劉 洋, 張海果

(1.長(zhǎng)沙中路虎臣工程技術(shù)咨詢有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410008; 2.中交三公局第三工程有限公司， 湖北 武漢 430000)

0 引言

山區(qū)高速公路高填方路堤在不允許占地或自然放坡條件困難的情況下常采用衡重式路肩墻進(jìn)行收坡，衡重式擋墻在10 m高度內(nèi)常采用漿砌片石砌筑，此高度內(nèi)擋墻整體穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性良好。然而，近年來(lái)多處漿砌片石擋墻出現(xiàn)局部墻身鼓包、傾斜甚至垮塌的病害[1]，嚴(yán)重影響公路通行安全。

本文針對(duì)湖南省某高速公路漿砌片石衡重式路肩墻的垮塌病害進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了擋墻垮塌前的征兆、垮塌機(jī)理，并對(duì)處治方案進(jìn)行了論證比選。驗(yàn)算和后期觀測(cè)表明，處治方案取得的效果較好。

1 工程概況

1.1 基本情況

某高速公路于2012年通車，沿線地形受巖性、構(gòu)造控制，河谷、溪流發(fā)育；屬中亞熱帶大陸季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨量充沛；地層巖性方面，原地面線以下分布為粉質(zhì)黏土，下覆中風(fēng)化灰?guī)r。

研究處治的KX+700～KX+850段右幅設(shè)置路肩墻，擋墻高12.4 m，采用漿砌片石砌筑，墻后填筑土主要為黏土。路線左側(cè)靠近山體，右側(cè)為水庫(kù)，建設(shè)時(shí)部分擋墻及路基侵入水庫(kù)庫(kù)區(qū)，庫(kù)區(qū)內(nèi)擋墻基礎(chǔ)采用片石混凝土，并在基礎(chǔ)外側(cè)增加7 m高的反壓護(hù)坡。

1.2 初期病害

2018年12月，該段路肩墻右幅路面行車道(靠超車道附近)和擋墻頂反濾層位置處均出現(xiàn)1條縱向裂縫，基本為貫通狀，相關(guān)單位發(fā)現(xiàn)后及時(shí)進(jìn)行了封縫處理(見圖1)。

圖1 KX+700～KX+850段路面縱向開裂

1.3 病害最終發(fā)展形態(tài)

2020年6月，由于夏季連續(xù)多天的強(qiáng)降雨，KX+810～KX+850段路肩墻突然發(fā)生垮塌，表現(xiàn)為上擋墻及硬路肩完全垮塌，下?lián)鯄植科茐?，總體破壞高度在9 m左右，垮塌長(zhǎng)度40 m，如圖2所示。

垮塌后對(duì)全段擋墻進(jìn)行調(diào)查，未垮塌的擋墻外觀完好，墻身無(wú)明顯鼓包、開裂、傾斜及滑移跡象，墻腳反壓平臺(tái)附近也未見任何基底位移、隆起和開裂等變形，但2018年封閉的路面縱向裂縫局部略微發(fā)展。

圖2 KX+810～KX+850段擋墻垮塌(2020年6月)

2020年7月，在對(duì)該路肩墻進(jìn)行處治施工時(shí)，距離垮塌處50 m的KX+720～KX+760段瞬間發(fā)生與6月份同樣情況的垮塌，此期間施工狀態(tài)正常，垮塌毫無(wú)征兆。

2 擋墻整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

竣工圖顯示該路肩墻頂寬0.5 m，衡重臺(tái)寬1.81 m，底寬3.15 m，墻高12.4 m，其中，地面線(反壓護(hù)破頂面)以下為1.1 m，地面線以上為11.3 m，上墻背坡坡率為1∶0.32，下墻背坡坡率為1∶0.25，面坡坡率為1∶0.05。根據(jù)路基填土取樣試驗(yàn)并結(jié)合擋墻計(jì)算常用參數(shù)，取填土綜合內(nèi)摩擦角φ=30°，容重18 kN/m3，墻背與墻后填土摩擦角17.5°，片石混凝土換填基底摩擦系數(shù)0.5。土壓力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 擋墻整體驗(yàn)算成果(單位: cm)

