公路邊坡格賓擋土墻設計與穩(wěn)定性分析

吳永帥

(山西路橋集團榆和高速公路有限公司 晉中市 032600)

0 引言

山區(qū)高速公路建設過程中,復雜的地形導致施工過程中必須采用高填深挖的施工方式[1],這就要求必須對公路邊坡做好防護。在公路建設和運營管理過程中,多次出現邊坡滑塌事故,造成了很多財產損失,甚至是人員傷亡。經過分析得出造成公路邊坡滑塌的原因[2]主要包括對施工現場地質調查不足、防護結構設計不合理、施工質量不合格等。格賓擋土墻是公路邊坡常見的防護方式之一[3],具有施工工藝簡單、施工成本低、穩(wěn)定性好等技術優(yōu)勢。

在格賓擋土墻設計中,應根據邊坡現場實際情況制定設計方案[4],合理確定擋土墻的各項設計參數,合理制定施工方案,并對穩(wěn)定性進行計算分析。文章以某高速公路邊坡格賓擋土墻為研究對象,分析公路邊坡產生滑塌的原因,合理制定設計方案,并從土壓力、滑動穩(wěn)定性、傾覆穩(wěn)定性和地基應力及偏心距驗算等方面進行擋土墻穩(wěn)定性分析,分析設計方案的合理性,并對方案進行優(yōu)化。

1 工程概況

某高速公路采用雙向四車道設計,路基寬度為24.5 m,汽車荷載按照公路-I級荷載設計。該道路大部分途徑山嶺地區(qū),沿線有多處高填深挖路基。道路沿線邊坡地質條件復雜,采用漿砌片石護面墻、格賓擋土墻、錨噴支護等多種方法進行防護。道路兩側邊坡山體巖石主要有含礫泥巖、黑色碳質頁巖和含礫砂巖等,穩(wěn)定性較差,容易產生滑塌事故。其中K208+324～K208+409段公路邊坡坡體上覆第四系殘坡積粉質粘土層,下層為粉質黏土角礫層,穩(wěn)定性較差。在降雨、人類活動等因素的影響下,公路邊坡存在滑塌風險。

2 格賓擋土墻設計方案

2.1 設計方案與設計圖

通過現場勘察,對K208+324～K208+409段公路邊坡采用格賓擋土墻+拱形骨架護面墻支護,格賓擋土墻設計圖紙如圖1所示。格賓擋土墻墻背垂直、墻面呈臺階狀,通過初算確定擋土墻設計高度為5 m,頂寬為3 m,單個臺階寬度為1 m。上部邊坡分兩級,一級坡度為1：1.5、高8 m,二級邊坡坡度為1：1.75、高4 m,采用拱形骨架護面墻支護。坡頂設置截水溝,截留地表流向邊坡的地面水。格賓擋土墻地基承載力不低于200 kPa,墻背填土壓實度不低于90%。

圖1 格賓擋土墻設計圖(單位:cm)

2.2 格賓網的技術參數

根據施工需要,確定格賓網技術參數:所選格賓網規(guī)格為G4×1×1GF,網格尺寸8 cm×10 cm、長度4 m、寬度1 m、高度1 m,隔板布置間距為1 m;網面鋼絲直徑為2.7 mm、邊端鋼絲直徑為3.4 mm、綁扎鋼絲直徑為2.7 mm,均采用鍍鋅鋼絲,格賓網各組成部分如圖2所示。

圖2 格賓網各組成部分示意圖

3 格賓擋土墻穩(wěn)定性分析

格賓擋土墻的結構根據重力式擋土墻的工作原理設計,也按照重力式擋土墻的計算方法進行穩(wěn)定性分析。格賓擋土墻作為路基邊坡的一種支擋結構物,其自身結構的穩(wěn)定性直接關系到支護效果的發(fā)揮,也決定了邊坡防護結構的安全穩(wěn)定。通過分析公路邊坡和格賓擋土墻主要設計參數,得到格賓擋土墻穩(wěn)定性計算參數,計算擋土墻的穩(wěn)定性,確保防護結構安全穩(wěn)定。

3.1 確定計算參數

本項目公路邊坡分兩級,一級、二級邊坡坡度分別為1：1.5和1：1.75。為提升公路邊坡的穩(wěn)定性,在坡腳位置設置格賓擋土墻,墻高為5 m,邊坡計算簡圖如圖3所示。

圖3 邊坡計算簡圖(單位:cm)

根據格賓擋土墻設計方案,確定主要計算參數如下:

(1)墻身尺寸:墻高H=5 m,墻頂寬3 m、面坡坡度為1：1,背坡坡度1：0,墻底坡度0：1。

(2)物理參數

a.墻后填土物理參數:填土重度γ1=17.5 kN/m3、粘聚力c1=0、內摩擦角φ1=36.571 °。

b.格賓擋土墻墻體采用漿砌片石,石料強度不低于40 MPa,砂漿標號為M7.5。

c.本項目為土質地基,地基土內摩擦角φ2=17.800 °,原地面坡度為32 °。

d.擋土墻容重γ2=22.5 kN/m3、墻底摩擦系數為0.300,墻頂標高為0,每隔10 m設置一個分段。

3.2 土壓力計算

格賓擋土墻設計中主要對作用在擋土墻上的庫侖主動土壓力,計算墻高為5.0 m,無荷載時的破裂角為41.225 °。根據格賓擋土墻設計尺寸,按式(1)計算主動土壓力:

(1)

