庫岸路基防護(hù)技術(shù)及工程應(yīng)用

李會強(qiáng)

（招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司京津塘高速分公司，北京 100176）

0 引言

受到水的滲透作用影響，庫岸路基往往容易發(fā)生較大的變形，甚至?xí)l(fā)失穩(wěn)問題。為了應(yīng)對這一問題，在實(shí)際工程中需要采用各種各樣的防護(hù)結(jié)構(gòu)來平衡土壓力，同時抵抗水流的沖刷作用，為路基提供一個穩(wěn)定可靠的地質(zhì)環(huán)境[1]。本文從常見防護(hù)措施出發(fā)，對其各自的適用范圍進(jìn)行了論述，并且結(jié)合工程實(shí)例提出了符合實(shí)際需求的庫岸路基防護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

1 工程概況

本文以某公路工程為例展開分析，該項(xiàng)目整體地形比較平緩，且沿線兩側(cè)分布有兩條河流，河內(nèi)常年儲水，具有較厚的泥沙淤積。經(jīng)調(diào)研勘查發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目路基具有承載力低的缺陷，且在洪水期河岸受到水沖影響嚴(yán)重。該項(xiàng)目所在地區(qū)地質(zhì)條件主要為低山剝蝕河谷地貌，河谷的分布呈U形。建設(shè)地的地層類型主要為：①第四系坡殘積層，黏質(zhì)黏土；②第四系全新統(tǒng)沖洪積層，石質(zhì)成分以雜砂巖、板巖為主；③元古代震旦系代安河組，含粉砂質(zhì)板巖，變晶結(jié)構(gòu)。

該路段原有路基防護(hù)設(shè)計(jì)形式為重力式擋墻，在施工時向下開挖發(fā)現(xiàn)存在較厚的砂礫層，導(dǎo)致?lián)鯄Φ幕A(chǔ)施工受阻。本次對擬選用3種不同的防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，然后根據(jù)工程實(shí)際擇優(yōu)選取。

2 防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)變形分析

當(dāng)水庫水位發(fā)生變化時，庫岸路基常見的破壞模式有以下幾類：①破壞早期，裂縫從結(jié)構(gòu)的軟弱位置產(chǎn)生并逐漸發(fā)展擴(kuò)大至路基整體；②路基的軟弱部位受到水的持續(xù)沖刷被攜帶沖走產(chǎn)生塌陷區(qū)；③塌陷區(qū)持續(xù)發(fā)展并逐步擴(kuò)大范圍，加快上部結(jié)構(gòu)的垮塌，直至防護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆、路基破壞[2]。對多種模型、材料下的浸潤線進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)：①庫水位的上升速度越慢，浸潤線越緩，結(jié)構(gòu)安全性越高；而庫水位上升速度越快，浸潤線越陡，結(jié)構(gòu)處于更為不利的狀態(tài)；②庫水位的下降速度越慢，浸潤線越緩，結(jié)構(gòu)安全性越高。

防護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)主要借助性質(zhì)相近材料來進(jìn)行模擬，并以相似原則為基礎(chǔ)完善靜力模型[3]。在對山區(qū)庫岸路基展開全面調(diào)研分析后，選擇了寬度為7m、防護(hù)高度為8m的工程原型，并且分別采用石籠結(jié)構(gòu)、加筋土墻以及新型自嵌式結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行處理分析。

2.1 石籠結(jié)構(gòu)的變形分析

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜贾萌舾蓚€測量點(diǎn)來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的幾何變形，受到現(xiàn)場條件的制約，測量點(diǎn)與擋墻之間的距離需要實(shí)地測得。通過測量不同庫水位下的結(jié)構(gòu)變形情況，即可繪制得到石籠的變形如圖1所示。

圖1 石籠結(jié)構(gòu)的變形量

對試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)展開分析可知，粉砂土質(zhì)路基變形量的峰值出現(xiàn)在H/3位置處，而碎石黏土土質(zhì)路基變形量的峰值出現(xiàn)在H/3位置處?？紤]到碎石黏土的容重大于粉砂，因此采用前者施工的岸路基受到主動土壓力的水平要高于后者，也即前者的防護(hù)結(jié)構(gòu)變形大于后者。

2.2 加筋擋墻的變形分析

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜贾萌舾蓚€測量點(diǎn)來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的幾何變形，受到現(xiàn)場條件的制約，測量點(diǎn)與擋墻之間的距離需要實(shí)地測得。通過測量不同庫水位下的結(jié)構(gòu)變形情況，即可繪制得到加筋土結(jié)構(gòu)的變形如圖2所示。

