膨胀土路堑边坡半刚性上挡墙的设计及施工新技术

2018-09-03李英俊田世宽

筑路机械与施工机械化 2018年8期

李英俊，田世宽

(1.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024；2.中交一公局第四工程有限公司，广西南宁 530033)

0 引言

膨胀土由于对公路路基及边坡的危害一直被工程界称为“癌症”，一旦在膨胀土地带修筑公路、架设桥梁，势必会开挖边坡、填筑路堤、开挖基坑等，改变原有的水系、陆系，破坏自然平衡，凸显出膨胀土病害的严重性。根据膨胀土吸水膨胀、失水收缩和多次重复作用的特点，刚性结构的强支护基本上已经不能满足膨胀土路基边坡支护的需求。柔性上挡墙是一种目前比较普遍采用的结构，但由于其设计断面尺寸大，开挖工程量大，对环境破坏较大，不符合当前低碳环保和节约型社会的需求。

本文建立一个新的路基、地形、地貌的自然平衡体，通过贵州某高速公路第18合同段工程对膨胀土路堑边坡半刚性上挡墙设计及施工新技术进行说明，设置合理、经济的排水系统和支挡措施，对路堑边坡半刚性上挡墙的应用具有重要意义。

1 工程概况

根据地调及钻探揭露资料，贵州某高速公路第18合同段K5+000～K28+000沿线所经地区，在勘探范围内出露主要地层为第四系全新统(Q4el+dl)残坡积层及第三系上统中水组(Nz)粉质黏土及卵石土，岩性如下。

(1)第四系(Q4)。全新统残坡积层(Q4el+dl)粉质黏土为土黄色，呈可塑状，分布于地表，钻探揭露厚度为5.00～7.90 m。

(2)第三系(N)。第三系上统中水组(Nz)粉质黏土为灰黄色，呈硬塑状。第三系上统中水组(Nz)卵石土为灰黄色、灰褐色，呈中密状。

边坡开挖揭示地质主要为高液限中膨胀土和弱膨胀土，膨胀土遇雨水浸润易膨胀，根据勘察及土工试验资料，土体为弱至强膨胀土。膨胀土路堑边坡设计应综合考虑膨胀土的膨胀类型、工程特性、地质环境条件等因素，因此路堑边坡采用在刚性挡墙墙背增加一定厚度的柔性碎石垫层形成一种新型膨胀土路堑防护支挡结构，以保证边坡的稳定性。

2 半刚性挡墙新结构形式

2.1 受力原理

膨胀土路堑上挡墙结构可采用浆砌片块石、片石混凝土或素混凝土，局部特殊地带也可以设计为钢筋混凝土结构，但不管哪一种结构都是刚性的，其受力可以按照常规土压力进行计算和设计。而膨胀土受外界条件的影响，吸水后膨胀力不容易准确计算，这就要容许膨胀土路堑边坡发生一定的变形，这个变形可以通过墙背设置柔性的碎石垫层来吸收和消化，也就是说将刚性挡墙和膨胀土柔性挡墙结构的特点相互取长补短，形成一种新型的膨胀土路堑上挡墙半刚性支挡结构，如图1所示。

图1 半刚性挡墙

2.2 结构分析

对膨胀土路堑边坡的支挡有其特殊性，一方面要容许其发生一定的变形，但另一方面又要限制其变形过大。根据工程的经济性和实用性原则，太强的刚性防护完全抵挡膨胀土的膨胀变形不经济也不太可能，完全放任其变形而不加以限制就会逐步扩展而发生更大的病害，特别是每一次干湿循环就会发生滑坡、坍塌等病害，这是膨胀土的典型特点。

在该工程中对膨胀土设置半刚性上挡墙，根据现场膨胀土边坡的高度、膨胀土的等级、现场地形、地质、水文及排水情况来推算施工中膨胀土的推力、变形，从而确定挡墙的高度、宽度及墙背碎石柔性垫层的厚度等。

2.3 膨胀土半刚性挡墙的计算公式

(1)膨胀土土压力计算。对于膨胀土路堑挡墙，根据膨胀土膨胀的特点，墙身存在土体向外挤压的可能，墙背承受的是主动土压力，可以将主动土压力作为挡土墙的设计计算荷载。主动土压力

式中：Ka为郎金主动土压力系数；γ为墙背土的容重(kN·m-3)；H为挡土墙高度(m)；φ为墙背土的内摩擦角(°)；ho为挡墙顶土荷载换算高度(m)；β为挡墙顶路堑边坡与水平面的夹角，可通过设计坡比进行换算。

(2)膨胀土本身的土体变形计算。综合考虑挡土墙的影响，路堑挡土墙墙后膨胀土变形按常规土体的变形并参考侧向加荷条件下的非线性切线弹模公式进行推导和计算。由莫尔园可推出破坏偏压力

(3)

(4)

式中：C、φ为来自侧向加载试验的强度指标；Et为初始切线弹性模量；Pa为大气压力；n为斜率；Rf为破坏比；σ30为初始小主应力方向应力值；σ3为侧向卸载过程的小主应力方向应力值；σ10为初始大主力方向应力值；K为参数，K=10m，其中m为直线截距。

(3)膨胀土胀缩变形计算。由于路堑挡墙后膨胀土在雨季或受雨水、空气湿度变化而发生变形，对挡墙影响最大的是膨胀变形，因此主要计算膨胀变形量。

δepihi

(5)