式中:γ為重度,單位kN/m3;H為墻高,單位m;Ka為庫侖主動土壓力系數,查表得出Ka=0.433。

主動土壓力的水平分力Ex=Ea×cos20 °=89.007 kN

主動土壓力的水平分力Ey=Ea×sin20 °=32.396 kN

作用點高度Zy=1.756 m,墻身截面積S=25 m2,擋土墻重量W=γ2×S×1=20.5×25=562.5 kN。

3.3 滑動穩(wěn)定性驗算

格賓擋土墻滑動穩(wěn)定性驗算主要是對擋土墻基底底面的滑動穩(wěn)定系數Kc進行計算,按式(2)計算:

(2)

式中:f為墻底摩擦系數;W為擋土墻墻重,單位kN;Ex為土壓力的水平分力,單位kN;Ey為土壓力的豎向分力,單位kN。

根據上述物理參數取值,擋土墻基底摩擦系數為0.300,按式(2)計算水平基底的滑動穩(wěn)定系數Kc=(W+Ey)×f÷Ex=(562.5+32.952)×0.300/89.007=2.007>[Kc]=1.3,說明格賓擋土墻滑移穩(wěn)定性滿足設計要求。

3.4 傾覆穩(wěn)定性驗算

按式(3)計算得到抗傾覆穩(wěn)定系數K0,分析格賓擋土墻傾覆穩(wěn)定性。

(3)

式中:Zx、Zy分別代表土壓力豎直和水平分力到傾覆計算點的水平、豎向距離;Zw代表擋土墻中心到傾覆計算點的水平距離。

Zy=H/3+h0/3K1=1.863 m

Zx=B+Zytanα=7 m

式中:h0為換算土層厚度,h0=q/γ1,q為汽車荷載作用在擋墻的附加荷載強度,取13.5 kN/m3,則h0=q/γ1=13.5/17.5=0.77 m;K1為系數,K1=1+2h0/H=1.308;α為擋土墻墻體后緣傾角,α=0 °;擋墻墻底截面寬度B=7 m。

格賓擋土墻墻重W=562.5 kN,擋土墻重心到墻趾點的水平距離Zw=4.754 m,Zy=1.863 m,Zx=7 m,擋土墻傾覆力矩:

ΣMy=WZw+EyZx=562.5×4.754+32.952×7=2904.789 kN·m

ΣM0=ExZy=89.007×1.863=165.820 kN·m

K0=ΣMy/ΣM0=2904.789/165.820=17.518>[K0]=1.3,說明格賓擋土墻傾覆穩(wěn)定性滿足設計要求。

3.5 地基應力及偏心距驗算

偏心距按式(4)計算:

(4)

本項目擋土墻地基為天然地基,需要對地基應力和偏心距進行驗算。根據上述物理參數,計算偏心距:

e=7/2-(562.5×4.754+32.952×7-89.007×1.863)/(551.25+32.952)=-1.100 m≤B/6=1.667 m

說明地基土承受壓應力,擋土墻墻趾和墻重地基應力按式(5)計算:

(5)

墻趾部位地基應力:σ1=(W+Ey)/B×(1+6e/B)=(562.5+32.952)/7×(1-6×1.1/7)=4.861 kPa≤240 kPa

墻踵部位地基應力:σ2=(W+Ey)/B×(1-6e/B)=(562.5+32.952)/7×(1+6×1.1/7)=165.268 kPa≤260 kPa

基礎底面平均壓應力:σ=(σ1+σ2)/2=85.065 kPa≤200 kPa

根據上述地基應力計算結果,可以得出擋土墻墻趾、墻踵和地基平均承載力驗算結果均滿足設計要求。

3.6 擋土墻設計方案優(yōu)化

根據上述計算結果,格賓擋土墻各項驗算指標均滿足要求,但存在較大的安全儲備,經濟性較差。為提高格賓擋土墻設計方案的經濟性,將擋土墻墻頂寬度從3 m降低到2 m。優(yōu)化后主要設計參數計算結果如下:

擋土墻重量:W=γ2×S=410 kN;

滑動穩(wěn)定系數:Kc=(W+Ey)×f/Ex=1.49>[Kc]=1.3,滿足要求;

抗傾覆穩(wěn)定系數:K0=ΣMy/ΣM0=13.146>[K0]=1.3,滿足設計要求。

偏心距:e=0.053 m≤B/6=1.667 m

墻趾部位地基應力σ1=(W+Ey)/B×(1+6e/B)=66.154 kPa≤240 kPa

墻踵部位地基應力σ2=(W+Ey)/B×(1-6e/B)=60.404 kPa≤260 kPa

基礎底面平均壓應力σ=(σ1+σ2)/2=63.279 kPa≤200 kPa

根據上述計算結果,將擋土墻墻頂寬度從3 m降低到2 m可行,各驗算指標均滿足要求。

4 結語

結合某高速公路邊坡格賓擋土墻施工案例,根據施工現場勘察結果制定設計方案,并對格賓擋土墻穩(wěn)定性進行分析,得出以下結論:

(1)制定格賓擋土墻設計方案,確定施工參數,并根據施工要求合理選擇原材料。

(2)格賓擋土墻水平基底的滑動穩(wěn)定系數Kc=2.007,大于容許值[Kc]=1.3,說明滑移穩(wěn)定性滿足設計要求。

(3)抗傾覆穩(wěn)定系數K0=17.518,遠大于容許值[K0]=1.3,說明格賓擋土墻傾覆穩(wěn)定性滿足設計要求。

(4)墻趾、墻踵部位地基應力和基礎底面平均壓應力均高于設計值,說明格賓擋土墻地基應力滿足設計要求。

(5)為提高格賓擋土墻設計方案的經濟性,將擋土墻墻頂寬度從3 m降低到2 m,且優(yōu)化后各驗算指標均滿足設計要求。