圖2 加筋土結(jié)構(gòu)的變形量

試驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)各部分的變形比較均衡，且整體變形量處于較低水平。同時采用碎石黏土?xí)r的結(jié)構(gòu)變形量略大于采用粉砂土的結(jié)構(gòu)變形量。

2.3 自嵌式擋墻的變形分析

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜贾萌舾蓚€測量點(diǎn)來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的幾何變形，受到現(xiàn)場條件的制約，測量點(diǎn)與擋墻之間的距離需要實(shí)地測得。通過測量不同水庫水位下的結(jié)構(gòu)變形情況，即可繪制得到自嵌結(jié)構(gòu)的變形如圖3所示。

圖3 自嵌結(jié)構(gòu)的變形量

不同于石籠與加筋土防護(hù)結(jié)構(gòu)，自嵌結(jié)構(gòu)的變形程度比較小，表現(xiàn)出突出的抗變形性能。但在較高的水位下，結(jié)構(gòu)有產(chǎn)生垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。雖然結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)浸水條件下能夠保持較好的穩(wěn)定性，但不適宜長時間浸水。

3 防護(hù)結(jié)構(gòu)適宜性分析

3.1 石籠防護(hù)結(jié)構(gòu)

石籠結(jié)構(gòu)作為一類具有比較突出優(yōu)勢的防護(hù)形式，其相較于重力式擋土墻而言主要具有下列優(yōu)勢。

（1）安全性好。石籠結(jié)構(gòu)具有良好的抗水沖性能，可以在地基承載力較為薄弱的工程中得到應(yīng)用，顯著改善結(jié)構(gòu)耐久性。

（2）不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)縫?？梢耘c原結(jié)構(gòu)形成緊密的接觸并構(gòu)成整體，同時還兼具良好的延展性能。網(wǎng)箱的變形能力比較好，因此對不均勻沉降的適應(yīng)性較好。

（3）透水性好。較好的透水性能有助于土體中水分的排泄，以此來降低孔隙水壓力。

（4）環(huán)境友好。在合理的設(shè)計(jì)下可以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的作用，將工程建設(shè)對環(huán)境的破壞限制在可控的水平下。

（5）施工簡便。網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)與施工均比較簡單，能夠根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)計(jì)并在現(xiàn)場完成快速組裝。同時對于環(huán)境的適應(yīng)性較好，在惡劣環(huán)境下可以快速完成施工。

（6）資源利用率高。特別是在山區(qū)建設(shè)中，能夠有效利用當(dāng)?shù)氐牟牧腺Y源，提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。但值得注意的是，石籠會對庫區(qū)魚類的生長產(chǎn)生一定影響。一般而言，網(wǎng)箱內(nèi)容易積攢漂浮物，因此魚類就會受到吸引而聚集，而網(wǎng)箱上的鋼絲往往會對魚類造成傷害。

3.2 加筋土防護(hù)結(jié)構(gòu)

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，加筋土結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中主要表現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

（1）加筋土結(jié)構(gòu)整體為柔性。結(jié)構(gòu)借助填料、拉筋間的摩擦作用來抵抗路基土體對墻的水平作用。因此加筋土結(jié)構(gòu)可以很好地滿足地基沉降的要求，且該方法的應(yīng)用對原地基的要求較低。

（2）設(shè)計(jì)簡單。雖然加筋土結(jié)構(gòu)對于設(shè)計(jì)工作的要求比較低，但在施工時需要較高的管理水平。施工的各個工序都對最終防護(hù)效果有決定性影響，因此需要嚴(yán)格按照規(guī)范要求及設(shè)計(jì)方案執(zhí)行。

（3）綜合性能優(yōu)異。復(fù)合結(jié)構(gòu)在透水性、穩(wěn)定性及抗變形能力上都有突出的表現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)的耐久性將得到顯著提升。

（4）施工便捷、周期短。能夠在短期內(nèi)完成施工，降低對公路正常運(yùn)營的影響，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 自嵌式防護(hù)結(jié)構(gòu)

作為近些年新出現(xiàn)的一類防護(hù)結(jié)構(gòu)，自嵌式擋墻主要借助嵌鎖效應(yīng)來構(gòu)成完整的結(jié)構(gòu)體，以此來適應(yīng)不同的工程需求。自嵌式擋墻是一類由加筋擋墻發(fā)展得到的防護(hù)形式，相較于其他形式的擋墻，其具有以下優(yōu)勢。

（1）施工簡便。自嵌式擋墻在施工時僅僅進(jìn)行簡單工作的重復(fù)，對于技術(shù)要求相對較低且不需要附加支護(hù)，僅在填土的一側(cè)即可完成全部施工，能夠顯著減少施工周期。

