石籠擋墻在凍土地區邊坡工程中的應用

潘 鋒

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

石籠擋墻源于竹籠、羊圈、鉛絲籠等堤岸防護技術,兩千多年前,李冰父子在都江堰水利工程中就運用了這種結構,用竹子和藤蔓、木條編織成籠狀箱體內裝填石頭(卵石)而成,開創了石籠防護工程的先河。隨著科技的發展,現在的石籠擋墻,是用抗腐蝕、耐磨損、高強度的低碳重鍍鋅鋼絲,采用專用的機械編織成五鉸狀六邊形網目的網片,力學性能和耐久性均有顯著提高。由于生態環保,與周圍自然環境融合度高,具有較強的適應變形能力,石器擋墻在公路邊坡防護、水利工程堤坡防護等領域應用廣泛[1,2]。

1 工程實例應用分析

1.1 項目概況

某高寒高海拔地區公路邊坡位于坡積裙上,坡積裙在后緣接受地下水的補給,在前緣排泄。坡積裙上表層為季節性凍土,以粉質黏土為主,在夏季融化時,因土顆粒較細,滲透性較差,融化水不易排出,產生超靜孔隙水壓力,融化面上的土體受水浸泡,抗剪強度大幅降低,加上邊坡前緣未設置有效支擋結構,存在臨空面。上述因素共同作用下,道路路塹邊坡表層產生熱融滑塌,部分路段滑塌體已從現狀老擋墻頂“越頂”侵占半幅寬度(圖1)。

圖1 熱融滑塌工點全貌

1.1.1 地形地貌

滑坡工點為構造侵蝕中高山地貌,微地貌單元屬于坡積裙區,地勢起伏稍大,沿線路中心地面標高一般在3380～3447m之間,自然坡角15°～35°,與周圍環境比,地形相對平緩,路線在該段呈S形,場地近南北向展布,南北高,中部低,為負地形區,易匯水。

1.1.2 地層巖性

根據現場勘察資料,挖方區地層主要為第四系全新統冰水融化堆積粉質黏土混碎石、新近系泥巖,砂巖、砂礫巖,巖性特征如下:

(1)粉質黏土混碎石(Q4fg+del)。淺灰、灰黑色,土質不均,含大量腐殖質及泥炭質,混碎石,含量10%,潮濕飽和,可塑。揭露厚度 3.5～16 m,上部1.2～1.8 m為季節性凍土區。承載力容許值Fa0=140 kPa。

(2)全風化砂巖(N1)。磚紅色,結構、構造已破壞,巖土風化成硬土狀,巖芯短柱狀,揭露厚度3.2～4.2 m,承載力容許值Fa0=280 kPa。

(3)強風化砂巖(N1)。磚紅色,泥質粉砂結構、中厚層狀構造,巖芯成短柱狀,錘擊聲啞,成巖性差,未揭穿,承載力容許值Fa0=400 kPa。

2 凍土地區邊坡綜合處置方案

該段屬于季節性凍土熱融滑塌區,是典型的地質災害點,夏季溫度升高凍土熱融后,含水量增加,坡面飽水,土體抗剪強度降低,坡面整體向前蠕動變形;坡腳老擋墻為干砌片石,整體性較差且高度不足,表層蠕滑形成“越頂”現象,導致邊坡失穩[3,4]。

2.1 熱融邊坡設計原則

凍土地區路塹設計應綜合考慮區域氣候條件和凍土條件,包括換填隔熱設計和支擋結構防護設計[5]。因此加固方案中要求對該工點路基基底采用粗顆粒換填處理,同時遵循支擋與截排水措施并重的原則[6]。

2.2 路塹邊坡綜合治理方案

該邊坡失穩的主要原因為季節性凍土表層熱融以后,向下蠕變滑動,坡腳處老擋墻高度不夠,整體性不足,導致上部滑體“越頂”破壞。傳統的重力式擋墻圬工體積大,對承載力要求高,對凍脹產生的不均勻變形較敏感,極易開裂。一般認為,凍土地區擋墻宜采用預制拼裝工業施工的輕型、柔性結構,效果較好?？紤]項目周邊砂石料豐富,因此采用格賓石籠擋墻作為支擋結構。格賓是由鍍鋅覆高耐磨有機涂層鋼絲制作而成的網箱結構,在工程現場用片石或碎石填充網箱,形成柔性的、透水的、整體性結構[7]。邊坡綜合治理的典型斷面如圖2所示。

圖2 邊坡綜合治理典型斷面

2.3 擋墻穩定性驗算

根據現行相關規范要求,對擋土墻應進行抗滑移、抗傾覆、整體穩定性、地基承載力等驗算。

2.3.1 抗滑穩定性驗算

基底抗滑穩定系數FSsl按下式計算:

式中:∑N=豎向力總和,kN;∑T=水平力總和,kN;μ為基底摩擦系數。

2.3.2 抗傾覆穩定性驗算

抗傾覆穩定系數Ko按下式計算:

式中:∑My為穩定力系對格賓墻體墻趾的力矩,kN·m;∑Mo為傾覆力系對格賓墻體墻趾的力矩,kN·m。

抗滑移抗傾覆驗算結果見表1。

表1 抗滑移抗傾覆驗算

2.3.3 地基承載力驗算

2.3.4 整體穩定性驗算

該工點邊坡為土石二元邊坡,采用簡化Bishop法進行穩定性驗算[8],計算模型如圖3所示，計算結果見表2。

圖3 計算模型

表2 穩定性驗算

2.4 石籠擋墻相關技術要求

擋墻為外臺階式,擋墻總墻高4 m,面墻每級退臺1 m,擋墻埋深不少于0.8 m;對墻底及墻前采用碎石換填,碎石為挖方段利用,減輕或消除凍脹影響。

格賓采用鍍鍍鋅覆高耐磨有機涂層防腐處理,格賓網面抗拉強度為42 kN/m。

填石要求:格賓填石粒徑以100～300 mm為宜,空隙率不超過30%,要求石料質地堅硬,強度等級MU 30,比重不小于2.5 t/m3,遇水不易崩解和水解,抗風化,格賓面墻靠墻面0.3 m范圍內采取干砌的方式。

圖4 石籠網箱大樣圖

3 結束語

石籠擋墻具有能與周圍環境自然融合、易于就地取材、墻體斷面型式組合靈活、透水性好、抵抗變形能力強等優勢,在路基邊坡防護、水利堤壩護岸等領域應用廣泛。本文以高海拔山區二級公路工程實例為依托,介紹了石籠擋墻在凍土地區路基邊坡防護中的應用情況,擋墻設計的要點為網箱材料及充填石料的選擇,以及擋墻的抗傾覆、抗滑移、地基承載力、整體穩定性驗算等方面。研究結果可為后期類似項目提供參考。