李英俊，田世寬

(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，廣西 南寧 530033)

0 引 言

膨脹土由于對(duì)公路路基及邊坡的危害一直被工程界稱為“癌癥”，一旦在膨脹土地帶修筑公路、架設(shè)橋梁，勢(shì)必會(huì)開挖邊坡、填筑路堤、開挖基坑等，改變?cè)械乃怠㈥懴?，破壞自然平衡，凸顯出膨脹土病害的嚴(yán)重性。根據(jù)膨脹土吸水膨脹、失水收縮和多次重復(fù)作用的特點(diǎn)，剛性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)支護(hù)基本上已經(jīng)不能滿足膨脹土路基邊坡支護(hù)的需求。柔性上擋墻是一種目前比較普遍采用的結(jié)構(gòu)，但由于其設(shè)計(jì)斷面尺寸大，開挖工程量大，對(duì)環(huán)境破壞較大，不符合當(dāng)前低碳環(huán)保和節(jié)約型社會(huì)的需求。

本文建立一個(gè)新的路基、地形、地貌的自然平衡體，通過貴州某高速公路第18合同段工程對(duì)膨脹土路塹邊坡半剛性上擋墻設(shè)計(jì)及施工新技術(shù)進(jìn)行說明，設(shè)置合理、經(jīng)濟(jì)的排水系統(tǒng)和支擋措施，對(duì)路塹邊坡半剛性上擋墻的應(yīng)用具有重要意義。

1 工程概況

根據(jù)地調(diào)及鉆探揭露資料，貴州某高速公路第18合同段K5+000～K28+000沿線所經(jīng)地區(qū)，在勘探范圍內(nèi)出露主要地層為第四系全新統(tǒng)(Q4el+dl)殘坡積層及第三系上統(tǒng)中水組(Nz)粉質(zhì)黏土及卵石土，巖性如下。

(1)第四系(Q4)。全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土為土黃色，呈可塑狀，分布于地表，鉆探揭露厚度為5.00～7.90 m。

(2)第三系(N)。第三系上統(tǒng)中水組(Nz)粉質(zhì)黏土為灰黃色，呈硬塑狀。第三系上統(tǒng)中水組(Nz)卵石土為灰黃色、灰褐色，呈中密狀。

邊坡開挖揭示地質(zhì)主要為高液限中膨脹土和弱膨脹土，膨脹土遇雨水浸潤(rùn)易膨脹，根據(jù)勘察及土工試驗(yàn)資料，土體為弱至強(qiáng)膨脹土。膨脹土路塹邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮膨脹土的膨脹類型、工程特性、地質(zhì)環(huán)境條件等因素，因此路塹邊坡采用在剛性擋墻墻背增加一定厚度的柔性碎石墊層形成一種新型膨脹土路塹防護(hù)支擋結(jié)構(gòu)，以保證邊坡的穩(wěn)定性。

2 半剛性擋墻新結(jié)構(gòu)形式

2.1 受力原理

膨脹土路塹上擋墻結(jié)構(gòu)可采用漿砌片塊石、片石混凝土或素混凝土，局部特殊地帶也可以設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但不管哪一種結(jié)構(gòu)都是剛性的，其受力可以按照常規(guī)土壓力進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。而膨脹土受外界條件的影響，吸水后膨脹力不容易準(zhǔn)確計(jì)算，這就要容許膨脹土路塹邊坡發(fā)生一定的變形，這個(gè)變形可以通過墻背設(shè)置柔性的碎石墊層來吸收和消化，也就是說將剛性擋墻和膨脹土柔性擋墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成一種新型的膨脹土路塹上擋墻半剛性支擋結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 半剛性擋墻

2.2 結(jié)構(gòu)分析

對(duì)膨脹土路塹邊坡的支擋有其特殊性，一方面要容許其發(fā)生一定的變形，但另一方面又要限制其變形過大。根據(jù)工程的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性原則，太強(qiáng)的剛性防護(hù)完全抵擋膨脹土的膨脹變形不經(jīng)濟(jì)也不太可能，完全放任其變形而不加以限制就會(huì)逐步擴(kuò)展而發(fā)生更大的病害，特別是每一次干濕循環(huán)就會(huì)發(fā)生滑坡、坍塌等病害，這是膨脹土的典型特點(diǎn)。

在該工程中對(duì)膨脹土設(shè)置半剛性上擋墻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)膨脹土邊坡的高度、膨脹土的等級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)、水文及排水情況來推算施工中膨脹土的推力、變形，從而確定擋墻的高度、寬度及墻背碎石柔性墊層的厚度等。

2.3 膨脹土半剛性擋墻的計(jì)算公式

(1)膨脹土土壓力計(jì)算。對(duì)于膨脹土路塹擋墻，根據(jù)膨脹土膨脹的特點(diǎn)，墻身存在土體向外擠壓的可能，墻背承受的是主動(dòng)土壓力，可以將主動(dòng)土壓力作為擋土墻的設(shè)計(jì)計(jì)算荷載。主動(dòng)土壓力