（2）地基要求低。自嵌式擋墻屬于柔性結(jié)構(gòu)，因此可以在不同地基條件下完成施工，能夠適應(yīng)不均勻沉降帶來的不利影響，譬如在對軟土路基進(jìn)行防護(hù)時，若采用混凝土擋墻則需要設(shè)置樁基，而自嵌式擋墻可不做額外結(jié)構(gòu)。

（3）施工限制少。自嵌式擋墻的結(jié)構(gòu)主要由墻體及拉筋構(gòu)成，在各種復(fù)雜環(huán)境下都能夠開展施工，且能夠降低噪聲污染。

（4）拆除便捷。自嵌式擋墻的拆除僅需挖除填土，避免了圬工鑿除，因此能夠做到快速拆除。

（5）土地占用少，造型美觀。自嵌式擋墻可以形成一個完整的平面，且自然產(chǎn)生規(guī)則形狀，具有很好的視覺美觀性。

對上述3種不同防護(hù)結(jié)構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn)其具有各自的適用范圍及優(yōu)勢，在具體工程中需要綜合考慮其特點(diǎn)。如有必要，還可將多種結(jié)構(gòu)組合形成復(fù)合防護(hù)來提升其適用性。

4 方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)該路段長期受到水流沖刷，基于工程實(shí)際條件計(jì)算并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，決定將防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更為石籠—加筋土的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以此來改善抗沖刷能力并適應(yīng)低承載力的地基條件，確保在較大的變形下仍能夠維持原有的穩(wěn)定。

4.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采集施工現(xiàn)場的土體樣本進(jìn)行試驗(yàn)檢測，得到其基本參數(shù)為：容重γ=20.5kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角φ'=30°；砂卵石填料的內(nèi)摩擦角φ'=350，內(nèi)聚力c=15kPa。

結(jié)合庫岸邊坡具體形式將路基選定為階梯式設(shè)計(jì)。為了保障其符合預(yù)期穩(wěn)定性，加筋材料采用TGSG20-20雙向聚丙烯土工格柵，實(shí)踐表明具有比較好的耐久性及力學(xué)強(qiáng)度。加筋層的間距可按下式確定：

根據(jù)式（1）即可得到格柵的層間厚度，并將其中的最小值作為層間距。將所用施工材料的具體基本參數(shù)導(dǎo)入公式中計(jì)算可得Sv=1m。筋帶長度的上層、中層及下層分別為7m,5m,3m。墻面設(shè)計(jì)采用石籠結(jié)構(gòu)，其底部、中部及上部寬度分別取為2m,1.5m,1m，且相鄰層之間錯開約0.1m來提升結(jié)構(gòu)的抗傾覆性。同時，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗水沖刷的能力，在基礎(chǔ)位置做加密處理，附加石籠墊層的同時向外拋石。

4.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算一般借助極限平衡法來完成，其中包括了外部、內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算以及墻體驗(yàn)算[4]。其中外部穩(wěn)定驗(yàn)算可遵照重力式擋土墻的驗(yàn)算方法進(jìn)行；而內(nèi)部穩(wěn)定性的驗(yàn)算則主要包含了格柵的強(qiáng)度及抗拔能力驗(yàn)算兩部分。值得注意的是，驗(yàn)算時應(yīng)當(dāng)特別注意水的沖刷作用及地下水位變化帶來的不利影響。所以在設(shè)計(jì)之前應(yīng)當(dāng)對建設(shè)環(huán)境進(jìn)行全面的勘察，明確當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，確定最高水位、最大流速等重要指標(biāo)，為驗(yàn)算提供數(shù)據(jù)支持。基于浸潤線原則的驗(yàn)算結(jié)果表明，防護(hù)結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求，具有足夠的穩(wěn)定性。

在開展驗(yàn)算工作時可以借助Cawac Win 2003輔助計(jì)算，在程序內(nèi)導(dǎo)入基本參數(shù)，程序即可按照浸潤線原則開始運(yùn)算，得到滑移穩(wěn)定性系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)以及整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.82,1.74,1.89，同時基底正應(yīng)力為287.34kN/m，小于300kN/m的最大允許應(yīng)力，也即滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文從3種不同的防護(hù)形式入手探究了其破壞、變形情況，并總結(jié)了其各自的適用范圍及應(yīng)用特點(diǎn)。此外，結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算了3種防護(hù)形式下的穩(wěn)定驗(yàn)算。綜合考慮工程需求及施工條件，選用復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)維持在穩(wěn)定可靠的狀態(tài)下。