衡炎高速松散堆积体边坡工程柔性支护对策研究

周辉

中图分类号：TL372+.3

摘要：本文分析了衡炎高速公路K30+515～K30+630段松散堆积体工程地质条件以及开挖边坡滑坍特征及其原因,对比分析刚性支护技术和柔性支护技术的特点,提出并实施了以及柔性支护综合处治的设计和施工方法,成功地治理了富地下水条件下的膨胀土松散堆积体开挖边坡。

1引 言

针对松散堆积体边坡的失稳机理和防治措施,国内外曾开展过相关研究,并取得了许多有意义的成果。贺可强等提出堆积体边坡失稳的多层滑移模式,并根据极限平衡条件建立了滑移面的临界深度计算公式和剪出口形成条件。Y.saskai等对日本Tsukuba山堆积体进行了现场调查,提出两种失稳模式,即表层失稳、内部失稳;其长期监测结果表明:土的蠕滑在松散堆积体的失稳过程中发挥了重要作用,决定了堆积体边坡失稳模式、规模和频率。赵建军等研究了西南地区某松散堆积体工程边坡的结构特征,采用二维有限元方法研究了开挖边坡的变形机理并根据模拟结果确定潜在滑动面,在此基础上,提出锚拉桩、锚索框架、锚杆框架、地表排水相结合的综合治理措施。朱汝友针对上三高速公路松散堆积土滑坡,通过工程地质调查、滑坡变形破坏特征和成因机理分析、稳定性计算和治理方法研究,研究了此类滑坡的基本特征,并采取了坡脚抗滑桩、坡面浆砌片石、坡表截水沟等综合措施对边坡进行了处治。以上研究表明:正确认识松散堆积体成因、边坡失稳机理和特点是采取合理防治措施的基础;刚性支护和地表防排水相结合是松散堆积体边坡传统的处治措施,而刚性支护不宜用于膨胀土边坡处治,且已有措施对地下水以及支护体内部的防排水考虑较少。

通过分析衡炎高速公路K30+515～K30+630段松散堆积体工程地质条件以及开挖边坡滑坍特征及其原因,对比分析刚性支护技术和柔性支护技术的特点,提出并实施了以清挖边坡塌方再回填、土工格栅分层加筋、坡内外综合防排水为技术特征的柔性支护综合处治技术,成功地治理了富地下水条件下的膨胀土松散堆积体开挖边坡,取得了良好的经济和环境效益。

2松散堆积体水文地质特征与结构特征

衡炎高速公路K30+515～K30+630段松散堆积体,沿路线方向长115 m,宽约60 m,高8~20 m,位于一座相对高程为90m左右山体的东侧山脚上。该山体总体坡度特征为上陡下缓,山坡上部的地形坡度为25°~40°,山坡中下部的地形坡度为10°~25°。堆积体形成前该山脚有一自然形成的冲沟,以东1 km以外为村庄和农田。堆积体由临近钨铁矿矿山开挖废弃方堆积而成。因地处膨胀土分布区,废弃方含大量膨胀土。堆积体结构特征示意图见图1。

图1衡炎高速公路松散堆积体边坡工程地质剖面图

其中,第一层为灰白色粘土,含石率10%,具中膨胀性,土层松散且抗剪强度低,厚10~14 m;第二层为棕黄色粘土,具弱膨胀性,土层松散,含石率20%,厚4~8m;第三层为堆积体覆盖前的山体坡表表土层,棕褐色硬粘土。各层渗透系数是通过现场渗水试验所测定,抗剪强度参数为原状土的试验结果。堆积体各层基本物理和力学性质指标见表1。表1松散堆积体各层基本物理和力学性质指标

衡炎高速公路建设之前,为减少降雨径流对松散堆积体的冲刷,矿山公司在松散堆积体与山体交界处以及山体东侧坡面上,挖设了数个水池,拦截山体坡面雨水径流。在降雨入渗和水池积水的补给下,堆积体内部形成上层滞水。该路段路基修筑期间,为提高路基强度和稳定性,施工方对路基以下4 m进行了超挖,换填片石。换填后,由于地下水位较高,在路基的片石层内形成暗流,横穿路基,在另一侧填挖交界处流出,出水量约为2×10-3m3/s。

