凌忠誠
(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司,甘肅 蘭州730030)
20世紀(jì)60年代法國工程師HENRIV首次提出了加筋土的概念,并于1965在法國成功修建了第一座加筋土擋土墻,20世紀(jì)70年代末,中國開始引入加筋土技術(shù)。加筋土擋土墻由填土、筋帶、面板3部分組成,具有收坡效果好、對地基承載力要求低、自重輕、工程造價低等特點,因此,在中國土木工程相關(guān)行業(yè)備受青睞。據(jù)統(tǒng)計,中國加筋土擋土墻主要用于公路行業(yè),最大擋土墻高度高達(dá)33 m,位于重慶長江濱江路,尤其是在20世紀(jì)90年代以后[1],加筋土擋土墻在中國得到了廣泛的應(yīng)用。然而,受限于中國筋材生產(chǎn)工藝和加筋土擋土墻施工工藝,筋帶的耐久性以及筋帶與面板之間的連接存在相對較差的問題,此外,當(dāng)時對加筋土的理論研究還不夠完善,部分加筋土擋土墻在使用過程中陸續(xù)開始發(fā)生面板脫落、鼓包、筋帶老化等病害,直接威脅公路的正常運營,因此,針對已發(fā)生病害的加筋土擋土墻,通過病害原因分析和加筋土路基穩(wěn)定性分析,選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的修復(fù)加固措施是十分有必要的。通過G312線鳳翔路口(陜甘界)至平?jīng)鰱|(曹村灣)段公路改建工程K1703+165—K1703+237段左側(cè)既有加筋土擋土墻面板修復(fù)的工程案例,為類似工程提供參考。
G312線起點始于上海,終點止于新疆霍爾果斯口岸,由東向西,全線長4 967 km,其中甘肅省境內(nèi)路線長1 536 km,包含平?jīng)鍪芯硟?nèi)鳳翔路口至平?jīng)鰱|段,該段公路等級為雙向二車道二級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),路基寬度為12 m。G312線鳳翔路口至平?jīng)鰱|段于2000年建成通車,截至2020年,已運營近20年。在K1703+165—K1703+237段路基左側(cè)設(shè)置加筋土擋土墻,該加筋土擋土墻位于高填路基左側(cè)(下山側(cè)),路基右側(cè)填平處理,墻長72 m,最大墻高13.5 m,路基填料為黃土,淺黃色,潮濕,中密狀,土質(zhì)均勻,局部含礫石;原基底為離石黃土,淺黃色,淡紅色,潮濕,中密,土質(zhì)不均,以粉細(xì)粒為主,粘粒含量高,具有小孔隙,可見少量鈣質(zhì)結(jié)核塊體。當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅繛?14.5 mm,屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。2019-09,該段加筋土擋土墻筋帶斷裂,面板脫落、鼓包,墻后土體剝落,未發(fā)生邊坡整體失穩(wěn)、路面塌陷等病害,但是墻后土體如果持續(xù)剝落,將危及公路路基邊坡穩(wěn)定,對公路正常運營造成較大的安全隱患。
加筋土擋土墻面板脫落、鼓包的原因為[2]:①筋帶與面板結(jié)合部位長期受空氣和反濾層排水的共同作用,造成筋帶不斷腐蝕老化,耐久性和抗拉強(qiáng)度降低;②局部路面雨下滲,造成墻后土體濕重度增大,內(nèi)摩擦角減小,從而導(dǎo)致土壓力增大以及筋帶與填土間的摩擦力減小;③重載車輛較多,通車時間長,超載現(xiàn)象嚴(yán)重,直接導(dǎo)致墻后土壓力增大,面板與筋帶之間的拉力變大;④加筋土擋土墻面板為單個構(gòu)件,相互之間的連接較薄弱,單點受力不同,容易出現(xiàn)局部變形。
加筋土擋土墻是利用筋帶與填土摩擦力,形成強(qiáng)度較高的復(fù)合體墻身,從而抵抗墻后土體產(chǎn)生的側(cè)向土壓力。目前對于加筋土作用機(jī)理有2種觀點:第一種觀點是摩擦加筋原理[3],該觀點認(rèn)為土壓力直接作用于面板上,面板通過筋帶將土壓力傳遞至穩(wěn)定填土中;第二種觀點是準(zhǔn)黏聚力原理[3],該觀點認(rèn)為土中加入筋帶后形成復(fù)合土體,其摩擦角不變,但是產(chǎn)生了新的黏聚力,也稱準(zhǔn)黏聚力或似黏聚力,準(zhǔn)黏聚力有效改善了加筋土的等效內(nèi)摩擦角,從而提高填土邊坡穩(wěn)定性。
