膨胀土地区高边坡复合支护体系设计

刘红卫，邓敏，赵志奇

（中铁工程设计院有限公司，北京 100038）

膨胀土地区高边坡复合支护体系设计

刘红卫，邓敏，赵志奇

（中铁工程设计院有限公司，北京 100038）

针对膨胀土边坡遇水后易发生失稳滑坡等地质灾害问题，通过实地调查分析后，设计采用放坡+混凝土格构+预应力锚索+挡土墙+坡面植草的综合支护方案，项目实施后取得了良好的效果，成功地解决了膨胀土高边坡的稳定性难题。

膨胀土;高边坡;支护体系;胀缩变形

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.014

1　引言

膨胀土具有胀缩性、裂隙性和超固结性，性质极不稳定，在丘陵地带及山区，极易发生边坡溜塌、坍塌和浅层滑坡等地质灾害。在膨胀土普遍发育的南宁地区，因城市建设的需要而不可避免地破坏部分原始地貌形态，人为削坡的后果使已呈稳定状态的膨胀土边坡面临失稳的风险。本文针对南宁市轨道交通1号线屯里车辆段38.4m高边坡，经过精心设计研究，提出了采用防治结合的复合支护体系方案，取得了良好的效果。

2　工程概况

屯里车辆段位于南宁市青秀区凤岭片区，用地东西长约1200m，南北宽约270m，总占地28.8hm2。场地主要为剥蚀残丘地貌，地势总体呈东高西低，起伏很大，东部平均高程120m左右、西部平均高程80m左右，场坪标高为83.6m。场地北侧为挖方区，边坡总长600m，最大高度为38.4m，边坡面积38100m2。

3　工程地质及水文地质条件

场地上覆第四系全新统人工堆积层、坡残积层，下伏古近系岩层（E），主要地层有素填土①层,坡残积粉质黏土⑥1-1层,泥岩-粉砂质泥岩⑦1-1、⑦1-2、⑦1-3层,粉砂岩-泥质粉砂岩⑦2-1、⑦2-2、⑦2-3层及炭质泥岩⑦4层。各层岩性特征、分布厚度见图1，其中黏土-粉质黏土层为A1亚类中等胀缩土，泥岩-粉砂质泥岩层、炭质泥岩均为A1亚类弱胀缩土。根据勘察报告，边坡支护有关的土层及力学指标见表1。

本工程场地类别为一类场地，大气影响深度为7.0m，中等膨胀性土大气急剧影响深度为2.0～2.7m。

图1　工程地质剖面图

场地分布有上层滞水和碎屑岩类孔隙裂隙水。上层滞水一般赋存于人工填土层及坡、残积黏性土层中，水位埋深0.0～4.20m，相应标高71.71～110.84m；碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于下伏古近系半成岩粉砂岩-泥质粉砂岩中，在场地内呈不连续分布，略具承压性，富水性弱，属中等透水层，水位埋深2.60～13.70m，相应标高75.51～113.55m。

4　膨胀土边坡破坏的主因分析及支护原则

通过对南宁地区南宁会展中心、南宁市气象局、李宁体育中心、朱槿路老挝使馆、南钦高铁屯里段、青山路等数十处边坡及支护工程的实地调查，分析膨胀土边坡的破坏主要原因，寻找出科学合理的支护设计体系，确保边坡稳定。

4.1主因分析

影响膨胀土边坡破坏的主要因素是土质因素、水文气象因素和人类活动三方面。土质因素主要表现为自身特有的胀缩性、裂隙性和超固结性决定了坡面经开挖暴露于空气之中必然产生开裂、胀缩和应力释放而导致坡面破坏。水文气象因素表现在：一方面在大气影响深度范围内，含水量随着大气环境变化而变化，使坡面自表及里形成强度分区，其抗剪强度随土体含水量不同而变化；另一方面在受到强降雨和干旱等不利气候影响时，导致土体内水分强烈急剧变化，使土体开裂、强度降低、易于失稳下滑。人类活动破坏了山体的自然平衡，原来的稳定边坡开挖后变得不稳定，由于膨胀土的超固结性，可能在一定范围内产生减荷膨胀，产生应力释放，导致边坡破坏。同时，大气影响深度范围内的土体会干湿循环产生破坏。

