廣西某加筋土擋墻病害成因分析及處治措施

陳全 彭春祿 馬偉釗 羅安民

摘要：文章針對加筋土擋墻病害處治中限制條件較多，傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)物無法滿足處治需求的問題，通過對廣西某高速公路加筋土擋墻病害路段開展鉆探勘察，分析該加筋土擋墻病害機理，結(jié)合現(xiàn)場實際處治邊界條件，采用微型錨筋樁承式錨固鋼筋混凝土擋墻結(jié)合仰斜式深層泄水孔的組合支擋處治方案進行處治?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，處治措施達到預(yù)期效果。該方案不拆除原加筋土擋墻，無需開挖基槽，造價經(jīng)濟、施工期短且施工期間不中斷道路通行，能最大限度減輕施工對高速公路正常通行的影響，社會效益較好，可為今后類似加筋土擋墻病害處治工程的設(shè)計施工提供經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞：加筋土擋墻;病害成因;膨脹土;組合支擋

0 引言

加筋土擋墻作為一種新型柔性支擋結(jié)構(gòu)，1966年由法國工程師HenriVidal成功修建于一條高速公路上。隨后，由于其便捷性、經(jīng)濟性、環(huán)保性而在世界各地得到廣泛的推廣應(yīng)用。我國于20世紀(jì)70年代末引入加筋土技術(shù)，經(jīng)過30多年的試驗與探索，已在水利、公路、能源、鐵路、市政等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[1]。

目前，我國常見的加筋土分為有面板式和無面板式，根據(jù)筋材類型主要有鋼筋混凝土筋帶、聚丙烯土工帶和CAT鋼塑復(fù)合筋帶。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初期的研究及應(yīng)用表明，鋼塑土工帶的施工方便性、造價經(jīng)濟性在三種筋材中最具優(yōu)勢，因此大量工程項目都將加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計成剛性面板結(jié)合鋼塑復(fù)合筋帶的形式[2]。而隨著車流量的激增以及在役使用時間的增長，越來越多這種類型的加筋土結(jié)構(gòu)發(fā)生局部坍塌病害，目前全國范圍內(nèi)達到上百座[3]，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全。因此對誘發(fā)加筋土擋墻病害的因素進行研究，提出經(jīng)濟、可靠、實用的處治方案尤為迫切。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對剛性面板結(jié)合CAT鋼塑復(fù)合筋帶加筋土工作機理、病害成因及處治措施開展了相關(guān)研究。如于天來等[4]對哈爾濱繞城高速公路典型加筋土病害路段進行調(diào)查分析及數(shù)值模擬后得出擋墻病害是受填土質(zhì)量、車輛荷載以及路面滲水等多種因素綜合作用誘發(fā)的。陳華等[5]研究了三峽庫區(qū)超高加筋土擋墻變形破壞機理并提出錨桿格梁、抗滑樁等8種針對不同破壞情況的整治措施。張波等[6]在研究了新莊失穩(wěn)加筋土擋墻后發(fā)現(xiàn)，黏性土尤其是高液限黏性土需通過改性或者改良處理后才可以用于填筑。

上述研究對加筋土病害機理進行了分析，但處治措施大部分還是基于利用傳統(tǒng)支擋方法對病害加筋土進行處治修復(fù)，這些方法適用于修筑在常規(guī)地段的病害加筋土處治，但對于修筑條件極為嚴(yán)苛地區(qū)的加筋土病害處治則表現(xiàn)出一定的局限性。本文以G65包茂高速公路廣西陽朔至平樂段病害加筋土路堤工程為例，針對性地分析了該路段病害的成因及病害處治時所需考慮的邊界條件，提出一種新型的組合支擋結(jié)構(gòu)，為處治限制條件較多的加筋土病害積累工程實踐經(jīng)驗。