G312線鳳翔路口至平?jīng)鰱|段位于黃土高原區(qū),路基填料以黃土為主,在車輛荷載多年的持續(xù)作用下,該段路基已經(jīng)碾壓密實,根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》關(guān)于路基填料綜合內(nèi)摩擦角的經(jīng)驗值,綜合內(nèi)摩擦角取35°,重度取18 kN/m3,路堤穩(wěn)定性分析采用簡化Bishop法進(jìn)行計算。
式(1)(2)中:Fs為路堤穩(wěn)定系數(shù);ci、φi為第i個土條滑弧所在土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角;bi為第i個土條寬度,m;Wi為第i個土條重力,kN;Qi為第i個土條垂直方向外力,kN;αi為第i個土條底滑面的傾角,°。
根據(jù)上述路基穩(wěn)定分析方法,利用理正巖土6.5進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算,采用極限平衡Bishop法,潛在破裂面按照圓弧破壞模型作為邊坡穩(wěn)定性計算的依據(jù),結(jié)合準(zhǔn)黏聚力原理,分別計算不同綜合內(nèi)摩擦角下路基的穩(wěn)定性,分析結(jié)果如表1所示。
表1 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果
通過上述邊坡穩(wěn)定分析,當(dāng)路基填土綜合內(nèi)摩擦角小于42°時,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);綜合內(nèi)摩擦角達(dá)到44°時,邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài);綜合內(nèi)摩擦角達(dá)到46°以上時,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足規(guī)范要求。
2020-07-01—2020-08-15,施工單位對該段加筋土擋土墻進(jìn)行了沉降位移觀測。共布設(shè)了4組位移計和沉降觀測計C1、C2、C3、C4,分別在加筋土擋土墻的頂部布設(shè)了2處,在中部和中下部各布設(shè)了1處,經(jīng)過45 d的監(jiān)測,共采集了10組數(shù)據(jù),監(jiān)測結(jié)果如表2所示。不同部位高程點監(jiān)測曲線如圖1所示。
表2 高程監(jiān)測結(jié)果(單位:m)
圖1 不同部位高程點監(jiān)測曲線
監(jiān)測結(jié)果顯示:C1監(jiān)測點高程介于1 113.382~1113.386m,C2監(jiān)測點高程介于1113.730~1 113.733m,C3監(jiān)測點高程介于1 107.545~1 107.549 m,C4監(jiān)測點高程介于1 100.278~1 100.282 m。根據(jù)位移監(jiān)測數(shù)據(jù),C1監(jiān)測點累計位移為1 mm,C2監(jiān)測點累計位移為3 mm,C3監(jiān)測點累計位移為3 mm,C4監(jiān)測點累計位移為1 mm。表明路基未發(fā)生沉降變形和位移變形,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。
黃土為細(xì)粒土,根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》,細(xì)粒土的綜合內(nèi)摩擦角經(jīng)驗值為35°~40°,因此,結(jié)合邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果以及路基沉降及位移監(jiān)測結(jié)果,表明在筋帶的作用下,黃土的綜合內(nèi)摩擦角得到了有效提高。
