公路陡坡路基的防护设计应用实例

2018-06-27杨昌锐

城市道桥与防洪 2018年6期

杨昌锐

（贵州智恒工程勘察设计咨询有限公司，贵州贵阳550000）

0 引言

随着我国国民经济的迅猛发展，我国公路建设又迎来了新一轮的建设高潮。在此背景下，设计单位应科学合理地把握各种设计方案，提高设计质量。路基防护方案的合理选择就是其中一项重要的内容。本文通过一个路基防护工程设计的实例，探讨和分析了公路路基防护设计的灵活性及合理性要求。

1 工程概况

贞丰至安龙公路改扩建工程是连接贵州省贞丰与安龙两县的交通要道，公路等级为二级，设计速度40 km/h，路基宽度8.50 m，沥青混凝土路面；该项目于2007年6月动工，2009年8月交工验收。

K15+160～K15+300为一段傍山半填半挖路基，原设计左侧挡墙高3～12 m，路基下方为施工弃土场。在施工过程中，受2008年7月汛期强降雨影响，左侧下方弃土场饱水后下滑，形成滑面为残坡积碎石土与基岩接触面，滑床为强风化基岩，滑面深度4～14 m的小规模滑坡。因滑坡体位于路基下方，对路基的影响主要为滑体下滑后牵引上方残坡积碎石土及表面部分强风化基岩滑动，导致路基原设计挡墙位置基岩面变得非常陡峻，部分路段路基外边缘至基岩面的高差已超过24 m，且地基稳定性差，原设计方案已无法实施，必须通过变更设计寻求其他的防护支挡加固方案。

2 地质勘察

项目属中亚热带，年平均降水量1 376.9 mm，集中于下半年，对公路建设存在水毁方面的隐患。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001）及《地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表》，查得该区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震烈度为Ⅵ度，属基本稳定型。

根据地表调查及钻探揭露，现将滑坡体地层情况由上至下分述如下：

（1）覆盖层为人工弃土（Qme）层，杂色，结构松散，成分为粘土夹碎石，主要分布于路基左侧，厚2.0～15.0 m。

（2）基岩为下伏基岩，为三迭系中统边阳组（T2b）泥质砂岩，岩层倾向、倾角为84°∠21°，为路线边坡呈切向。根据岩性、风化程度将岩层划分为强风化层、中风化层。强风化层：灰褐色，碎裂状，节理很发育，岩体很破碎，厚度2.0～3.0 m，岩质较软，稳定性相对较差，地基承载力基本容许值[fao]=600～800 kPa；中风化层：灰褐色，中厚层及厚层状，层理、节理发育，岩体较破碎，岩质坚硬，岩体相对完整稳定，[fao]=1 500 kPa。K15+200工程地质断面见图1。

经钻探及试验，得到地层的岩体物理力学指标设计值，如表1所示。

3 防护方案选择

从现场地形及横断面测量结果来看，如仍采用路肩圬工挡墙，即使采用外坡接近直立的衡重式，基础嵌入中风化基岩、满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）规定的1.0～2.0 m基础襟边宽度时，则挡墙及基础的总高度也将接近30.0 m。如此高的路肩挡墙，首先对地基承载力等条件要求极高；其次，由于是改扩建工程，基坑开挖无法满足保畅要求，安全隐患较大；其三，从经济性、施工安全、施工质量风险控制等方面来说，采用如此高度的挡土墙都不可取，其缺点在构造上和措施上都无法克服。

表1 岩体物理力学指标设计值

除此之外，可供选择的支挡结构物还有桩板墙（抗滑桩+挡土板）。从横断面设计结果来看，桩的悬臂端最大长度（从基岩面起算）也达到了25.0 m。按照常规经验，嵌入端与自由端各占1/2计算，需要的桩长约为50.0 m。这种设计的结果一方面是抗滑桩过长，经济性不好；其次抗滑桩最优的断面为矩形截面，只能采用人工挖孔，而挖孔过深时施工安全风险较大；其三，由于悬臂端过长，在恒载（土压力或滑坡推力）及活载（车辆动荷载）作用下，桩顶将会发生较大的水平挠曲位移。经过反复讨论及研究，对于桩顶的挠曲水平位移可通过构造措施来克服，即采用横向预应力锚索对桩顶水平变位加以限制；同时嵌入端按照嵌岩深度进入中风化层6～10 m考虑，使最大桩长缩减为35.0 m，经济性也得到了较大提高，施工安全风险大为减小。

