格賓石籠擋墻在多年凍土區(qū)路塹中的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李建忠 LI Jian-zhong；明鋒 MING Feng

（①青海省湟源公路工程建設(shè)有限公司，西寧 810000；②中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

隨著國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入貫徹，以基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)環(huán)境建設(shè)為突破口的策略激發(fā)了西部大面積凍土區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)熱潮，作為先行行業(yè)的交通工程建設(shè)方興未艾，受地形、地質(zhì)條件及交通工程的線性平整度等因素的限制，凍土區(qū)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(diǎn)線性工程的建設(shè)已經(jīng)帶來也勢(shì)必會(huì)引起生態(tài)保護(hù)的訴求。凍土區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境在人類大規(guī)模的工程活動(dòng)下已經(jīng)造成也勢(shì)必會(huì)加固地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境的惡化，進(jìn)而影響工程的正常運(yùn)行。僅在2008-2010年間，就發(fā)生5萬多起凍土區(qū)邊坡失穩(wěn)事件，并有逐年增加的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響道路安全和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

石籠作為一種支擋防護(hù)結(jié)構(gòu)首先被提出是在歐美，其實(shí)早在我國(guó)的秦朝都江堰建設(shè)中已經(jīng)采用“破竹為籠，圓徑三尺，以石實(shí)中，累而壅水”的竹籠裝石結(jié)構(gòu)，“竹籠”就是格賓石籠的原始雛形。在我國(guó)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(tài)治理中格賓石籠結(jié)構(gòu)都有著廣泛應(yīng)用。石籠擋土墻具有以下優(yōu)點(diǎn)：可因地制宜，對(duì)填石石質(zhì)強(qiáng)度要求不高，不需要規(guī)則、較大的石料，可就地取材；與自然景觀相協(xié)調(diào)，后期生態(tài)可恢復(fù)性強(qiáng)，美化邊坡；可有效防范凍脹等引起的沉降病害，對(duì)地基承載力要求較低，延長(zhǎng)防護(hù)工程使用壽命；施工工藝簡(jiǎn)單，不受海拔、氣溫等自然環(huán)境因素的影響；可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，施工進(jìn)度快，大量節(jié)省勞動(dòng)力等諸多特點(diǎn)?；谑\擋墻的優(yōu)越性，其工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，從水利工程、景觀工程、礦山生態(tài)修復(fù)工程再到公路工程的高陡邊坡，應(yīng)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(qū)，廣泛的應(yīng)用前景卻并未引起對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算及受力特性的系統(tǒng)研究，僅將精力集中在石籠格柵的生產(chǎn)工藝及石籠的施工工藝上。利用改進(jìn)極限平衡法評(píng)價(jià)了具有上部結(jié)構(gòu)物的斜坡穩(wěn)定性?；谇嗖罔F路安多實(shí)驗(yàn)段邊坡的穩(wěn)定性，研究者探討了多年凍土斜坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，提出了凍土支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮水平凍脹力且凍土擋墻的合理形式應(yīng)為柔性結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。

考慮到多年凍土區(qū)邊坡具有凍脹、融沉的變形特點(diǎn)，傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)難以滿足凍土區(qū)支擋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中取得較好的應(yīng)用效果。在路塹開挖以后，受多年凍土融化的影響，邊坡出現(xiàn)多次滑塌現(xiàn)象。為保證表層凍土融化后邊坡不至失穩(wěn)并保證公路邊坡的穩(wěn)定性，需對(duì)路塹邊坡進(jìn)行擋墻尺寸進(jìn)行研究，在滿足工程安全的前提下達(dá)到工程量最小，結(jié)構(gòu)最優(yōu)，經(jīng)濟(jì)效益最好。鑒于格賓石籠具有較好的變形適應(yīng)能力，決定采用其對(duì)凍土邊坡進(jìn)行支擋。為此，本文以某公路為依托，探討格賓石籠擋墻結(jié)構(gòu)在凍土路塹中的應(yīng)用，以期為類似工程提供參考。