式中：Ka為郎金主動(dòng)土壓力系數(shù)；γ為墻背土的容重(kN·m-3)；H為擋土墻高度(m)；φ為墻背土的內(nèi)摩擦角(°)；ho為擋墻頂土荷載換算高度(m)；β為擋墻頂路塹邊坡與水平面的夾角，可通過設(shè)計(jì)坡比進(jìn)行換算。

(2)膨脹土本身的土體變形計(jì)算。綜合考慮擋土墻的影響，路塹擋土墻墻后膨脹土變形按常規(guī)土體的變形并參考側(cè)向加荷條件下的非線性切線彈模公式進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算。由莫爾園可推出破壞偏壓力

(3)

(4)

式中：C、φ為來自側(cè)向加載試驗(yàn)的強(qiáng)度指標(biāo)；Et為初始切線彈性模量；Pa為大氣壓力；n為斜率；Rf為破壞比；σ30為初始小主應(yīng)力方向應(yīng)力值；σ3為側(cè)向卸載過程的小主應(yīng)力方向應(yīng)力值；σ10為初始大主力方向應(yīng)力值；K為參數(shù)，K=10m，其中m為直線截距。

(3)膨脹土脹縮變形計(jì)算。由于路塹擋墻后膨脹土在雨季或受雨水、空氣濕度變化而發(fā)生變形，對(duì)擋墻影響最大的是膨脹變形，因此主要計(jì)算膨脹變形量。

δepihi

(5)

式中：Se為擋墻背后膨脹土的膨脹變形量(mm)；ψe為擋墻背后膨脹土的膨脹變形量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，宜根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定，若無可以依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)，可取0.5～0.6；δepi為擋墻背后膨脹土的第i層土在該土層的自由膨脹率，由試驗(yàn)確定；hi為擋墻背后膨脹土的計(jì)算厚度(mm)；j為自墻背至計(jì)算厚度內(nèi)所劃的土層數(shù)，計(jì)算厚度應(yīng)根據(jù)大氣影響深度確定，若當(dāng)?shù)赜晁^多或干濕度變化較大，盡可能按浸水影響厚度確定。

式(1)～(4)主要計(jì)算剛性擋墻的設(shè)計(jì)參數(shù)，式(5)主要計(jì)算剛性擋墻背柔性碎石墊層的厚度。根據(jù)公式可計(jì)算出半剛性擋墻的設(shè)計(jì)參數(shù)，膨脹土膨脹等級(jí)不同，墻背柔性碎石墊層設(shè)計(jì)厚度也應(yīng)當(dāng)隨之變化。當(dāng)膨脹土膨脹越大，墻背柔性碎石墊層設(shè)計(jì)厚度應(yīng)越厚。

3 半剛性擋墻施工

3.1 路塹開挖

根據(jù)膨脹土的性質(zhì)，首先對(duì)塹頂進(jìn)行天溝開挖、表土挖除等工作，以利于地表水順利排走；采用通道縱挖法測(cè)量放樣出路塹開挖線，由于實(shí)際施工段路塹寬度和深度較大，所以利用機(jī)械進(jìn)行快速施工。

路塹開挖時(shí)，沿路塹縱向分層先開挖出一條縱向通道，然后開挖兩旁，按照設(shè)計(jì)坡度要求逐層開挖，挖方邊坡時(shí)不一次開挖到設(shè)計(jì)線，沿邊坡預(yù)留30～50 cm厚度，待路塹挖完時(shí)，再削去邊坡預(yù)留部分，并立即進(jìn)行邊坡防護(hù)，防止其強(qiáng)度過低發(fā)生坍滑。施工過程中做好防水措施，特別是防止雨水浸泡和沖刷。

3.2 漿砌片石擋墻

為確保邊坡穩(wěn)定，防止邊坡失穩(wěn)，根據(jù)邊坡的高度和土體的壓力來選擇擋墻的高度和厚度，以充分利用被動(dòng)土壓力減少傾覆力矩，增加擋墻穩(wěn)定性。擋墻基礎(chǔ)深入滑動(dòng)面以下約1.0 m，墻背后設(shè)柔性的碎石墊層兼作反濾層，以利于排水。擋土墻在基礎(chǔ)開挖及施工過程中要進(jìn)行分段跳挖施工，確保邊坡穩(wěn)定；每隔10～15 m設(shè)置一道伸縮縫，并做好泄水孔。

4 半剛性擋墻的排水系統(tǒng)設(shè)置

4.1 排水系統(tǒng)設(shè)置

半剛性擋墻的排水系統(tǒng)應(yīng)防、排、疏相結(jié)合，并與路塹邊坡防排水系統(tǒng)、擋墻地基處理防排水系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，形成較為完善的立體防排水系統(tǒng)。對(duì)貴州某高速公路第18合同段工程半剛性擋墻的排水系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