1 項目概況

該高速公路K2577+368～K2577+440段位于桂林漓江邊上，屬半填半挖路段，原設(shè)計采用面板式垂直加筋土路堤，路堤高8～13m，筋材采用復(fù)合CAT拉筋帶按平向及垂向間距50cm布設(shè)，自上而下布置為6層8m長筋帶、6層7m長筋帶、4層6m長筋帶。面板為預(yù)制鋼筋混凝土槽形板，面板肋上預(yù)留拉筋綁扎孔，底部嵌入地梁20cm，地梁下設(shè)梯形漿砌片石基礎(chǔ)。設(shè)計回填材料要求采用內(nèi)摩擦角≥30°且具有一定級配的礫類土或砂類土。

該段道路曾于2010年發(fā)生長度為25m的整體失穩(wěn)破壞。病害發(fā)生后，設(shè)計單位對垮塌部分采用漿砌片石重力式擋土墻修復(fù)，對兩側(cè)相鄰未垮塌部分的外側(cè)砌4～7m高的重力式擋墻并緊貼面板進行加固，上部留空2～3m的面板不進行封閉加固。2016年8～10月，K2577+368～K2577+440路段加筋土擋墻外側(cè)未被封閉加固的面板出現(xiàn)鼓脹變形，外側(cè)行車道路面出現(xiàn)下沉開裂。2017年9月，該路段加筋土擋墻外側(cè)擋板向外側(cè)位移變形加劇，路面下沉也存在加劇現(xiàn)象并已出現(xiàn)明顯裂縫。2017年11月中旬，加筋土路堤擋板推移脫落破壞，原加固的重力式漿砌片石擋墻出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

現(xiàn)場鉆探勘察發(fā)現(xiàn)，病害路段區(qū)地層主要由第四系人工堆積層（Qml）、第四系殘坡積層（Qel+dl）、泥盆系中統(tǒng)強風(fēng)化及中風(fēng)化地層組成。其中強至中風(fēng)化泥巖富含蒙脫石、伊利石等親水性礦物，屬膨脹巖范疇，巖石中水分經(jīng)歷干濕循環(huán)后易軟化、開裂，發(fā)生崩解現(xiàn)象，巖石崩解后與黏性土形狀相近，具備成為強脹縮土潛勢。鉆探揭露的填土中回填材料為利用挖方形成的殘坡積黏性土混青灰色泥巖風(fēng)化碎石，局部為黏性土混紫紅色泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化碎石，具備脹縮性。相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)情況見表1。

2 加筋土路堤病害成因機理分析

根據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)查，結(jié)合鉆探取樣分析，誘發(fā)本段加筋土路堤發(fā)生病害的原因主要有以下幾個方面。

2.1 內(nèi)部原因

（1）路基填土填料質(zhì)量：根據(jù)鉆探結(jié)果，路堤填料以黏性土混泥巖風(fēng)化碎石為主。黏性土主要成分為第四系殘坡積土，為泥巖風(fēng)化產(chǎn)物。結(jié)合室內(nèi)試驗成果，綜合參考地區(qū)工程經(jīng)驗，強～中風(fēng)化泥巖富含蒙脫石、伊利石等親水礦物，屬膨脹巖范疇，巖石中水分變化后，易軟化、開裂，發(fā)生崩解，加劇風(fēng)化后形成的土體具中等脹縮性。填土產(chǎn)生的膨脹力作用在筋帶及面板上，增加筋帶所受的荷載，導(dǎo)致筋帶長期處于超荷載工作狀態(tài)，導(dǎo)致其使用壽命降低。

（2）地下水作用影響：病害路段0.9～3.3m受大氣降水下滲浸潤影響，呈松散飽和狀;3.3～6m稍濕，呈稍密狀;底部6～12m多數(shù)地段位于地下水位以下，呈松散飽和狀?，F(xiàn)狀支擋結(jié)構(gòu)的排水設(shè)施基本處于無效狀態(tài)，導(dǎo)致淤積于路基填土層中的地下水無法排出。在地下水的浸飽作用下，加劇路基填料中風(fēng)化泥巖碎石的風(fēng)化，使路基填土石性質(zhì)逐漸變差，張拉筋帶逐漸松弛，最終發(fā)生擋板脫落現(xiàn)象。