1 石籠擋墻穩(wěn)定性分析

1.1 計(jì)算原理

為保證路塹邊坡的整體穩(wěn)定性，在坡腳處采用壓重砌筑石籠擋墻的設(shè)計(jì)方案。前文已采用有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值分析，通過應(yīng)力應(yīng)變分析求解邊坡的極限荷載，采用常用的強(qiáng)度折減法定義了邊坡對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。從工程實(shí)際出發(fā)，采用工程設(shè)計(jì)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(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)果可靠，在行業(yè)內(nèi)具有較高的認(rèn)可度。

1.1.1 安全系數(shù)

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

②計(jì)算每個(gè)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(nèi)）；

③計(jì)算每一小段滑動(dòng)面上的反力（抵抗力）；

④計(jì)算滑動(dòng)力矩和抗滑力矩，需要注意的是，受環(huán)境溫度影響，土體存在一定的水平凍脹力。根據(jù)上一章的研究結(jié)果，柔性支擋結(jié)構(gòu)后的水平凍脹力分布與庫(kù)倫土壓力形式接近。因此，在計(jì)算下滑力矩時(shí)，需要將這部分因素考慮。本次計(jì)算選擇10%凍脹率所對(duì)應(yīng)的土壓力分布；

⑤求穩(wěn)定系數(shù)值：

依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，并參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)于土質(zhì)邊坡、極軟巖邊坡、破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算可采用圓弧滑動(dòng)面。本次研究擬針對(duì)不同的邊坡坡比確定采用圓弧滑動(dòng)面。

1.1.2 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

基底抗滑穩(wěn)定系數(shù)FS按下式計(jì)算：

式中：∑T水平力總和，kN；μ為基底摩擦系數(shù)，取μ=0.5。

1.1.3 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

格賓石籠擋墻抗傾覆計(jì)算可忽略墻前的被動(dòng)土壓力，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)FS按下式計(jì)算：

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

1.2 模型建立

依據(jù)邊坡實(shí)際情況，在兼顧計(jì)算精度和計(jì)算代價(jià)的前提下，確定模型長(zhǎng)為50m，高為30m。邊坡坡高20m，坡率為1∶1.5。結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，初步擬定4種格賓石籠擋墻尺寸：

①設(shè)計(jì)參數(shù)1：擋墻高4m，基底埋深0.5m，臨空面高度3.5m，墻背錯(cuò)臺(tái)寬度0.5m，單層砌筑高度1m，臨土側(cè)坡比1:0.5，底寬4m，頂寬2.5m。

②設(shè)計(jì)參數(shù)2：擋墻高4m，基底埋深0.5m，臨空面高度3.5m，墻背底部?jī)蓪渝e(cuò)臺(tái)寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側(cè)坡比1:0.7，底寬4m，頂寬2m。

③設(shè)計(jì)參數(shù)3：擋墻高5m，基底埋深0.5m，臨空面高度4.5m，墻背底部錯(cuò)臺(tái)寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側(cè)坡比1:0.7，底寬4m，頂寬1.2m。

④設(shè)計(jì)參數(shù)4：擋墻高6m，基底埋深2.5m，臨空面高度3.5m，墻背底部錯(cuò)臺(tái)寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側(cè)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(guī)土的邊坡穩(wěn)定計(jì)算，針對(duì)凍土等特殊土無具體的模塊解決。但根據(jù)凍土的工程特性及力學(xué)指標(biāo)，可通過常規(guī)計(jì)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(jīng)多次凍融循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分界線以下為凍土，可采用飽和重度及類似巖石的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。計(jì)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(qū)，以下為凍結(jié)區(qū)，兩個(gè)分區(qū)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用本文的研究成果。

1.4 計(jì)算參數(shù)確定

基于已有的研究成果，確定工程區(qū)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（表1）。融土狀態(tài)下格賓石籠類比為堆石體，不考慮粘聚力，當(dāng)冬季凍結(jié)且堆石體內(nèi)部孔隙被冰顆粒充填粘結(jié)時(shí)，認(rèn)為有一定的粘聚力，本次計(jì)算從偏安全的角度僅考慮一個(gè)較小的粘聚力。

