格宾石笼挡墙在多年冻土区路堑中的设计与优化

2022-10-26李建忠LIJianzhong明锋MINGFeng

价值工程 2022年29期

李建忠 LI Jian-zhong；明锋 MING Feng

（①青海省湟源公路工程建设有限公司，西宁 810000；②中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，兰州 730000）

0 引言

随着国家西部大开发战略的深入贯彻，以基础设施和生态环境建设为突破口的策略激发了西部大面积冻土区基础设施的建设热潮，作为先行行业的交通工程建设方兴未艾，受地形、地质条件及交通工程的线性平整度等因素的限制，冻土区公路沿线形成大量的路堑或路堤边坡。青藏铁路、青藏公路、川藏公路及川藏铁路等重点线性工程的建设已经带来也势必会引起生态保护的诉求。冻土区脆弱的生态环境在人类大规模的工程活动下已经造成也势必会加固地质、生态环境的恶化，进而影响工程的正常运行。仅在2008-2010年间，就发生5万多起冻土区边坡失稳事件，并有逐年增加的趋势，严重影响道路安全和区域经济发展。

石笼作为一种支挡防护结构首先被提出是在欧美，其实早在我国的秦朝都江堰建设中已经采用“破竹为笼，圆径三尺，以石实中，累而壅水”的竹笼装石结构，“竹笼”就是格宾石笼的原始雏形。在我国大江大河的防洪治理、小流域山洪沟道治理及城市河道生态治理中格宾石笼结构都有着广泛应用。石笼挡土墙具有以下优点：可因地制宜，对填石石质强度要求不高，不需要规则、较大的石料，可就地取材；与自然景观相协调，后期生态可恢复性强，美化边坡；可有效防范冻胀等引起的沉降病害，对地基承载力要求较低，延长防护工程使用寿命；施工工艺简单，不受海拔、气温等自然环境因素的影响；可实现机械化施工，施工进度快，大量节省劳动力等诸多特点。基于石笼挡墙的优越性，其工程应用领域不断拓宽，从水利工程、景观工程、矿山生态修复工程再到公路工程的高陡边坡，应用地域也从潮湿多雨的南方到干旱少雨的北方，再到寒冷的冻土区，广泛的应用前景却并未引起对其设计计算及受力特性的系统研究，仅将精力集中在石笼格栅的生产工艺及石笼的施工工艺上。利用改进极限平衡法评价了具有上部结构物的斜坡稳定性。基于青藏铁路安多实验段边坡的稳定性，研究者探讨了多年冻土斜坡稳定性的评价方法，提出了冻土支挡结构设计应考虑水平冻胀力且冻土挡墙的合理形式应为柔性结构的观点。

考虑到多年冻土区边坡具有冻胀、融沉的变形特点，传统的支挡结构难以满足冻土区支挡结构的需要。鉴于格宾石笼具有良好的变形能力，有望在冻土支挡结构中取得较好的应用效果。在路堑开挖以后，受多年冻土融化的影响，边坡出现多次滑塌现象。为保证表层冻土融化后边坡不至失稳并保证公路边坡的稳定性，需对路堑边坡进行挡墙尺寸进行研究，在满足工程安全的前提下达到工程量最小，结构最优，经济效益最好。鉴于格宾石笼具有较好的变形适应能力，决定采用其对冻土边坡进行支挡。为此，本文以某公路为依托，探讨格宾石笼挡墙结构在冻土路堑中的应用，以期为类似工程提供参考。

1 石笼挡墙稳定性分析

1.1 计算原理

为保证路堑边坡的整体稳定性，在坡脚处采用压重砌筑石笼挡墙的设计方案。前文已采用有限元软件进行了数值分析，通过应力应变分析求解边坡的极限荷载，采用常用的强度折减法定义了边坡对应的安全系数。从工程实际出发，采用工程设计中常用的刚体极限平衡法，不考虑滑体岩土的变形和破坏，将其作为刚体处理，虽不能反映滑体内部的应力应变关系，但计算简便，结果可靠，在行业内具有较高的认可度。

1.1.1 安全系数

①通过坡脚任意选定可能发生的圆弧滑动面AB，其半径为R，沿路线纵向取单位长度1m。将滑动土体分成若干个一定宽度的垂直土条，其宽一般为2-4m；

②计算每个土条的土体重G（包括小段土重和其上部换算为土柱的荷载在内）；

③计算每一小段滑动面上的反力（抵抗力）；

④计算滑动力矩和抗滑力矩，需要注意的是，受环境温度影响，土体存在一定的水平冻胀力。根据上一章的研究结果，柔性支挡结构后的水平冻胀力分布与库伦土压力形式接近。因此，在计算下滑力矩时，需要将这部分因素考虑。本次计算选择10%冻胀率所对应的土压力分布；

⑤求稳定系数值：

依据《公路路基设计规范》，并参考《建筑边坡工程技术规范》的相关内容，对于土质边坡、极软岩边坡、破碎岩质边坡的稳定性计算可采用圆弧滑动面。本次研究拟针对不同的边坡坡比确定采用圆弧滑动面。

