库岸路基防护技术及工程应用

2022-09-14李会强

交通世界 2022年23期

李会强

（招商局公路网络科技控股股份有限公司京津塘高速分公司，北京 100176）

0 引言

受到水的渗透作用影响，库岸路基往往容易发生较大的变形，甚至会引发失稳问题。为了应对这一问题，在实际工程中需要采用各种各样的防护结构来平衡土压力，同时抵抗水流的冲刷作用，为路基提供一个稳定可靠的地质环境[1]。本文从常见防护措施出发，对其各自的适用范围进行了论述，并且结合工程实例提出了符合实际需求的库岸路基防护结构形式。

1 工程概况

本文以某公路工程为例展开分析，该项目整体地形比较平缓，且沿线两侧分布有两条河流，河内常年储水，具有较厚的泥沙淤积。经调研勘查发现该项目路基具有承载力低的缺陷，且在洪水期河岸受到水冲影响严重。该项目所在地区地质条件主要为低山剥蚀河谷地貌，河谷的分布呈U形。建设地的地层类型主要为：①第四系坡残积层，黏质黏土；②第四系全新统冲洪积层，石质成分以杂砂岩、板岩为主；③元古代震旦系代安河组，含粉砂质板岩，变晶结构。

该路段原有路基防护设计形式为重力式挡墙，在施工时向下开挖发现存在较厚的砂砾层，导致挡墙的基础施工受阻。本次对拟选用3种不同的防护结构进行对比分析，然后根据工程实际择优选取。

2 防护结构试验变形分析

当水库水位发生变化时，库岸路基常见的破坏模式有以下几类：①破坏早期，裂缝从结构的软弱位置产生并逐渐发展扩大至路基整体；②路基的软弱部位受到水的持续冲刷被携带冲走产生塌陷区；③塌陷区持续发展并逐步扩大范围，加快上部结构的垮塌，直至防护结构倾覆、路基破坏[2]。对多种模型、材料下的浸润线进行比对发现：①库水位的上升速度越慢，浸润线越缓，结构安全性越高；而库水位上升速度越快，浸润线越陡，结构处于更为不利的状态；②库水位的下降速度越慢，浸润线越缓，结构安全性越高。

防护结构的试验主要借助性质相近材料来进行模拟，并以相似原则为基础完善静力模型[3]。在对山区库岸路基展开全面调研分析后，选择了宽度为7m、防护高度为8m的工程原型，并且分别采用石笼结构、加筋土墙以及新型自嵌式结构对其进行处理分析。

2.1 石笼结构的变形分析

在试验模型上布置若干个测量点来监测结构的几何变形，受到现场条件的制约，测量点与挡墙之间的距离需要实地测得。通过测量不同库水位下的结构变形情况，即可绘制得到石笼的变形如图1所示。

图1 石笼结构的变形量

对试验实测数据展开分析可知，粉砂土质路基变形量的峰值出现在H/3位置处，而碎石黏土土质路基变形量的峰值出现在H/3位置处。考虑到碎石黏土的容重大于粉砂，因此采用前者施工的岸路基受到主动土压力的水平要高于后者，也即前者的防护结构变形大于后者。

2.2 加筋挡墙的变形分析

在试验模型上布置若干个测量点来监测结构的几何变形，受到现场条件的制约，测量点与挡墙之间的距离需要实地测得。通过测量不同库水位下的结构变形情况，即可绘制得到加筋土结构的变形如图2所示。

图2 加筋土结构的变形量

试验观测发现结构内各部分的变形比较均衡，且整体变形量处于较低水平。同时采用碎石黏土时的结构变形量略大于采用粉砂土的结构变形量。

2.3 自嵌式挡墙的变形分析

在试验模型上布置若干个测量点来监测结构的几何变形，受到现场条件的制约，测量点与挡墙之间的距离需要实地测得。通过测量不同水库水位下的结构变形情况，即可绘制得到自嵌结构的变形如图3所示。

图3 自嵌结构的变形量

不同于石笼与加筋土防护结构，自嵌结构的变形程度比较小，表现出突出的抗变形性能。但在较高的水位下，结构有产生垮塌的风险。虽然结构在短期内浸水条件下能够保持较好的稳定性，但不适宜长时间浸水。

3 防护结构适宜性分析

3.1 石笼防护结构

石笼结构作为一类具有比较突出优势的防护形式，其相较于重力式挡土墙而言主要具有下列优势。

（1）安全性好。石笼结构具有良好的抗水冲性能，可以在地基承载力较为薄弱的工程中得到应用，显著改善结构耐久性。

（2）不产生结构缝。可以与原结构形成紧密的接触并构成整体，同时还兼具良好的延展性能。网箱的变形能力比较好，因此对不均匀沉降的适应性较好。

（3）透水性好。较好的透水性能有助于土体中水分的排泄，以此来降低孔隙水压力。

（4）环境友好。在合理的设计下可以达到环境保护的作用，将工程建设对环境的破坏限制在可控的水平下。

（5）施工简便。网箱的设计与施工均比较简单，能够根据实际需求灵活设计并在现场完成快速组装。同时对于环境的适应性较好，在恶劣环境下可以快速完成施工。

（6）资源利用率高。特别是在山区建设中，能够有效利用当地的材料资源，提升项目的经济效益。但值得注意的是，石笼会对库区鱼类的生长产生一定影响。一般而言，网箱内容易积攒漂浮物，因此鱼类就会受到吸引而聚集，而网箱上的钢丝往往会对鱼类造成伤害。