因上墻墻背傾角較大，計(jì)算后存在第二滑裂面，所以上墻部分的土壓力按坦墻計(jì)算，計(jì)算所得上墻土壓力Ea=182.9 kN/m，下墻土壓力Ea=259.8 kN/m；擋墻抗滑移系數(shù)Kc=1.50>1.30，抗傾覆系數(shù)K0=1.76>1.50，均滿足規(guī)范要求，因此擋墻的垮塌并非擋墻整體穩(wěn)定性不夠所致，此結(jié)論也與墻腳附近的調(diào)查現(xiàn)狀相符合。

3 病害原因分析

3.1 路面開裂原因

全路肩墻范圍貫通的路面縱向裂縫向大樁號(hào)不斷延伸，總長(zhǎng)度近180 m，裂縫位置具有絕對(duì)的規(guī)律性。此處KX+850之后的大樁號(hào)為路堤墻，同樣為高填方，裂縫卻未往前大規(guī)模發(fā)展，由此可見裂縫的出現(xiàn)必然與該段路肩墻密切相關(guān)，并非由高填方等其他原因所致。根據(jù)圖3中擋墻整體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果，行車道內(nèi)側(cè)的裂縫恰好位于計(jì)算第一滑裂面附近，而擋墻頂反濾層處的裂縫則接近于計(jì)算第二滑裂面，推斷裂縫的產(chǎn)生是由于路基內(nèi)出現(xiàn)了計(jì)算滑裂面的微型滑動(dòng)，但因擋墻未繼續(xù)明顯變形，其后一年多內(nèi)裂縫寬度基本保持穩(wěn)定。

上墻范圍發(fā)生微型滑動(dòng)的具體原因：① 原擋墻基礎(chǔ)下方為軟土層，建設(shè)時(shí)進(jìn)行了片石混凝土換填，但處治深度可能不夠，隨著時(shí)間增長(zhǎng)徐變變形逐漸完成，擋墻的累積沉降逐漸引起了微型滑動(dòng)；② 原擋墻上墻截面尺寸較小，且擋墻片石之間的砂漿填充情況較差，黏結(jié)強(qiáng)度低，土壓力使上墻內(nèi)側(cè)的片石間發(fā)生擠壓位移，從而有滑動(dòng)面出現(xiàn)，只是變形較小還未發(fā)展到擋墻外側(cè)。

3.2 擋墻垮塌原因

外部原因：① 垮塌前該地區(qū)持續(xù)半個(gè)月的暴雨天氣，加之路面存在裂縫，裂縫雖有處治但無(wú)法完全隔絕雨水下滲，地表水下滲導(dǎo)致路基填料含水量增大；② 地勘鉆探結(jié)果顯示，在連續(xù)暴雨期間路基內(nèi)地下水位明顯升高，地下水位的上升也導(dǎo)致了路基內(nèi)含水量增大。大量水的存在，土壓力急劇增大，造成擋墻的坍塌破壞。

內(nèi)部原因：① 路基填料為滲透性能差的黏土，下滲的地表水基本囤積在上層路基內(nèi)，導(dǎo)致上墻土壓力增加；② 漿砌擋墻砂漿不飽滿，且砂漿強(qiáng)度隨時(shí)間蛻化嚴(yán)重，擋墻自身的抗拉、抗剪強(qiáng)度低，導(dǎo)致應(yīng)力超限而發(fā)生破壞。

綜上所述，由于上墻范圍內(nèi)土壓力增大，加上剪切薄弱面以上墻體及填土自重產(chǎn)生的剪切分力，兩者共同作用導(dǎo)致了擋墻剪應(yīng)力超限，從而造成剪切破壞垮塌。計(jì)算剪切薄弱面與前后2次的垮塌形態(tài)基本吻合。