经综合分析比较，最终确定路基外边缘至基岩面高差较大的路段采用桩板墙＋预应力锚索的支挡加固方案，而挡墙高度能够控制在10 m以下的路段仍然采用路肩挡土墙予以支挡加固。

4 结构计算

抗滑桩设计及计算按图2所示流程进行。

根据本项目实际情况，抗滑桩位置由横断面设计确定，需要考虑正常的路基宽度、路基超高加宽、路基外侧钢筋混凝土护栏所需宽度、抗滑桩本身尺寸等因素。

第n个条块的剩余下滑力En按式（1）[1]计算：

式中：En为第n个条块的剩余下滑力，kN/m；K为安全系数，本项目取K=1.2；Tn为第n个条块自重Gn的切线下滑力，kN/m，Tn=Gn·sin αn；Nn为第 n 个条块自重 Gn的法向分力，kN/m，Nn=Gn·cos αn；αn为第n个条块所在折线段滑面的倾角，（°）；φn为第n个条块滑面上的内摩擦角，（°）；Cn为第n个条块滑面上的单位粘聚力，kN/m；Ln为第n个条块分段的长度，m；En-1为第n-1个条块传递下来的剩余下滑力，kN/m；αn-1为第n-1个条块所在折线段滑面的倾角，（°）。

根据滑体规模及剩余下滑力大小，初步拟定抗滑桩断面尺寸为1.8 m×2.5 m，桩中心间距5 m，共9根，长度为28～35 m，采用现浇C30钢筋混凝土，抗滑桩嵌入稳定中风化基岩深度6～10 m；由于悬臂较长，由桩顶往下每隔5 m设置1道锚索。其余路段仍维持采用路肩挡墙支挡加固，路肩挡墙基础嵌入稳定岩层1.0 m，基础襟边宽度按照2.0 m控制。

从地质断面图及横断面设计来看，取最大桩长35 m进行计算，悬臂段长度24.0 m，嵌固端长度11.0 m。

作用于抗滑桩的外力有剩余下滑力、桩前土体抗力和锚固段地层的抗力。桩前抗力可按照桩前被动土压力确定；抗滑桩上剩余下滑力可采用矩形分布或梯形分布，当滑体为极松散的土体时可采用三角形分布，结合本项目实际情况，采用梯形分布进行计算；滑动面以上的桩身内力根据剩余下滑力和桩前抗力计算；滑动面以下的桩身内力和变位根据滑面处的弯矩及剪力，采用地基系数法进行计算，由于抗滑桩已嵌入稳定、坚硬的中风化基岩，地基系数基本为定值，故应采用K法进行计算。抗滑桩的混凝土结构应按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）进行计算，其结构重要性系数1.0，永久荷载的分项系数为1.35[2]。

图2 抗滑桩设计流程

抗滑桩内力计算及位移计算中，应考虑自然工况及暴雨工况两种状态，取最不利的状态控制截面配筋设计；地震为偶然事件，且该地区地震烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度系数小于或等于0.05g，根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）规定，结构物采取简易设防，可不作计算。

经计算，应采用最不利的暴雨工况，以C、φ值受暴雨影响而减小的条件来控制内力计算及配筋设计。

5 防护方案布置及施工要点

根据横断面设计需要及计算结果，防护工程方案布置如图3～5所示。

抗滑桩施工过程中，必须确保开挖的稳定、安全，除设置必要的钢筋混凝土护壁外，应采取隔二挖一的跳槽方式开挖，交替施工抗滑桩桩体。

桩背回填及预应力锚索的张拉是桩板墙施工的重点、要点及难点。抗滑桩桩身达到设计强度后方可回填；为了保证桩背回填的压实度，三角区顶面宽度小于3.0 m以下无法采用机械压实的部分，应采用C15片石混凝土回填，宽度大于3.0 m以上可采用小型压路机分薄层静压，必须达到规定的压实度，避免锚索张拉时因土体变形使桩体承受反弯矩。回填至锚头水平面以上2.0 m高度(且片石混凝土强度达80%以上）时，方可张拉锚索，拉力可按设计值的80%张拉,回填至路基顶面后再按设计值补充张拉锚索。