式中：Se为挡墙背后膨胀土的膨胀变形量(mm)；ψe为挡墙背后膨胀土的膨胀变形量计算经验系数，宜根据当地经验确定，若无可以依据的经验，可取0.5～0.6；δepi为挡墙背后膨胀土的第i层土在该土层的自由膨胀率，由试验确定；hi为挡墙背后膨胀土的计算厚度(mm)；j为自墙背至计算厚度内所划的土层数，计算厚度应根据大气影响深度确定，若当地雨水较多或干湿度变化较大，尽可能按浸水影响厚度确定。

式(1)～(4)主要计算刚性挡墙的设计参数，式(5)主要计算刚性挡墙背柔性碎石垫层的厚度。根据公式可计算出半刚性挡墙的设计参数，膨胀土膨胀等级不同，墙背柔性碎石垫层设计厚度也应当随之变化。当膨胀土膨胀越大，墙背柔性碎石垫层设计厚度应越厚。

3 半刚性挡墙施工

3.1 路堑开挖

根据膨胀土的性质，首先对堑顶进行天沟开挖、表土挖除等工作，以利于地表水顺利排走；采用通道纵挖法测量放样出路堑开挖线，由于实际施工段路堑宽度和深度较大，所以利用机械进行快速施工。

路堑开挖时，沿路堑纵向分层先开挖出一条纵向通道，然后开挖两旁，按照设计坡度要求逐层开挖，挖方边坡时不一次开挖到设计线，沿边坡预留30～50 cm厚度，待路堑挖完时，再削去边坡预留部分，并立即进行边坡防护，防止其强度过低发生坍滑。施工过程中做好防水措施，特别是防止雨水浸泡和冲刷。

3.2 浆砌片石挡墙

为确保边坡稳定，防止边坡失稳，根据边坡的高度和土体的压力来选择挡墙的高度和厚度，以充分利用被动土压力减少倾覆力矩，增加挡墙稳定性。挡墙基础深入滑动面以下约1.0 m，墙背后设柔性的碎石垫层兼作反滤层，以利于排水。挡土墙在基础开挖及施工过程中要进行分段跳挖施工，确保边坡稳定；每隔10～15 m设置一道伸缩缝，并做好泄水孔。

4 半刚性挡墙的排水系统设置

4.1 排水系统设置

半刚性挡墙的排水系统应防、排、疏相结合，并与路堑边坡防排水系统、挡墙地基处理防排水系统相互协调，形成较为完善的立体防排水系统。对贵州某高速公路第18合同段工程半刚性挡墙的排水系统进行如下设计。

(1)刚性挡墙基础禁边加宽可作为边沟沟底，边沟沟底须设置纵向防渗排水盲沟，将路基基底渗水及时排除。

(2)刚性挡墙在靠近边沟略高于沟底设置一排泄水孔，以便墙背渗水及时排出。

(3)墙背柔性碎石垫层底须采取防渗措施，垫层底标高略高或齐平于挡墙最低排泄水孔，保证墙背柔性碎石垫层的渗水及时排走。

(4)挡墙顶须设计一级平台及平台排水沟，将边坡坡面水及时拦截和排除，同时对挡墙顶级柔性碎石垫层顶进行封闭处理，防止雨水下渗和浸泡墙背膨胀土，加剧其变形。

(5)挡墙顶及以上各级边坡须设计平台排水沟，沟底进行防渗处理，对坡面进行封闭和防渗处理。

(6)膨胀土膨胀等级越高，排水系统和封闭、防渗措施须越强。

4.2 排水注意事项

由于膨胀土路堑上挡墙施工中的渗水问题可能引起土体膨胀，影响施工质量。因此，尽可能在旱季施工，若是雨季，必须提前做好和完善临时或永久性排水系统，防止雨水浸泡和冲刷。挡墙底与盲沟接通或在靠近挡墙底部位置加密泄水孔，保证排水畅通，不积水。无论在雨季施工还是旱季施工，挡墙宜分段跳槽开挖，快速完成，尽可能缩短在外界暴漏的时间，避免局部滑塌。挡墙基坑底部采用水泥砂浆进行封闭防水，基坑四周采用同标号混凝土进行回填封闭，防止基坑被地下水浸泡。如地下水位较高或出漏，需在挡墙底或边沟底设置排水盲沟。挡墙底与盲沟接通或在靠近挡墙底部位置加密泄水孔，保证排水畅通，不积水。

5 膨胀土地区的病害治理建议

膨胀土的基本防治原理是防水、保湿、平衡，相应的工程措施就是排水、封闭、支挡。膨胀土路堑边坡的主要防治措施为封闭保湿，加强排水，适当支护，及时绿化。膨胀土路堤的主要防治措施为切断地下水，封闭地表及坡面水，加强排水，底部要干，包边要严。膨胀土基底的主要处理措施为完善两侧地表及基底地下排水系统，既要及时排除地下水，又要隔断地表水，防止浸泡基底，基底要及时封闭保湿，采用灰土进行封闭效果较好。

处治结构物基坑及基础能用桩基础则最好不用扩大基础，如选择扩大基础则要深埋在当地大气急剧影响深度以下，否则后患无穷。基坑必须采用同标号混凝土或低标号混凝土满坑全封闭浇筑，并适当高于原地面，防止地下水和地表水浸入。

桥台背、锥坡回填及与路基搭接过渡段部分既要及时封闭基坑做好防排水，又要严格控制填料及压实度。对于台背路基为膨胀土的，要设置消力沟，消力沟底部封闭，采用碎石回填，割断路基膨胀土的变形对桥台的推力，允许路基随外界环境适当同步变形；通过碎石消力沟消化和吸收大部分变形，同时起到排水作用，尽可能缓解膨胀土次生病害的发生和加剧。