(1)剛性擋墻基礎(chǔ)禁邊加寬可作為邊溝溝底，邊溝溝底須設(shè)置縱向防滲排水盲溝，將路基基底滲水及時(shí)排除。

(2)剛性擋墻在靠近邊溝略高于溝底設(shè)置一排泄水孔，以便墻背滲水及時(shí)排出。

(3)墻背柔性碎石墊層底須采取防滲措施，墊層底標(biāo)高略高或齊平于擋墻最低排泄水孔，保證墻背柔性碎石墊層的滲水及時(shí)排走。

(4)擋墻頂須設(shè)計(jì)一級(jí)平臺(tái)及平臺(tái)排水溝，將邊坡坡面水及時(shí)攔截和排除，同時(shí)對(duì)擋墻頂級(jí)柔性碎石墊層頂進(jìn)行封閉處理，防止雨水下滲和浸泡墻背膨脹土，加劇其變形。

(5)擋墻頂及以上各級(jí)邊坡須設(shè)計(jì)平臺(tái)排水溝，溝底進(jìn)行防滲處理，對(duì)坡面進(jìn)行封閉和防滲處理。

(6)膨脹土膨脹等級(jí)越高，排水系統(tǒng)和封閉、防滲措施須越強(qiáng)。

4.2 排水注意事項(xiàng)

由于膨脹土路塹上擋墻施工中的滲水問題可能引起土體膨脹，影響施工質(zhì)量。因此，盡可能在旱季施工，若是雨季，必須提前做好和完善臨時(shí)或永久性排水系統(tǒng)，防止雨水浸泡和沖刷。擋墻底與盲溝接通或在靠近擋墻底部位置加密泄水孔，保證排水暢通，不積水。無論在雨季施工還是旱季施工，擋墻宜分段跳槽開挖，快速完成，盡可能縮短在外界暴漏的時(shí)間，避免局部滑塌。擋墻基坑底部采用水泥砂漿進(jìn)行封閉防水，基坑四周采用同標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行回填封閉，防止基坑被地下水浸泡。如地下水位較高或出漏，需在擋墻底或邊溝底設(shè)置排水盲溝。擋墻底與盲溝接通或在靠近擋墻底部位置加密泄水孔，保證排水暢通，不積水。

5 膨脹土地區(qū)的病害治理建議

膨脹土的基本防治原理是防水、保濕、平衡，相應(yīng)的工程措施就是排水、封閉、支擋。膨脹土路塹邊坡的主要防治措施為封閉保濕，加強(qiáng)排水，適當(dāng)支護(hù)，及時(shí)綠化。膨脹土路堤的主要防治措施為切斷地下水，封閉地表及坡面水，加強(qiáng)排水，底部要干，包邊要嚴(yán)。膨脹土基底的主要處理措施為完善兩側(cè)地表及基底地下排水系統(tǒng)，既要及時(shí)排除地下水，又要隔斷地表水，防止浸泡基底，基底要及時(shí)封閉保濕，采用灰土進(jìn)行封閉效果較好。

處治結(jié)構(gòu)物基坑及基礎(chǔ)能用樁基礎(chǔ)則最好不用擴(kuò)大基礎(chǔ)，如選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)則要深埋在當(dāng)?shù)卮髿饧眲∮绊懮疃纫韵?，否則后患無窮?；颖仨毑捎猛瑯?biāo)號(hào)混凝土或低標(biāo)號(hào)混凝土滿坑全封閉澆筑，并適當(dāng)高于原地面，防止地下水和地表水浸入。

橋臺(tái)背、錐坡回填及與路基搭接過渡段部分既要及時(shí)封閉基坑做好防排水，又要嚴(yán)格控制填料及壓實(shí)度。對(duì)于臺(tái)背路基為膨脹土的，要設(shè)置消力溝，消力溝底部封閉，采用碎石回填，割斷路基膨脹土的變形對(duì)橋臺(tái)的推力，允許路基隨外界環(huán)境適當(dāng)同步變形；通過碎石消力溝消化和吸收大部分變形，同時(shí)起到排水作用，盡可能緩解膨脹土次生病害的發(fā)生和加劇。

6 結(jié) 語

(1)擋土墻的設(shè)計(jì)應(yīng)從所涉及的地質(zhì)情況及構(gòu)筑物的受力情況綜合分析，正確選擇擋土墻的結(jié)構(gòu)形式。

(2)注意擋土墻施工過程中的施工要點(diǎn)及次序，一定要做好導(dǎo)排水施工。

(3)半剛性擋土墻能夠容許膨脹土路塹邊坡發(fā)生一定的變形，將剛性擋墻和膨脹土柔性擋墻結(jié)構(gòu)的各自特點(diǎn)進(jìn)一步利用、延伸和發(fā)展，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短。

(4)膨脹土的基本防治原理是防水、保濕、平衡，相應(yīng)的工程措施就是排水、封閉、支擋。