由此可見，出現(xiàn)路面裂縫是本段擋墻處于臨界失穩(wěn)的征兆。由于之前未進(jìn)行深入分析，低估了病害的嚴(yán)重性，導(dǎo)致了后來(lái)的路基垮塌。

4 處治方案比選

路面至水庫(kù)高度近20 m，擋墻坐落于填高的原斜坡地面線以上，為防止處治后發(fā)生路基沿原地面線或其余深層薄弱面整體失穩(wěn)的可能性，本次病害處治均不考慮墻外加載的方案。

4.1 方案一： 恢復(fù)擋墻+預(yù)應(yīng)力錨索加固

對(duì)已垮塌的擋墻采用片石砼重建；對(duì)未垮塌段落的擋墻，在外側(cè)增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索鋼筋混凝土板加固。

該方案將擋墻土壓力轉(zhuǎn)移至由錨索承擔(dān)，受力模式明確、加固效果好、無(wú)需拆除原擋墻及路面，社會(huì)影響小、施工方案成熟。其施工的重難點(diǎn)主要是在近乎垂直的擋墻上鉆孔直至巖層內(nèi)，鉆孔深度24～36 m，施工進(jìn)度慢，且在鉆孔過程中將對(duì)擋墻發(fā)生擾動(dòng)，容易再次導(dǎo)致上墻垮塌，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

4.2 方案二： 全部擋墻拆除+重建

由于擋墻的垮塌源于擋墻自身強(qiáng)度不足所致，擋墻基礎(chǔ)并無(wú)明顯病害表現(xiàn)，該方案則直接從上至下挖除右幅路基填土及擋墻，新建片石砼擋墻，受力明確，加固效果好，施工工藝成熟，風(fēng)險(xiǎn)較小。缺點(diǎn)則是土方開挖和回填量巨大，且開挖深度大、坡率陡，還需設(shè)置較強(qiáng)的臨時(shí)防護(hù)方可確保左幅的穩(wěn)定，工程造價(jià)高，社會(huì)影響不好，同時(shí)施工期位于當(dāng)?shù)赜昙?，工期不確定性較大。

4.3 方案三： 泡沫輕質(zhì)土換填+微型樁加固

泡沫輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料，具有輕質(zhì)性、高強(qiáng)度、流動(dòng)性佳、澆筑速度快、固化后可自立等優(yōu)點(diǎn)，其密度約為填土的1/3，最大安全自立高度可達(dá)15 m，是一種很好的路基填料[2-3]，近年來(lái)也在很多工程中得以應(yīng)用[4-5]。

該方案在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，將上墻范圍的路基填土及擋墻挖除，采用具有自立性的泡沫輕質(zhì)土回填，同時(shí)對(duì)下墻范圍路基增設(shè)注漿微型鋼管樁。處治后既能保證上墻的穩(wěn)定，也大幅降低了下墻的土壓力，具有施工風(fēng)險(xiǎn)小、工期短、造價(jià)低、社會(huì)影響小等優(yōu)點(diǎn)。

4.4 方案比選

結(jié)合各方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比(見表1)，方案三在本工程中具有非常大的優(yōu)勢(shì)，既經(jīng)濟(jì)又安全，因此推薦使用方案三。

表1 方案比選優(yōu)缺點(diǎn)方案一方案二方案三優(yōu)點(diǎn)① 無(wú)需挖除擋墻和路面,社會(huì)影響小② 施工受天氣影響較?、?工風(fēng)險(xiǎn)較?、?工期相對(duì)較短(但受天氣影響不確定較大)① 工期短② 造價(jià)低③ 施工風(fēng)險(xiǎn)小缺點(diǎn)① 工序復(fù)雜工期長(zhǎng)② 施工風(fēng)險(xiǎn)極大③ 造價(jià)相對(duì)較高① 大規(guī)模開挖重建,社會(huì)影響大② 造價(jià)高① 處治后擋墻美觀性較差② 新材料需專業(yè)隊(duì)伍實(shí)施

