術(shù)也愈發(fā)成熟，現(xiàn)如今的石籠擋墻基礎(chǔ)已經(jīng)采用高強(qiáng)度，具備較強(qiáng)的磨損能力的低碳重鍍鋅鋼絲，同時已經(jīng)具備了較強(qiáng)的耐久性和較好的力學(xué)性能。

3.1 工程概述

以某高寒高海拔地區(qū)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(bǔ)給，在整個坡積裙上方存在著季節(jié)性凍土。通過對于當(dāng)?shù)氐耐寥廊涌梢园l(fā)現(xiàn)[1]，該地主要以粉質(zhì)黏土為主。當(dāng)夏季氣溫逐漸升高，凍土將會慢慢融化，使得土壤當(dāng)中的間隙進(jìn)一步增大，但是由于土壤的顆粒較小，從而導(dǎo)致此種土壤的滲透性較差，水分不能夠從突然當(dāng)中被排出，進(jìn)而會產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。土體在受到水分的浸泡之后，抗剪強(qiáng)度會大幅下降，加之沒有支撐結(jié)構(gòu)在上邊坡前緣，該道路的路邊邊坡容易產(chǎn)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(xiàn)場勘測，發(fā)現(xiàn)該地的地層巖性：粉質(zhì)黏土混碎石，其承載力容許值F=140kPa、全風(fēng)化砂巖，其承載力容許值F=280kPa，強(qiáng)風(fēng)化砂巖，其承載力容許值F=400kPa。

3.3 凍土地區(qū)的堤邊坡加固設(shè)計

在進(jìn)行季節(jié)性凍土地區(qū)的堤邊坡加固設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)要全面考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蚣暗匦瓮临|(zhì)條件，該地、屬于季節(jié)性凍土熱融塌區(qū)，因此在該地邊坡的加固設(shè)計中需要對于該地的地基用顆粒較大的粗顆粒進(jìn)行換填，利用支擋和截排水措施加以輔助，保證其能夠?qū)崿F(xiàn)加固目標(biāo)[3]。

該地由于凍土熱熔導(dǎo)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(dǎo)致土體出現(xiàn)了“越頂”現(xiàn)象。在工程建設(shè)中，傳統(tǒng)重力式擋墻的應(yīng)用較為廣泛，但是對于承載的要求較高，對凍土導(dǎo)致的變形較為敏感，很容易使得擋墻出現(xiàn)裂縫。由于施工地附近的砂石資源較為豐富，因此在加固設(shè)計上考慮利用格賓石籠擋墻作為支擋結(jié)構(gòu)。格賓石籠擋墻有較好的抗腐蝕、耐磨損特征，在網(wǎng)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(jié)構(gòu)。邊坡治理的斷面如下：

對于石籠擋墻的穩(wěn)定性進(jìn)行計算：

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

4 土工格柵加固在高速堤邊坡應(yīng)用

以新疆維吾爾自治區(qū)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(dá)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(jié)凍土深度207cm。當(dāng)?shù)卮蟛糠值貐^(qū)屬于草場，其土質(zhì)大多以粉質(zhì)黏土、粉土為主，該地區(qū)春融期晝夜溫差較大，路堤邊坡處于凍融循環(huán)狀態(tài)，不具有穩(wěn)定性，很容易出現(xiàn)滑坡，為保證道路安全進(jìn)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(dú)特的性能在現(xiàn)代建筑領(lǐng)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(gòu)成，當(dāng)前較為常見的有四種，分別是塑料、鋼塑、玻璃纖維、聚酯經(jīng)編滌綸[5]。土工格柵具有強(qiáng)度較大同時具有較小的蠕變，且能夠適應(yīng)各種各樣的環(huán)境的特點(diǎn)，因此，在高等級公路的擋墻設(shè)計中也經(jīng)常會使用到土工格柵。

季節(jié)性凍土區(qū)由于其較大的季節(jié)溫差，加之惡劣的自然環(huán)境，想要對季節(jié)性凍土區(qū)域的堤邊坡進(jìn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)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(jìn)行穩(wěn)定性分析：由于路堤邊坡的含水量為10%，其中填料在未凍結(jié)的時候其由此可以得出此堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.18。

當(dāng)氣溫逐漸升高進(jìn)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(nèi)摩擦角都會隨著含水量的不斷增加而不斷減小，根據(jù)相關(guān)研究表明，此時的黏聚力將會降低到，內(nèi)摩擦角將會降低到，在此狀態(tài)下經(jīng)過測算其穩(wěn)定系數(shù)為0.90。

進(jìn)一步確定為了滿足建設(shè)需要所需要鋪設(shè)的層數(shù)，對土工柵格的層數(shù)進(jìn)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(shù)，取1.3，KS為未加筋路堤邊坡最小安全系數(shù)0.95；M0表示未加筋路堤邊坡滑面對應(yīng)的滑動力矩(KN·m)，D 對應(yīng)于每一滑面的Ts相對于滑動圓心的力臂(m)，Ts的作用點(diǎn)可設(shè)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(wěn)定安全系數(shù)，取2；作用在某層土工格柵上的土壓力，按自重應(yīng)力計算；fcs土工格柵與填土的摩擦系數(shù)，取。結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛴绊懸蛩匾约巴凉じ駯诺腻^固長度取 0.5m，可以計算得出鋪設(shè)寬度應(yīng)當(dāng)要保證在4m。

經(jīng)檢驗(yàn)，本設(shè)計符合季節(jié)性凍土地區(qū)的設(shè)計需要，能夠更好地加固堤邊坡。

5 結(jié)語

季節(jié)性凍土地區(qū)由于其特殊的氣候地質(zhì)條件，為了最大限度保證堤邊坡的穩(wěn)定性，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)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(shí)際工作中顯示出較好的穩(wěn)定性，能夠很好地滿足季節(jié)性凍土地區(qū)的加固需要。