3.2 加筋土防护结构

实践经验表明，加筋土结构在应用中主要表现出以下特点。

（1）加筋土结构整体为柔性。结构借助填料、拉筋间的摩擦作用来抵抗路基土体对墙的水平作用。因此加筋土结构可以很好地满足地基沉降的要求，且该方法的应用对原地基的要求较低。

（2）设计简单。虽然加筋土结构对于设计工作的要求比较低，但在施工时需要较高的管理水平。施工的各个工序都对最终防护效果有决定性影响，因此需要严格按照规范要求及设计方案执行。

（3）综合性能优异。复合结构在透水性、稳定性及抗变形能力上都有突出的表现，因此结构的耐久性将得到显著提升。

（4）施工便捷、周期短。能够在短期内完成施工，降低对公路正常运营的影响，减少不必要的经济损失。

3.3 自嵌式防护结构

作为近些年新出现的一类防护结构，自嵌式挡墙主要借助嵌锁效应来构成完整的结构体，以此来适应不同的工程需求。自嵌式挡墙是一类由加筋挡墙发展得到的防护形式，相较于其他形式的挡墙，其具有以下优势。

（1）施工简便。自嵌式挡墙在施工时仅仅进行简单工作的重复，对于技术要求相对较低且不需要附加支护，仅在填土的一侧即可完成全部施工，能够显著减少施工周期。

（2）地基要求低。自嵌式挡墙属于柔性结构，因此可以在不同地基条件下完成施工，能够适应不均匀沉降带来的不利影响，譬如在对软土路基进行防护时，若采用混凝土挡墙则需要设置桩基，而自嵌式挡墙可不做额外结构。

（3）施工限制少。自嵌式挡墙的结构主要由墙体及拉筋构成，在各种复杂环境下都能够开展施工，且能够降低噪声污染。

（4）拆除便捷。自嵌式挡墙的拆除仅需挖除填土，避免了圬工凿除，因此能够做到快速拆除。

（5）土地占用少，造型美观。自嵌式挡墙可以形成一个完整的平面，且自然产生规则形状，具有很好的视觉美观性。

对上述3种不同防护结构的分析可以发现其具有各自的适用范围及优势，在具体工程中需要综合考虑其特点。如有必要，还可将多种结构组合形成复合防护来提升其适用性。

4 方案设计及验算

通过调研发现该路段长期受到水流冲刷，基于工程实际条件计算并结合实践经验，决定将防护结构设计变更为石笼—加筋土的复合结构，以此来改善抗冲刷能力并适应低承载力的地基条件，确保在较大的变形下仍能够维持原有的稳定。

4.1 复合结构设计

采集施工现场的土体样本进行试验检测，得到其基本参数为：容重γ=20.5kN/m3，综合内摩擦角φ'=30°；砂卵石填料的内摩擦角φ'=350，内聚力c=15kPa。

结合库岸边坡具体形式将路基选定为阶梯式设计。为了保障其符合预期稳定性，加筋材料采用TGSG20-20双向聚丙烯土工格栅，实践表明具有比较好的耐久性及力学强度。加筋层的间距可按下式确定：

根据式（1）即可得到格栅的层间厚度，并将其中的最小值作为层间距。将所用施工材料的具体基本参数导入公式中计算可得Sv=1m。筋带长度的上层、中层及下层分别为7m,5m,3m。墙面设计采用石笼结构，其底部、中部及上部宽度分别取为2m,1.5m,1m，且相邻层之间错开约0.1m来提升结构的抗倾覆性。同时，为了增强结构抵抗水冲刷的能力，在基础位置做加密处理，附加石笼垫层的同时向外抛石。

4.2 稳定性验算

挡墙的稳定性验算一般借助极限平衡法来完成，其中包括了外部、内部稳定性计算以及墙体验算[4]。其中外部稳定验算可遵照重力式挡土墙的验算方法进行；而内部稳定性的验算则主要包含了格栅的强度及抗拔能力验算两部分。值得注意的是，验算时应当特别注意水的冲刷作用及地下水位变化带来的不利影响。所以在设计之前应当对建设环境进行全面的勘察，明确当地水文地质条件，确定最高水位、最大流速等重要指标，为验算提供数据支持。基于浸润线原则的验算结果表明，防护结构符合设计要求，具有足够的稳定性。

在开展验算工作时可以借助Cawac Win 2003辅助计算，在程序内导入基本参数，程序即可按照浸润线原则开始运算，得到滑移稳定性系数、抗倾覆安全系数以及整体稳定性系数分别为1.82,1.74,1.89，同时基底正应力为287.34kN/m，小于300kN/m的最大允许应力，也即满足规范要求。