4.2支护原则与支护方式选择

综合防护，以防为主，保证边坡稳定：采取挡、防、支撑、护相结合的工程稳定措施+截、排、堵相结合的防排水措施+植被防护措施。

治坡先治水：采取坡顶截水沟、坡面导流槽、坡脚排水沟的措施截排水；坡（墙）顶采取封堵措施防止地表水流入；采取植物护面控制坡面水分急剧变化。

分台防护：高于15m的膨胀土高边坡必须分台开挖，把高边坡降为矮边坡的组合形式，既减少坡脚压力，又减少水对坡面的冲蚀。

防护形式选择：格构梁+预应力锚索、挡土墙、截排水沟、导流槽、平台马道与挡水墙坡面植草。

5　复合支护体系设计

5.1计算参数及验算说明

边坡稳定性计算参数见表1。

表1　边坡设计参数一览表

根据调查及分析该场地膨胀土边坡坡率宜控制在1:1.5～1:3之间。对于膨胀土边坡，膨胀土不受阻挡自由膨胀时，不产生膨胀力，当膨胀受阻时，变形转化为膨胀力，作用于阻力界面上，当阻力足够大时，膨胀变形为零。根据勘察报告，对于可能出露的膨胀土土层膨胀力约为30kPa，岩层膨胀力约为40kPa，锚杆验算时应予以考虑，挡土墙由于特殊的墙后结构验算时可不予考虑。

5.2膨胀土地区边坡支护设计要点

1）锚杆锚拉段及挡墙必须穿过滑动面，边坡坡率宜控制在1:1.5～1:3之间。

2）格构梁底部设置柔性调变层，可降低膨胀土胀缩变形对支护结构的影响。

3）地表水是引起边坡失稳的主要诱因，边坡排水设计应统筹考虑，防治结合，做到地表水有序排放。

4）边坡坡脚设计应从安全、经济、适用等方面综合考虑，挡墙既要起到挡土作用又有防止坡脚被水浸泡。

5）坡面应植草护面，防止雨水下渗而形成边坡滑移的软弱面。

6）格构梁材质、断面大小、锚拉杆件以及施工质量对边坡稳定性具有重要作用。

5.3边坡支护体系选择

本工程边坡最大高度为38.4m，消坡后形成大面积分布的膨胀岩（土）临空面，根据前期典型工程调查结果，考虑到轨道交通工程的重要性，经综合分析对比，边坡支护体系采用放坡+混凝土格构+预应力锚索+挡土墙+坡面植草的综合支护方式。

5.4支护结构设计

本边坡设计为永久高边坡，高度为38.4m，工程安全等级为一级，边坡重要性系数为1.1，抗震设防烈度按7度设计。根据场地地层分布和各岩（土）层力学指标，设计采用4级放坡，坡率为1:1.5，第1级、第2级坡高各为7.5m，第3级坡高为10.0m，第4级坡高为11.2m，每级坡间设2.0m宽平台，平台上设置挡水墙。第1级坡坡脚设1m高毛石混凝土挡墙，基础埋深2.0m，见图2。

图2　边坡支护立面图

锚索长度经计算确定，满足边坡稳定性计算要求，各级边坡具体设计参数为：

第1级边坡设3排预应力锚索，锚索长度分别为20m、22m、25m；

第2级边坡设3排预应力锚索，锚索长度分别为26m、27m、27m；

第3级边坡设4排预应力锚索，锚索长度为26m、25m、25m、25m；

第4级边坡设4排预应力锚索，锚索长度为22m、20m、18m、18m。

支护结构剖面详见图3。

图3　支护结构剖面图

图4　钢筋混凝土格构大样图

由于膨胀土边坡破坏的主要形式为渐进式滑坡，即边坡往往由于坡脚受水的影响，从坡脚开始发生软化滑塌，进而引发整个边坡的失稳。本边坡采用毛石混凝土挡墙护坡，墙后回填砂砾层并设泄水孔，挡土墙大样详见图5。