（3）支擋結(jié)構(gòu)強度差：加筋土擋墻路堤雖然具備節(jié)省空間、節(jié)約填料工程量等優(yōu)點，但一旦出現(xiàn)筋帶斷折或松弛失效，其最外側(cè)的混凝土擋板為垂直布置，無論是擋板厚度尺寸還是幾何形狀，均不利于抗滑移、抗傾覆，甚至基本不具抗剪切變形破壞的能力。同時擋板筋帶拉環(huán)圓滑，處理不到位則會加速拉筋帶在連接處的破壞。因此當(dāng)筋帶松馳無法提供足夠的拉力防護或在擋板拉環(huán)處發(fā)生斷裂時，將導(dǎo)致?lián)醢宄霈F(xiàn)較大的位移變形甚至脫落風(fēng)險。

2.2 外部原因

（1）氣象因素：2015—2017年是厄爾尼諾極端氣候現(xiàn)象的周期年、次年和第二年，這三年中連續(xù)強降雨、連續(xù)曝晴，或降雨和曝晴的極端氣候現(xiàn)象交替出現(xiàn)，對具備中等～強脹縮性的路基填土且排水不通暢的病害路段起進一步加劇誘發(fā)的作用。

（2）車流量因素：由于該段高速公路是廣東經(jīng)桂林至貴州的主干道，近年來車流量大幅增加，部分大貨車還存在嚴(yán)重超載的現(xiàn)象，導(dǎo)致行車動載的附加強度大幅增加，使加筋土擋墻水平變形幅度增大。

3 加筋土擋墻病害處治措施

3.1 處治措施的邊界條件

目前已有加筋土擋墻加固案例中，多是采用墻體外側(cè)反壓、格構(gòu)錨固加固、病害路段土體注漿的方法。對于本項目來說，處治措施需滿足以下幾點使用邊界條件：

（1）支擋結(jié)構(gòu)用地問題。本加筋土擋墻路段底部的等外公路寬僅5m，外側(cè)直臨漓江，處治支擋時不能影響等外公路的正常通行使用，不具備在墻體外側(cè)修筑大體積支擋結(jié)構(gòu)的條件。

（2）結(jié)構(gòu)耐久性問題。病害路段區(qū)域基巖以泥巖為主，具有膨脹性、崩解性。根據(jù)地勘經(jīng)驗，該類巖石在暴露后強度會迅速降低，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較快，若采用格構(gòu)錨固加固的方法，則無法保證加固結(jié)構(gòu)的加固效果以及耐久性。

（3）路基填土的加固改良問題。提高現(xiàn)有不良填料的力學(xué)強度，使得原有加筋土筋帶還能工作，減小加筋體內(nèi)部發(fā)生失穩(wěn)而引發(fā)外部失穩(wěn)的風(fēng)險，并分擔(dān)作用在新建支擋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，從而提高路基整體的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

（4）施工場地占用問題。處治施工時必須保證該側(cè)公路保留一條以上的車道正常通行，且不能破壞原有結(jié)構(gòu)，不能開挖原有行車道路面。

（5）解決墻背深層地下水的疏排問題。

（6）施工工藝要簡單快捷，因加固期間正值春運，工期要短且工程投資要經(jīng)濟。

3.2 處治措施的確定

基于處治措施的邊界條件較為嚴(yán)格，采用單一的處治措施，將無法完全滿足上述的5個邊界條件。如傳統(tǒng)的抗滑強支擋結(jié)構(gòu)在應(yīng)用上無法解決支擋結(jié)構(gòu)及施工場地占用的問題，而錨固格梁又無法解決結(jié)構(gòu)耐久性的問題，土體注漿同樣無法解決結(jié)構(gòu)耐久性及墻背深層地下水疏排的問題，因此需要采用綜合處治措施對病害路段進行加固處治。

經(jīng)過技術(shù)論證及經(jīng)濟性比較，建設(shè)單位決定采用微型錨筋樁承式錨固鋼筋混凝土擋墻結(jié)合深層泄水孔的方案對病害路段進行處治。

