浏醴高速红砂岩边坡柔性支护结构设计方法

2012-07-29谭国湖

山西建筑 2012年24期

刘刚谭国湖吴川

(1．湖南省浏醴高速公路建设开发有限公司，湖南长沙 410329; 2．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004)

1 概述

湖南省境内，广泛分布着泥岩、砂岩等沉积岩类岩石，因富含铁的化合物而显红色或褐色，地质学上称之为红层，按习惯统称为红砂岩。红砂岩主要为第三系、白垩系的内陆河湖相碎屑岩，其岩体有着特殊的性质，其节理及裂隙发育，易受湿度、温度影响，极易风化、崩解，长期结构强度低。

2010年2月开始施工的湖南浏阳至醴陵高速公路位于湖南中部刘湘盆地，穿越红砂岩分布区。其2标路段上覆黄褐色、棕红色粘土，下伏红褐色、棕红色粉质泥砂岩，为红砂岩土质。路段K10+218～K10+318右侧坡高14 m、坡长100 m，已经采用了浆砌片石拱形骨架护坡，完工经历暴雨出现大规模的坍塌。路段K10+500～K10+634右侧边坡坡高13 m、坡长134 m，开挖后还未采取防护措施就已滑塌，之后把坡比从1∶0．75放缓至1∶2，时间不长再次滑坍。

红砂岩具有特殊的工程地质特征，其坡破坏受风化、岩性、构造(顺层滑塌)多因素的影响，具有成群、滞后的特征，可具体总结为浅层性、牵引性、潜在性，这种破坏特征与膨胀土路堑边坡的胀缩性破坏相似，故而考虑采用柔性支护处治技术进行治理。

2 柔性支护结构特点以及对红砂岩边坡的适用性

红砂岩边坡垮塌有以下几个主要原因:1)红砂岩中的粉质泥砂岩属于软质岩土，且容易风化崩解、遇水软化;2)含有大量软质的泥砂岩结构处，易形成低抗剪强度的滑动结构面;3)雨水渗入泥化夹层经历几轮干湿循环，使得砂岩风化崩解，快速降低其抗剪强度，使岩层滑塌。软弱泥化夹层是影响其边坡稳定的关键因素，随着含水量的增加，砂岩的内摩擦角逐步增大，粘聚力先增大后减小，红砂岩的泥化夹层达到临界含水量时，粘聚力和内摩擦角急剧下降，岩层抗剪强度随之下降，边坡失稳。

从理论上看，雨水的渗入使饱和土的静水压力增大，使有效应力减少，从而导致了抗剪强度不够。柔性支护结构，简单来说，是通过加筋反包回填土形成土挡墙，并辅以合理有效的排水渠道，达到保湿防渗，综合排水的目的，能有效地防止因雨水渗入土体而导致红砂岩风化崩解。

柔性支护结构的技术特点有:1)破坏了原结构面，形成新的结构体;2)以整体作支挡，结构性强;3)容许坡体部分变形，能吸收其变形能;4)具有完备的排水系统，能减弱干湿循环对坡体的作用;5)因地制宜采用原土作为填料，节约成本;6)施工简便，设备人员要求不高，工期短，造价低。

3 柔性支护结构的参数设计

柔性支护结构设计的基本思路是在坡体边界加铺土工格栅并反包回填土，利用U形钉、连接棒等连接材料将土与格栅紧密结合形成整体结构，并辅以有效的排水措施保湿防渗，防止坡体内的土体由于含水量的变化而膨胀垮塌。其结构的横断面标准设计图如图1所示，其设计参数主要包括土工格栅的加筋间距与加筋宽度等。

图1 柔性支护结构横断面设计图（单位：cm）

3．1 加筋间距的计算

在坡面附近，摊铺水平方向的格栅，反包填土，格栅会对土体产生内向应力限制土体变形，同时，格栅会受到向外的剪应力。边界上的土体受力情况如图2所示。

稍加分析即可得出任意纵断面X处土体的膨胀压力σx的合力等于表面剪应力τxy的合力，即:

图2 土体在边界上的受力情况

经有限元分析和大量的现场检测结果发现，在距离坡面水平L=1 m处膨胀压力能取得最大值。

现将X=L以外的土体取为研究对象，进行应力分析，并求其应力函数。此为一典型的平面应变问题，其控制方程为:

其中，φ即为待求的应力函数。

其中各应力分量为:

假定膨胀力在y方向上不变化，σx仅为与X相关的函数，即:

σx可表示为:

其中，f1(x)和f2(x)为任意函数。

将式(6)代入式(2)得:

这是一个y的二次方程，要使任意y值均能满足这一方程，必须有:

由方程(8)可得:

由式(9)和式(10)可得:

将式(10)和式(11)代入式(6)，并考虑到X或y的一次项对应力没有影响，即可得应力函数为:

各应力分量为:

由问题的对称性可知，X轴为一对称轴，故σx，σy是关于y的偶函数，而τxy是关于y的奇函数，所以:

由X=±L/2处的边界条件可得:

其中，P为设计部位的膨胀压力，kPa。

将边界条件式(15)代入，可以求得A，B，C，D四个待定常数:

各应力分量为:

为了确定待定系数H，K，我们假设在y=0，X=L/2处，垂直方向的膨胀力σy与水平方向的膨胀压力相等，且在X=－L/2，y=±h/2处，垂直方向的膨胀压力为零，即:

将边界条件式(18)代入表达式(17)可得:

应力分量在边界上的分布如图3所示。

图3 各应力分量在边界上的分布（y=h/2）

由图3可以看出，水平方向的膨胀应力在坡面位置附近为零，从外向内逐渐增大，在x=L处达到最大值。竖直方向的膨胀应力为纯压应力，从外向内至最大应力位置呈三次曲线变化，剪应力呈二次抛物线规律变化。

由于在X=L/2处的膨胀压力最大，格栅所受的张拉力最大，取该处为设计部位。显然，此处格栅所承受的张拉力T为其上下表面的剪应力之和，并假设其上下表面所承受的剪应力相等，则有:

由土体膨胀和格栅变形的相容方程有:

即:

或

其中，α为x=L/2处土体的有荷膨胀率，其取值大小与该部位的膨胀压力P及初始含水量有关;ET为格栅抵抗膨胀变形的形变模量。

式(21)即为网格间距设计的理论公式，由公式可以看出，布网间距将会随着膨胀应力的增大而减小，并随着格栅张拉强度的提高而增大。值得注意的是，不能简单地提高格栅强度来使间距增大，实际上，当间距过大时，两层格栅之间易出现局部滑塌。

有荷膨胀率α可以通过室内有荷膨胀试验获得，以填料的现场施工含水量和干密度制备试样进行有荷膨胀试验，得到其公式如下:

其中，A，B，C，D均为系数;P为上覆压力，kPa;w0为试件初始含水量，%。

将式(22)代入式(21)得:

格栅若处于正常工作状态时，其所承受的张拉力应不大于其抗拉强度Ts，即:

将式(24)代入式(23)，可得:

式(25)中，除h外，其他量皆已知，求解式(25)就可以得到h的大小。为安全起见，还应该对h除上一个安全系数k。

浏醴高速柔性支护结构所用的填料最低含水量为15%。碾压后干密度为1．68×103kg/m3，以此干密度制作的试件进行有荷膨胀试验，可得其有荷膨胀率为:

其中，α为土体的有荷膨胀率，%;P为上覆压力，数值上等于膨胀压力，kPa;w0为初始含水量，%。

浏醴高速实体工程中采用的土工格栅型号为TGDG35，其抗拉强度Ts=35 kN，伸长率不大于10%，ET=300 kN/m。代入式(25)可得到h≤0．70 m，取安全系数为1．4，则可以得到最后设计的结果h=0．5 m，此即为浏醴高速实体工程实际采用的布网间距。

3．2 加筋宽度的计算

膨胀性粘土路堑边坡都具有一定范围的干湿循环显著影响区，土体的胀缩活动主要发生在干湿循环显著影响区之内，加筋材料主要在该区段内起作用，其示意图如图4所示。

图4 干湿循环计算图式

其中，L为加筋长度，m;H为干湿循环显著影响区深度，m;β为加筋体的坡度，0°＜β≤90°;α为加筋体与垂直面的夹角，0°＜α≤90°;k为安全系数，一般取1．2 ～1．3;l为筋材的锚固长度，m。

图4中，水平含水量变化的垂直深度为H，坡面上的含水量变化区域根据边坡的坡比变化，当坡顶角α=90°时，此时坡面为水平面，含水量在坡面法向影响深度为H;当坡顶角α=0°时，此时坡面为垂直面，水流不会聚集在坡面上，可以认为此时含水量在坡面法向的影响深度为零;当坡顶角度α在0°和90°之间时，其坡面的法向影响深度可设为所以含水量在坡面水平方向由图分析可知，加筋长度可按下式计算:的影响深度为湖南地区的膨胀土干湿循环显著影响区深度H=2 m，假设筋材的锚固长度为0．5 m，考虑到锚固长度边坡的坡率为1∶1．5，以及将安全系数取为1．2，所以加筋的长度L应当为:

实际设计时，取为3．5 m。

3．3 其他参数的设计

柔性支护结构需要采用大型机械如平地机、推土机、压路机等进行施工，为了防止土工格栅暴露在空气中老化以及为了防止坡面冲刷，需要在坡面上喷播培植一定厚度的土，因此，柔性支护结构墙面的坡率不能太陡，综合考虑，浏醴高速红砂岩边坡的坡率取为1∶1．5。考虑到坡面的汇水冲刷以及支护结构的经济适用，墙面高度不宜过高，经计算浏醴高速红砂岩边坡柔性支护结构每级不大于8 m。