劉 剛 譚國湖 吳 川

(1．湖南省瀏醴高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410329; 2．長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004)

1 概述

湖南省境內(nèi)，廣泛分布著泥巖、砂巖等沉積巖類巖石，因富含鐵的化合物而顯紅色或褐色，地質(zhì)學(xué)上稱之為紅層，按習(xí)慣統(tǒng)稱為紅砂巖。紅砂巖主要為第三系、白堊系的內(nèi)陸河湖相碎屑巖，其巖體有著特殊的性質(zhì)，其節(jié)理及裂隙發(fā)育，易受濕度、溫度影響，極易風(fēng)化、崩解，長期結(jié)構(gòu)強度低。

2010年2月開始施工的湖南瀏陽至醴陵高速公路位于湖南中部劉湘盆地，穿越紅砂巖分布區(qū)。其2標(biāo)路段上覆黃褐色、棕紅色粘土，下伏紅褐色、棕紅色粉質(zhì)泥砂巖，為紅砂巖土質(zhì)。路段K10+218～K10+318右側(cè)坡高14 m、坡長100 m，已經(jīng)采用了漿砌片石拱形骨架護(hù)坡，完工經(jīng)歷暴雨出現(xiàn)大規(guī)模的坍塌。路段K10+500～K10+634右側(cè)邊坡坡高13 m、坡長134 m，開挖后還未采取防護(hù)措施就已滑塌，之后把坡比從1∶0．75放緩至1∶2，時間不長再次滑坍。

紅砂巖具有特殊的工程地質(zhì)特征，其坡破壞受風(fēng)化、巖性、構(gòu)造(順層滑塌)多因素的影響，具有成群、滯后的特征，可具體總結(jié)為淺層性、牽引性、潛在性，這種破壞特征與膨脹土路塹邊坡的脹縮性破壞相似，故而考慮采用柔性支護(hù)處治技術(shù)進(jìn)行治理。

2 柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)特點以及對紅砂巖邊坡的適用性

紅砂巖邊坡垮塌有以下幾個主要原因:1)紅砂巖中的粉質(zhì)泥砂巖屬于軟質(zhì)巖土，且容易風(fēng)化崩解、遇水軟化;2)含有大量軟質(zhì)的泥砂巖結(jié)構(gòu)處，易形成低抗剪強度的滑動結(jié)構(gòu)面;3)雨水滲入泥化夾層經(jīng)歷幾輪干濕循環(huán)，使得砂巖風(fēng)化崩解，快速降低其抗剪強度，使巖層滑塌。軟弱泥化夾層是影響其邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，隨著含水量的增加，砂巖的內(nèi)摩擦角逐步增大，粘聚力先增大后減小，紅砂巖的泥化夾層達(dá)到臨界含水量時，粘聚力和內(nèi)摩擦角急劇下降，巖層抗剪強度隨之下降，邊坡失穩(wěn)。

從理論上看，雨水的滲入使飽和土的靜水壓力增大，使有效應(yīng)力減少，從而導(dǎo)致了抗剪強度不夠。柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，簡單來說，是通過加筋反包回填土形成土擋墻，并輔以合理有效的排水渠道，達(dá)到保濕防滲，綜合排水的目的，能有效地防止因雨水滲入土體而導(dǎo)致紅砂巖風(fēng)化崩解。

柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點有:1)破壞了原結(jié)構(gòu)面，形成新的結(jié)構(gòu)體;2)以整體作支擋，結(jié)構(gòu)性強;3)容許坡體部分變形，能吸收其變形能;4)具有完備的排水系統(tǒng)，能減弱干濕循環(huán)對坡體的作用;5)因地制宜采用原土作為填料，節(jié)約成本;6)施工簡便，設(shè)備人員要求不高，工期短，造價低。

3 柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計

柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路是在坡體邊界加鋪土工格柵并反包回填土，利用U形釘、連接棒等連接材料將土與格柵緊密結(jié)合形成整體結(jié)構(gòu)，并輔以有效的排水措施保濕防滲，防止坡體內(nèi)的土體由于含水量的變化而膨脹垮塌。其結(jié)構(gòu)的橫斷面標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖如圖1所示，其設(shè)計參數(shù)主要包括土工格柵的加筋間距與加筋寬度等。