1.1.2 抗滑稳定性验算

基底抗滑稳定系数FS按下式计算：

式中：∑T水平力总和，kN；μ为基底摩擦系数，取μ=0.5。

1.1.3 抗倾覆稳定性验算

格宾石笼挡墙抗倾覆计算可忽略墙前的被动土压力，抗倾覆稳定系数FS按下式计算：

式中：∑M为稳定力系对格宾挡土墙墙趾的力矩，kN·m；∑M为倾覆力系对格宾挡土墙墙趾的力矩，kN·m。

1.2 模型建立

依据边坡实际情况，在兼顾计算精度和计算代价的前提下，确定模型长为50m，高为30m。边坡坡高20m，坡率为1∶1.5。结合已有工程经验，初步拟定4种格宾石笼挡墙尺寸：

①设计参数1：挡墙高4m，基底埋深0.5m，临空面高度3.5m，墙背错台宽度0.5m，单层砌筑高度1m，临土侧坡比1:0.5，底宽4m，顶宽2.5m。

②设计参数2：挡墙高4m，基底埋深0.5m，临空面高度3.5m，墙背底部两层错台宽度0.7m，单层砌筑高度1m，临土侧坡比1:0.7，底宽4m，顶宽2m。

③设计参数3：挡墙高5m，基底埋深0.5m，临空面高度4.5m，墙背底部错台宽度0.7m，单层砌筑高度1m，临土侧坡比1:0.7，底宽4m，顶宽1.2m。

④设计参数4：挡墙高6m，基底埋深2.5m，临空面高度3.5m，墙背底部错台宽度0.7m，单层砌筑高度1m，临土侧坡比1:0.7，底宽5.4m，顶宽2m。

1.3 冻融界面处理

理正岩土软件主要用于常规土的边坡稳定计算，针对冻土等特殊土无具体的模块解决。但根据冻土的工程特性及力学指标，可通过常规计算中的水位线作为冻土的冻融界面，也即冻土与融土的分界线。分界线以上边坡浅层的融土可采用天然重度及历经多次冻融循环后的抗剪强度指标，分界线以下为冻土，可采用饱和重度及类似岩石的抗剪强度指标。计算中不考虑渗透压力，用水位线定义边坡浅层2.7m为融土区，以下为冻结区，两个分区的抗剪强度指标采用本文的研究成果。

1.4 计算参数确定

基于已有的研究成果，确定工程区的抗剪强度指标（表1）。融土状态下格宾石笼类比为堆石体，不考虑粘聚力，当冬季冻结且堆石体内部孔隙被冰颗粒充填粘结时，认为有一定的粘聚力，本次计算从偏安全的角度仅考虑一个较小的粘聚力。

表1 计算参数的确定

2 模型结果分析

将表1参数带入模型，即可求解不同工况下的安全系数以及边坡失稳形态。从4种石笼挡墙结构模型的稳定计算结果可知，在持久设计工况下，施加挡墙后的路堑边坡的最小稳定系数均大于1.5，满足边坡规范要求。在4种石笼挡墙方案下安全系数相差较小，基本上在持久设计工况下为1.8左右。可以看出，改变格宾石笼尺寸对边坡破坏形态的影响较小。

对比设计参数1和设计参数4可以发现，改变挡土墙埋深对边坡安全系数影响不大。这是因为，格宾石笼挡土墙是一种柔性重力式挡土墙，其自重决定了边坡的安全系数。

表2给出了4种工况下的抗滑移抗倾覆验算结果。可以看出，4种条件下挡土墙的抗滑移、抗倾覆稳定性均能满足规范要求。

表2 抗滑移抗倾覆验算

由于格宾石笼的导热性能较好，应尽量减小石笼对边坡冻土的热扰动。这就意味着应减小基础埋深，以及基础向边坡体的延伸长度。因此，在安全系数相当的情况下，为了支挡工程的工程量最小，减少冻土热扰动，达到最优经济，最终推荐采用石笼挡墙的设计参数2，即挡墙高4m，基底埋深0.5m，临空面高度3.5m，墙背底部两层错台宽度0.7m，单层砌筑高度1m，临土侧坡比1:0.7，底宽4m，顶宽2m。

3 格宾石笼挡土墙施工效果

为检验格宾石笼挡土墙的治理效果，在依托工程开展实体工程监测。根据边坡变形特征及格宾石笼挡土墙措施的设置情况，在边坡的中部和坡脚处设置两处测斜管来监测边坡水平变形，测量孔的监测深度均为5m。

变形量是确定边坡是否发生失稳的关键参数之一。通过一年多的现场观测，获取了边坡中部及底部的变形数据（图1和图2）。从图1中可以看出，边坡变形重要集中在0～3m深度范围内最大变形为46mm，3m以下变形的土体小于5mm。从时间上来看，边坡中部出现最大变形的时间在5月份，在8月份之后边坡变形逐渐减小。

图1 边坡中部土体变形

图2为边坡坡脚处的土体变形结果。从分布趋势来看，坡脚处的变形分布与边坡中部的变形分布类似。有所不同的是，坡脚处3m以下的变形明显大于边坡中部的变形。这是由于，在坡脚原有土体被挖出以后，造成边坡应力的不平衡。由于失去边坡坡脚土体的反压作用，尽管设置了挡土墙并回填了中粗砂，但边坡土体仍然产生变形。因此，相对于边坡中部3m以下的土体，坡脚处的边坡土体变形更大。