（1）在已采用漿砌片石加固的病害加筋土擋墻外側(cè)新建組合混凝土擋墻。采用3排微型錨筋樁作為基礎(chǔ)，排間距為0.7m，沿公路縱向間距為0.8m。錨筋束由4根28mm的鋼筋和1根DN40鋼管構(gòu)成，內(nèi)側(cè)2排樁長9m，埋入基礎(chǔ)以下6m，出露3m，最外側(cè)1排樁長6m，錨筋樁孔鉆入深度6.1m，錨孔直徑≥168mm。

（2）上部修建鋼筋混凝土擋墻，墻頂與路面齊高，墻身采用C40混凝土澆筑，墻體內(nèi)布設(shè)框架式結(jié)構(gòu)鋼筋。

（3）墻身上布設(shè)3排12m長的全粘結(jié)土層錨桿，沿公路縱向間距為2m，垂向間距為2m，錨孔直徑為110mm，錨桿主筋為32mm的三級鋼筋。

（4）地下水疏排設(shè)施采用仰斜式深層泄水孔布設(shè)于擋墻上，共設(shè)置4排，縱向按4m，垂向按1.5m+2m+2m+3m間距交錯布置，長度自下而上為15m、9m、10.5m、11m。泄水孔外徑≥114mm，泄水結(jié)構(gòu)由110mmPVC管螺旋開孔后，內(nèi)置YB100纏繞型塑料盲溝構(gòu)成。泄水孔橫向坡度為5°。

3.3 處治措施評價

監(jiān)測結(jié)果顯示支擋結(jié)構(gòu)變形基本為0mm，處治達到預(yù)想效果。經(jīng)綜合分析及評價，該處治措施的優(yōu)點在于：

（1）通過微型錨筋樁群作為樁基礎(chǔ)，避免基礎(chǔ)開挖，在提高施工安全性的同時解決了擋墻地基承載力及抗滑移的問題。

（2）通過在墻體內(nèi)配制鋼筋，提高擋墻的抗彎及抗剪切能力，從而減小擋墻的墻身體積。新建擋墻墻高約9m，而墻底寬僅2m，在利用原有等外公路土路肩的情況下僅占用等外公路0.8m的路面。

（3）通過在墻身上設(shè)置土層錨桿，提高擋墻抗傾覆能力，解決擋墻傾覆問題。同時作為土體加筋的一種形式，對墻后填土路基的穩(wěn)定性有積極的作用。

（4）深層泄水孔能有效地對墻后填土中淤積的地下水進行疏排。施工完成后一年內(nèi)現(xiàn)場檢測表明，最下部2排深層泄水持續(xù)工作，在旱季時仍見股狀水流排出，雨季時所有泄水孔均能排出地下水。良好的疏排水性能可有效地降低病害再次發(fā)生的風(fēng)險。

[HJ1mm]

（5）施工期間未使用大型施工機械，未開挖因路基下沉開裂的行車道路面，也未大面積開辟施工場地，高速公路及村道未受施工影響而中斷。施工工期僅4個月，其中解除原擋墻坍塌安全風(fēng)險的主要工序施工僅耗時33d，具備輕量化及快捷高效的特點。

4 結(jié)語

（1）加筋土路堤能有效解決建設(shè)空間不足的問題，但對施工工藝、填筑材料質(zhì)量及過程控制有極高的要求，如有其中一項未達到控制標(biāo)準(zhǔn)都有可能引發(fā)嚴(yán)重病害從而降低加筋土的使用壽命。

（2）在對加筋土路堤病害進行處治時，應(yīng)對病害成因進行綜合分析，結(jié)合現(xiàn)場限制邊界條件提出有針對性的綜合解決方案，而不應(yīng)僵化地使用單一的傳統(tǒng)處治方法。

（3）隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，越來越多的高速公路建成使用，因運營年限增長、交通流量增加及極端天氣的頻發(fā)等綜合因素作用，也會導(dǎo)致越來越多突發(fā)的路基病害。為避免處治病害時中斷道路通行并盡可能地減輕處治施工期間對正常通行的負面影響，應(yīng)強調(diào)基于安全、快速、利廢、環(huán)保等綠色、節(jié)約、協(xié)調(diào)的邊界條件，因此研發(fā)輕量化、便捷化、高強度的新型組合支擋結(jié)構(gòu)物將會在未來成為一種必然趨勢與迫切需求。

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