圖1 柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計圖（單位：cm）

3．1 加筋間距的計算

在坡面附近，攤鋪水平方向的格柵，反包填土，格柵會對土體產(chǎn)生內(nèi)向應(yīng)力限制土體變形，同時，格柵會受到向外的剪應(yīng)力。邊界上的土體受力情況如圖2所示。

稍加分析即可得出任意縱斷面X處土體的膨脹壓力σx的合力等于表面剪應(yīng)力τxy的合力，即:

圖2 土體在邊界上的受力情況

經(jīng)有限元分析和大量的現(xiàn)場檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在距離坡面水平L=1 m處膨脹壓力能取得最大值。

現(xiàn)將X=L以外的土體取為研究對象，進(jìn)行應(yīng)力分析，并求其應(yīng)力函數(shù)。此為一典型的平面應(yīng)變問題，其控制方程為:

其中，φ即為待求的應(yīng)力函數(shù)。

其中各應(yīng)力分量為:

假定膨脹力在y方向上不變化，σx僅為與X相關(guān)的函數(shù)，即:

σx可表示為:

其中，f1(x)和f2(x)為任意函數(shù)。

將式(6)代入式(2)得:

這是一個y的二次方程，要使任意y值均能滿足這一方程，必須有:

由方程(8)可得:

由式(9)和式(10)可得:

將式(10)和式(11)代入式(6)，并考慮到X或y的一次項對應(yīng)力沒有影響，即可得應(yīng)力函數(shù)為:

各應(yīng)力分量為:

由問題的對稱性可知，X軸為一對稱軸，故σx，σy是關(guān)于y的偶函數(shù)，而τxy是關(guān)于y的奇函數(shù)，所以:

由X=±L/2處的邊界條件可得:

其中，P為設(shè)計部位的膨脹壓力，kPa。

將邊界條件式(15)代入，可以求得A，B，C，D四個待定常數(shù):

各應(yīng)力分量為:

為了確定待定系數(shù)H，K，我們假設(shè)在y=0，X=L/2處，垂直方向的膨脹力σy與水平方向的膨脹壓力相等，且在X=－L/2，y=±h/2處，垂直方向的膨脹壓力為零，即:

將邊界條件式(18)代入表達(dá)式(17)可得:

應(yīng)力分量在邊界上的分布如圖3所示。

圖3 各應(yīng)力分量在邊界上的分布（y=h/2）

由圖3可以看出，水平方向的膨脹應(yīng)力在坡面位置附近為零，從外向內(nèi)逐漸增大，在x=L處達(dá)到最大值。豎直方向的膨脹應(yīng)力為純壓應(yīng)力，從外向內(nèi)至最大應(yīng)力位置呈三次曲線變化，剪應(yīng)力呈二次拋物線規(guī)律變化。

由于在X=L/2處的膨脹壓力最大，格柵所受的張拉力最大，取該處為設(shè)計部位。顯然，此處格柵所承受的張拉力T為其上下表面的剪應(yīng)力之和，并假設(shè)其上下表面所承受的剪應(yīng)力相等，則有:

由土體膨脹和格柵變形的相容方程有:

即:

或

其中，α為x=L/2處土體的有荷膨脹率，其取值大小與該部位的膨脹壓力P及初始含水量有關(guān);ET為格柵抵抗膨脹變形的形變模量。

式(21)即為網(wǎng)格間距設(shè)計的理論公式，由公式可以看出，布網(wǎng)間距將會隨著膨脹應(yīng)力的增大而減小，并隨著格柵張拉強度的提高而增大。值得注意的是，不能簡單地提高格柵強度來使間距增大，實際上，當(dāng)間距過大時，兩層格柵之間易出現(xiàn)局部滑塌。

有荷膨脹率α可以通過室內(nèi)有荷膨脹試驗獲得，以填料的現(xiàn)場施工含水量和干密度制備試樣進(jìn)行有荷膨脹試驗，得到其公式如下:

其中，A，B，C，D均為系數(shù);P為上覆壓力，kPa;w0為試件初始含水量，%。

將式(22)代入式(21)得:

格柵若處于正常工作狀態(tài)時，其所承受的張拉力應(yīng)不大于其抗拉強度Ts，即:

將式(24)代入式(23)，可得:

式(25)中，除h外，其他量皆已知，求解式(25)就可以得到h的大小。為安全起見，還應(yīng)該對h除上一個安全系數(shù)k。

瀏醴高速柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)所用的填料最低含水量為15%。碾壓后干密度為1．68×103kg/m3，以此干密度制作的試件進(jìn)行有荷膨脹試驗，可得其有荷膨脹率為:

其中，α為土體的有荷膨脹率，%;P為上覆壓力，數(shù)值上等于膨脹壓力，kPa;w0為初始含水量，%。

瀏醴高速實體工程中采用的土工格柵型號為TGDG35，其抗拉強度Ts=35 kN，伸長率不大于10%，ET=300 kN/m。代入式(25)可得到h≤0．70 m，取安全系數(shù)為1．4，則可以得到最后設(shè)計的結(jié)果h=0．5 m，此即為瀏醴高速實體工程實際采用的布網(wǎng)間距。

3．2 加筋寬度的計算

膨脹性粘土路塹邊坡都具有一定范圍的干濕循環(huán)顯著影響區(qū)，土體的脹縮活動主要發(fā)生在干濕循環(huán)顯著影響區(qū)之內(nèi)，加筋材料主要在該區(qū)段內(nèi)起作用，其示意圖如圖4所示。

圖4 干濕循環(huán)計算圖式

其中，L為加筋長度，m;H為干濕循環(huán)顯著影響區(qū)深度，m;β為加筋體的坡度，0°＜β≤90°;α為加筋體與垂直面的夾角，0°＜α≤90°;k為安全系數(shù)，一般取1．2 ～1．3;l為筋材的錨固長度，m。

圖4中，水平含水量變化的垂直深度為H，坡面上的含水量變化區(qū)域根據(jù)邊坡的坡比變化，當(dāng)坡頂角α=90°時，此時坡面為水平面，含水量在坡面法向影響深度為H;當(dāng)坡頂角α=0°時，此時坡面為垂直面，水流不會聚集在坡面上，可以認(rèn)為此時含水量在坡面法向的影響深度為零;當(dāng)坡頂角度α在0°和90°之間時，其坡面的法向影響深度可設(shè)為所以含水量在坡面水平方向由圖分析可知，加筋長度可按下式計算:的影響深度為湖南地區(qū)的膨脹土干濕循環(huán)顯著影響區(qū)深度H=2 m，假設(shè)筋材的錨固長度為0．5 m，考慮到錨固長度邊坡的坡率為1∶1．5，以及將安全系數(shù)取為1．2，所以加筋的長度L應(yīng)當(dāng)為:

實際設(shè)計時，取為3．5 m。

3．3 其他參數(shù)的設(shè)計

柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)需要采用大型機械如平地機、推土機、壓路機等進(jìn)行施工，為了防止土工格柵暴露在空氣中老化以及為了防止坡面沖刷，需要在坡面上噴播培植一定厚度的土，因此，柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)墻面的坡率不能太陡，綜合考慮，瀏醴高速紅砂巖邊坡的坡率取為1∶1．5?？紤]到坡面的匯水沖刷以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟適用，墻面高度不宜過高，經(jīng)計算瀏醴高速紅砂巖邊坡柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)每級不大于8 m。

4 結(jié)語

柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效地處治膨脹性砂巖的路塹邊坡穩(wěn)定問題，結(jié)合瀏醴高速紅砂巖邊坡實體工程，具體設(shè)計了柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，主要的有:加筋間距 0．5 m，加筋寬度 3．5 m，坡率1∶1．5，墻體高度每級 8 m。

［1] 鄭健龍，楊和平．公路膨脹土工程［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［2] JTG D30-2004，公路路基設(shè)計規(guī)范［S］．

［3] 蔣爵光，李雋蓬．紅砂巖工程性質(zhì)的研究［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報，1884(4):23-31．

［4] 龔裔芳，金福喜．紅砂巖泥化夾層力學(xué)特性及其對邊坡穩(wěn)定性的影響［J］．重慶交通大學(xué)學(xué)報，2010，29(2):220-223．