图5　挡土墙大样图

5.5坡面排水系统设计

边坡排水以自排为主，多道防线，防排结合，综合治理。坡顶设置截水沟，平台设置挡水墙，使坡面集水汇流至两侧急流槽中；坡脚设置排水沟，雨水经边沟、截水沟和排水沟汇入站场排水系统。边沟、截水沟沟底纵坡坡度不小于0.2%，边坡排水系统见图6。

图6　边坡排水系统图

混凝土格构采用自排水系统，该系统是将每个小框格的雨水迅速收集到本框格下方水平混凝土框格上，然后引流到竖向框格排水沟并迅速排放到平台的排水沟内，然后经急流槽排至坡底排水沟中，其优点是及时将大气降水排出坡面，避免了雨水对坡面土体的长时间浸泡及冲刷。急流槽立面图、剖面图分别见图7、图8。

图7　急流槽立面图

图8　急流槽剖面图

5.6坡面绿化设计

本工程与以往换填种植土后直接植草方式不同，首先在格构梁框格内铺设土工网垫，填300mm厚种植土后再人工植草。土工网垫一则可以保护种植土和植被不会被冲刷，此外又可以防止膨胀土与大气的直接接触，从而降低膨胀土的胀缩性对边坡稳定性的影响。草种的选择是根据当地的气候条件，选择根系发达，枝繁叶茂的多年生草本、藤本混杂的狗牙根、黑麦草、白三叶，除了固土护坡外，还具有较高的观赏性。

6　边坡治理效果

屯里车辆段高边坡支护工程于2013年11月开始实施，于2014年9月结束，治理面积共38100m2，施工质量通过了当地质检部门的验收，为车辆段内的土建工程施工提供了条件。坡顶水平和垂直位移监测、支护结构变形观测结果表明边坡整体稳定，各项观测指标均在允许范围内。治理后的边坡经过了一年多时间的使用，结构完好，坡顶截水沟、坡面排水系统畅通，坡面植被生长良好（见图9）。

图9　边坡治理效果

7　结论

1)针对屯里车辆段38.4m高的膨胀土边坡，在总结典型工程成败经验的基础上，按照“护坡顶、封坡面、稳坡角、截排水”的设计原则，通过采用放坡+混凝土格构+预应力锚索+挡土墙+坡面植草的综合支护方式，有效地解决了膨胀土高边坡的稳定性难题。

2)膨胀土边坡的防排水系统设计合理与否，对边坡的长期稳定性至关重要，通过采取“截、排、封闭”等综合防排措施，防止地表水冲刷与入渗，减少了水体对边坡的不利影响。

3）坡脚采用毛石混凝土挡墙，在保证工程质量的同时，有效地降低了工程造价，取得了较好经济效益和社会效益。

【1】GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范[S].

【2】DB45/T 396—2007广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程[S].

【3】DZT 0219—2006滑坡防治工程设计与施工技术规范[S].

【4】杨正国.膨胀土高边坡开挖支护设计分析[J].路基工程，2010（3）：136-138.

【5】范秋雁.膨胀岩与工程[M].北京：科学出版社，2008.

【6】廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京:中国铁道出版社,1984.

Design of Composite Support System for High Slope in Expansive Soil Area

LIU Hong-wei,DENG Min,ZHAO Zhi-qi
(China Railway Engineering Design Institute Co.Ltd.,Beijing 100038,China)

A comprehensive support and protection plan is adopted for the instability,landslide and other geological disasters which happen to the slopes of expansive soil when they meet water after the field survey has been done.The plan consists of slope development, concrete lattice,pre-stressed anchor cable,retaining wall and plating grass on the slope.When the project is carried out the instability of the high slope of expansive soilis successfully solved and the resultis good.

expansive soil;high slope;support system;swelling-shrinking deformation

U416.1+4

B

1007-9467（2016）05-0059-05

刘红卫（1966～），男，陕西眉县人，高级工程师，注册土木（岩土）工程师，从事岩土工程勘察设计与研究，（电子信箱）1292507907@qq.com。

2015-12-11