石笼挡墙在冻土地区边坡工程中的应用

潘 锋

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

石笼挡墙源于竹笼、羊圈、铅丝笼等堤岸防护技术,两千多年前,李冰父子在都江堰水利工程中就运用了这种结构,用竹子和藤蔓、木条编织成笼状箱体内装填石头(卵石)而成,开创了石笼防护工程的先河。随着科技的发展,现在的石笼挡墙,是用抗腐蚀、耐磨损、高强度的低碳重镀锌钢丝,采用专用的机械编织成五铰状六边形网目的网片,力学性能和耐久性均有显著提高。由于生态环保,与周围自然环境融合度高,具有较强的适应变形能力,石器挡墙在公路边坡防护、水利工程堤坡防护等领域应用广泛[1,2]。

1 工程实例应用分析

1.1 项目概况

某高寒高海拔地区公路边坡位于坡积裙上,坡积裙在后缘接受地下水的补给,在前缘排泄。坡积裙上表层为季节性冻土,以粉质黏土为主,在夏季融化时,因土颗粒较细,渗透性较差,融化水不易排出,产生超静孔隙水压力,融化面上的土体受水浸泡,抗剪强度大幅降低,加上边坡前缘未设置有效支挡结构,存在临空面。上述因素共同作用下,道路路堑边坡表层产生热融滑塌,部分路段滑塌体已从现状老挡墙顶“越顶”侵占半幅宽度(图1)。

图1 热融滑塌工点全貌

1.1.1 地形地貌

滑坡工点为构造侵蚀中高山地貌,微地貌单元属于坡积裙区,地势起伏稍大,沿线路中心地面标高一般在3380～3447m之间,自然坡角15°～35°,与周围环境比,地形相对平缓,路线在该段呈S形,场地近南北向展布,南北高,中部低,为负地形区,易汇水。

1.1.2 地层岩性

根据现场勘察资料,挖方区地层主要为第四系全新统冰水融化堆积粉质黏土混碎石、新近系泥岩,砂岩、砂砾岩,岩性特征如下:

(1)粉质黏土混碎石(Q4fg+del)。浅灰、灰黑色,土质不均,含大量腐殖质及泥炭质,混碎石,含量10%,潮湿饱和,可塑。揭露厚度 3.5～16 m,上部1.2～1.8 m为季节性冻土区。承载力容许值Fa0=140 kPa。

(2)全风化砂岩(N1)。砖红色,结构、构造已破坏,岩土风化成硬土状,岩芯短柱状,揭露厚度3.2～4.2 m,承载力容许值Fa0=280 kPa。

(3)强风化砂岩(N1)。砖红色,泥质粉砂结构、中厚层状构造,岩芯成短柱状,锤击声哑,成岩性差,未揭穿,承载力容许值Fa0=400 kPa。

2 冻土地区边坡综合处置方案

该段属于季节性冻土热融滑塌区,是典型的地质灾害点,夏季温度升高冻土热融后,含水量增加,坡面饱水,土体抗剪强度降低,坡面整体向前蠕动变形;坡脚老挡墙为干砌片石,整体性较差且高度不足,表层蠕滑形成“越顶”现象,导致边坡失稳[3,4]。

2.1 热融边坡设计原则

冻土地区路堑设计应综合考虑区域气候条件和冻土条件,包括换填隔热设计和支挡结构防护设计[5]。因此加固方案中要求对该工点路基基底采用粗颗粒换填处理,同时遵循支挡与截排水措施并重的原则[6]。

2.2 路堑边坡综合治理方案

该边坡失稳的主要原因为季节性冻土表层热融以后,向下蠕变滑动,坡脚处老挡墙高度不够,整体性不足,导致上部滑体“越顶”破坏。传统的重力式挡墙圬工体积大,对承载力要求高,对冻胀产生的不均匀变形较敏感,极易开裂。一般认为,冻土地区挡墙宜采用预制拼装工业施工的轻型、柔性结构,效果较好。考虑项目周边砂石料丰富,因此采用格宾石笼挡墙作为支挡结构。格宾是由镀锌覆高耐磨有机涂层钢丝制作而成的网箱结构,在工程现场用片石或碎石填充网箱,形成柔性的、透水的、整体性结构[7]。边坡综合治理的典型断面如图2所示。

图2 边坡综合治理典型断面

2.3 挡墙稳定性验算

根据现行相关规范要求,对挡土墙应进行抗滑移、抗倾覆、整体稳定性、地基承载力等验算。

2.3.1 抗滑稳定性验算

基底抗滑稳定系数FSsl按下式计算:

式中:∑N=竖向力总和,kN;∑T=水平力总和,kN;μ为基底摩擦系数。

2.3.2 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定系数Ko按下式计算:

式中:∑My为稳定力系对格宾墙体墙趾的力矩,kN·m;∑Mo为倾覆力系对格宾墙体墙趾的力矩,kN·m。

抗滑移抗倾覆验算结果见表1。

表1 抗滑移抗倾覆验算

2.3.3 地基承载力验算

2.3.4 整体稳定性验算

该工点边坡为土石二元边坡,采用简化Bishop法进行稳定性验算[8],计算模型如图3所示，计算结果见表2。

图3 计算模型

表2 稳定性验算

2.4 石笼挡墙相关技术要求

挡墙为外台阶式,挡墙总墙高4 m,面墙每级退台1 m,挡墙埋深不少于0.8 m;对墙底及墙前采用碎石换填,碎石为挖方段利用,减轻或消除冻胀影响。

格宾采用镀镀锌覆高耐磨有机涂层防腐处理,格宾网面抗拉强度为42 kN/m。

填石要求:格宾填石粒径以100～300 mm为宜,空隙率不超过30%,要求石料质地坚硬,强度等级MU 30,比重不小于2.5 t/m3,遇水不易崩解和水解,抗风化,格宾面墙靠墙面0.3 m范围内采取干砌的方式。

图4 石笼网箱大样图

3 结束语

石笼挡墙具有能与周围环境自然融合、易于就地取材、墙体断面型式组合灵活、透水性好、抵抗变形能力强等优势,在路基边坡防护、水利堤坝护岸等领域应用广泛。本文以高海拔山区二级公路工程实例为依托,介绍了石笼挡墙在冻土地区路基边坡防护中的应用情况,挡墙设计的要点为网箱材料及充填石料的选择,以及挡墙的抗倾覆、抗滑移、地基承载力、整体稳定性验算等方面。研究结果可为后期类似项目提供参考。