根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況,路基填料為黃土,該段加筋土擋土墻僅發(fā)生局部面板脫落、鼓包等病害,上部路面完好,未發(fā)生路面沉降、擋土墻整體破壞等病害,且G312線已經(jīng)運營近20年,該段擋土墻沒發(fā)生整體垮塌等,在面板已經(jīng)脫落的加筋土擋土墻已經(jīng)與摩擦加筋原理不符,表明該加筋土作用機(jī)理與準(zhǔn)黏聚力原理更為吻合,因此,可判斷該段擋土墻處于穩(wěn)定狀態(tài),但是面板脫落、鼓包會導(dǎo)致路基邊坡不斷剝落,影響路基邊坡穩(wěn)定,從而威脅公路安全運營。
該段既有加筋土擋土墻位于V形沖溝內(nèi),溝底縱坡較陡,現(xiàn)加筋土擋土墻坡腳外側(cè)約8 m范圍內(nèi),橫坡相對較緩,經(jīng)現(xiàn)場鉆探查明,加筋土填土為黃土,原溝底地質(zhì)為離石黃土。結(jié)合現(xiàn)場既有擋土墻的地形地質(zhì)條件,提出以下方案進(jìn)行比選。
俯斜式擋土墻方案:施工方便、工期短,對既有加筋土筋帶無干擾,但是由于擋土墻高度高達(dá)15 m,自重較大,對地基承載力要求較高,工程造價高,存在一定的安全風(fēng)險,此外,需要補(bǔ)充征地,征地實施較為困難。
錨桿框格梁方案[4]:結(jié)構(gòu)自重輕,工程造價低,可避免新增占地,但是錨桿施工可能會破壞既有筋帶,從而改變加筋土受力機(jī)理,存在較大的安全風(fēng)險,且黃土錨桿效果較差。
樁板墻方案:傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu),受力效果好,可為既有加筋土擋土墻提供較大的橫向支撐力,同時不會對既有加筋土筋帶產(chǎn)生不良影響,但是因現(xiàn)場為V形溝,既有邊坡底無施工場地,只能在G312線公路上施工,施工難度相對較大。
綜合結(jié)構(gòu)安全性、可實施性、工程造價等因素,最終確定采用樁板墻修復(fù)方案。具體方案如下:拆除脫落、懸空的面板,墻后剝落處采用C20混凝土填充修補(bǔ),樁板墻錨固樁采用C30鋼筋混凝土澆筑,樁徑1.5 m,樁間距5.0 m,樁長28.0 m,其中懸臂端長10.5 m,錨固端長17.5 m,樁后掛設(shè)50 cm厚擋土板。
施工順序如下:完善防排水→坡面變形監(jiān)測點布設(shè)→掛主動防護(hù)網(wǎng)→拆除脫落面板→樁板墻及擋土墻懸空處澆筑施工→交安設(shè)施。
施工過程中應(yīng)注意以下事項:①施工過程中加強(qiáng)對既有加筋土擋土墻變形的監(jiān)測,嚴(yán)格監(jiān)測加筋土擋土墻面板變形情況,發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施,確保施工安全;②樁基施工時,應(yīng)確保與既有加筋土擋土墻之間有足夠的安全距離,盡量減輕對既有加筋土擋土墻的擾動,防止路基失穩(wěn);③加筋土擋土墻預(yù)加固施工期間,施工車輛應(yīng)繞避通行,盡量減小車輛荷載等作用對路基穩(wěn)定和樁板墻施工的安全影響;④優(yōu)先選擇晴天施工,如雨天必須施工,則應(yīng)在確保安全的前提下進(jìn)行;⑤堅持快速施工的原則,達(dá)到及早穩(wěn)固邊坡的目的。
通過本工程案例,樁板墻修復(fù)加筋土擋土墻面板的處治效果較好;加筋土擋土墻通過提高路基填料的綜合內(nèi)摩擦角,從而增加了路基的穩(wěn)定性;通過對路基邊坡的沉降和位移監(jiān)測,表明加筋土擋土墻面板脫落后,仍處于穩(wěn)定狀態(tài);加筋土擋土墻作用機(jī)理偏向于準(zhǔn)黏聚力原理;對于符合準(zhǔn)黏聚力原理的加筋土擋土墻,面板修復(fù)方案選擇時,建議盡量不要破壞既有筋帶。