表1 計(jì)算參數(shù)的確定

2 模型結(jié)果分析

將表1參數(shù)帶入模型，即可求解不同工況下的安全系數(shù)以及邊坡失穩(wěn)形態(tài)。從4種石籠擋墻結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，在持久設(shè)計(jì)工況下，施加擋墻后的路塹邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)均大于1.5，滿足邊坡規(guī)范要求。在4種石籠擋墻方案下安全系數(shù)相差較小，基本上在持久設(shè)計(jì)工況下為1.8左右。可以看出，改變格賓石籠尺寸對(duì)邊坡破壞形態(tài)的影響較小。

對(duì)比設(shè)計(jì)參數(shù)1和設(shè)計(jì)參數(shù)4可以發(fā)現(xiàn)，改變擋土墻埋深對(duì)邊坡安全系數(shù)影響不大。這是因?yàn)?，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(shù)。

表2給出了4種工況下的抗滑移抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果。可以看出，4種條件下?lián)跬翂Φ目够?、抗傾覆穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

表2 抗滑移抗傾覆驗(yàn)算

由于格賓石籠的導(dǎo)熱性能較好，應(yīng)盡量減小石籠對(duì)邊坡凍土的熱擾動(dòng)。這就意味著應(yīng)減小基礎(chǔ)埋深，以及基礎(chǔ)向邊坡體的延伸長(zhǎng)度。因此，在安全系數(shù)相當(dāng)?shù)那闆r下，為了支擋工程的工程量最小，減少凍土熱擾動(dòng)，達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)，最終推薦采用石籠擋墻的設(shè)計(jì)參數(shù)2，即擋墻高4m，基底埋深0.5m，臨空面高度3.5m，墻背底部?jī)蓪渝e(cuò)臺(tái)寬度0.7m，單層砌筑高度1m，臨土側(cè)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(yàn)格賓石籠擋土墻的治理效果，在依托工程開展實(shí)體工程監(jiān)測(cè)。根據(jù)邊坡變形特征及格賓石籠擋土墻措施的設(shè)置情況，在邊坡的中部和坡腳處設(shè)置兩處測(cè)斜管來監(jiān)測(cè)邊坡水平變形，測(cè)量孔的監(jiān)測(cè)深度均為5m。

變形量是確定邊坡是否發(fā)生失穩(wěn)的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過一年多的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，獲取了邊坡中部及底部的變形數(shù)據(jù)（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(nèi)最大變形為46mm，3m以下變形的土體小于5mm。從時(shí)間上來看，邊坡中部出現(xiàn)最大變形的時(shí)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(jié)果。從分布趨勢(shì)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(yīng)力的不平衡。由于失去邊坡坡腳土體的反壓作用，盡管設(shè)置了擋土墻并回填了中粗砂，但邊坡土體仍然產(chǎn)生變形。因此，相對(duì)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(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(wěn)定狀態(tài)。由圖1和圖2可知，經(jīng)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(fù)雜條件下產(chǎn)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(wěn)定。

4 結(jié)論

本文以多年凍土區(qū)公路路塹邊坡支護(hù)項(xiàng)目為背景，對(duì)格賓石籠擋土墻在凍土區(qū)的適用性進(jìn)行了探討。經(jīng)過理論分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得出以下主要結(jié)論：

①利用極限平衡方法計(jì)算4種設(shè)計(jì)參數(shù)下，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.5，滿足規(guī)范要求。綜合考慮邊坡加固效果及建設(shè)施工成本，建議采用設(shè)計(jì)參數(shù)2作為最終的格賓石籠擋墻施工尺寸。

②現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用格賓石籠支擋后，邊坡變形較小。在擋墻運(yùn)營(yíng)過程中未發(fā)現(xiàn)格賓破損、邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象。石籠擋土墻整體融入了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，體現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)的生態(tài)價(jià)值。因此，格賓石籠擋土墻是一種適用于寒區(qū)環(huán)境的較優(yōu)型式。