3松散堆积体开挖边坡滑坍特征及原因分析

该路段开挖边坡原设计坡率为1∶0.75,开挖至181 m高程时,后边坡的坡顶出现一系列弧形拉张裂缝,经历一次降雨后多处出现浅层滑坍,滑坍体厚约4.5 m,滑出口位于上层滞水处。通过现场调查,分析得出该松散堆积体开挖边坡滑塌的根本原因是不良工程地质和水文地质条件的存在,路基边坡的不合理工程开挖则是诱发因素。

(1)因堆积土体松散,渗透系数大,边坡开挖后,坡面干燥时能基本保持坡体稳定,一旦降雨,雨水易通过松散土体下渗,使边坡土体含水率由坡表向坡内增大,土体随含水率的增大抗剪强度急剧降低,同时引起地下水位的抬升,使边坡的稳定性降低,进而产生边坡变形破坏。

(2)堆积体含大量膨胀土,膨胀土干燥收缩开裂、增湿膨胀变形。开挖后,表层土体处于干燥状态,土体收缩形成的裂缝,为降雨后雨水入渗提供了通道。雨水入渗后,随着土体含水率增大,土体的渗透系数降低,雨水入渗随之减缓,浅表层是边坡严重湿化软化区,因此产生浅层破坏。

(3)堆积体的上层滞水处通常为软土,易形成软弱面,因地下水位高,该堆积体的滞水层位于开挖坡脚的上方,边坡易沿着滞水层的软弱面发生滑坍。

(4)合理的坡率对于边坡的稳定性非常重要,原设计1∶0.75的坡率,对于松散堆积体开挖边坡而言过大,边坡在开挖过程后不久随即发生坍塌。

4柔性支护综合处治技术的设计与施工

目前工程中对松散堆积体开挖边坡处治主要采用刚性支护技术措施。刚性支护以圬工结构(重力式挡墙、抗滑桩和片石护面墙等)为主,并辅以其他必要综合处理措施,是目前边坡治理最常用的处治方法。其工作原理是以圬工体自重来抵抗(平衡)失去整体平衡的边坡体及其在开挖过程中产生的水平应力释放。但刚性支护不允许被支护体产生变形,而在干湿循环、水的作用下膨胀土体必然干缩湿胀,当膨胀变形较大而得不到释放时,会产生很大的膨胀压力致使刚性支护破坏。膨胀土地区经常看到的刚性支护体被剪断、推移或臌胀等现象说明了这一点。

柔性支护主要指以土工织物加筋边坡土体为主,辅以其他必要综合处理措施的处理方案。其特点是不但能承受土压而且允许土体产生一定变形,可吸收边坡土体开挖引起的应力释放和含水率变化产生的膨胀力。针对衡炎高速公路膨胀土松散堆积体路段特殊的水文地质条件,采用土工格栅加筋,并辅以坡内外综合防排水设施,设法降低地下水位,避免地下水对路基的不利影响,将是一种有效的处治措施。

4.1柔性支护综合处治方案的设计

针对湖南衡炎高速公路膨胀土松散堆积体开挖边坡浅层破坏和路基高地下水位的特点,考虑该地区大气风化作用深度、土性及施工可行性,提出柔性支护综合处治方案见图2。

图2松散堆积体边坡柔性支护方案设计示意图(单位:m)

对该处治方案的说明如下:

(1)加筋体采用清挖的边坡滑坍体回填、压实、逐层反包连接而成。加筋体宽大于4.0 m,满足机械施工要求,可隔绝或防止风化作用对膨胀土松散堆积体的影响,发挥支挡、封闭作用,阻止裂隙的发展和浅表层滑坍。

(2)为减小土压力并保证加筋体稳定及对坡体的反压作用,加筋边坡坡率采用1∶1.5。

(3)参照有关经验并初步计算,选用设计抗拉强度为35 kN/m的土工格栅为加筋材料,每两层填土(压实厚度50 cm)上铺一层格栅,格栅加筋的有效长度为3.5 m,每隔1.2 m用U形钉将格栅张紧并固定于填料上,反包下层预留格栅并与上层格栅用连接棒相接,使加筋体从下到上形成整体,共同抵抗各种作用。