值得一提的是，筆者認(rèn)為常用的預(yù)應(yīng)力錨索加固則更適用于比較矮或緩的擋墻，本項(xiàng)目在施工過程中擋墻再次發(fā)生了毫無(wú)征兆的突然垮塌，當(dāng)時(shí)若選擇了該方案執(zhí)行，則可能會(huì)發(fā)生較大的人員傷亡。所以在工程設(shè)計(jì)中，特別是面對(duì)脆性結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)方案必須充分考慮施工安全問題，降低施工事故發(fā)生的可能性。

5 處治措施

5.1 未垮塌段處治設(shè)計(jì)

未垮塌段的處治橫斷面如圖4所示。

局部皮膚刺激評(píng)價(jià)方法，參照《FDA發(fā)布經(jīng)皮仿制藥對(duì)皮膚刺激性和過敏性臨床試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及評(píng)分系統(tǒng)》［9］制定。

圖4 未垮塌段處治橫斷面(單位： cm)

其具體處治步驟包括：

1) 路基開挖：自內(nèi)向外逐步挖除路基填土及擋墻至設(shè)計(jì)標(biāo)高，施工過程中應(yīng)做好防排水工作。

2) 微型樁加固：靠近擋墻位置橫縱向間距1m設(shè)置3排微型鋼管樁，鉆孔直徑D130 mm，插入Φ89×4.5 mm開孔鋼管，樁長(zhǎng)12～15 m，確保樁長(zhǎng)入巖>1 m，孔內(nèi)壓入0.3～0.5 MPa的M30水泥漿，使樁土黏結(jié)成為一體，最后在樁頂澆筑25 cm厚C30鋼筋混凝土連梁，使各單樁聯(lián)結(jié)為整體框架受力體系。

3) 路基內(nèi)增設(shè)碎石滲溝排水并防止地下水位持續(xù)上升。

4) 保留的擋墻灌注M30水泥漿增強(qiáng)墻體黏結(jié)強(qiáng)度，在底部增設(shè)1排深層排水孔。

5) 澆筑泡沫輕質(zhì)土：采取必要和配套的泡沫輕質(zhì)土抗剪措施、外側(cè)永久模板、防水措施、防裂措施和頂部調(diào)坡措施等。

5.2 垮塌段處治設(shè)計(jì)

垮塌段處治橫斷面如圖5所示。

圖5 垮塌段處治橫斷面(單位： cm)

對(duì)于擋墻垮塌段的路基，必須挖除垮塌高度內(nèi)的路基填土，直至露出較完整的擋墻平面方可進(jìn)行修補(bǔ)工作，具體處治步驟包括：

1)路基開挖：自內(nèi)向外逐步挖除衡重臺(tái)位置以上的路基填土及擋墻。

2)微型樁加固：靠近路基內(nèi)側(cè)臺(tái)階處橫縱向間距1.2 m設(shè)置2排微型鋼管樁，孔內(nèi)壓入M30水泥漿，并在樁頂澆筑連梁。該微型樁有如下作用：① 臨時(shí)防護(hù)作用，確保后續(xù)繼續(xù)開挖時(shí)左幅路基的安全通行；② 增強(qiáng)路基的永久穩(wěn)定性。

3)微型樁養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，繼續(xù)留臺(tái)階開挖路基至合理標(biāo)高，局部修補(bǔ)破損的擋墻并在泡沫輕質(zhì)土底部增設(shè)碎石墊層及泄水孔。

后繼步驟與未跨塌段處治中后3條一致。

6 處治方案路基穩(wěn)定性驗(yàn)算

6.1 泡沫輕質(zhì)土的穩(wěn)定性

泡沫輕質(zhì)土是一種可自立的無(wú)側(cè)向土壓力材料，澆筑時(shí)按規(guī)范[2-3]設(shè)置抗裂、抗剪等措施，可確保自身的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

6.2 下墻土壓力驗(yàn)算

首先將泡沫輕質(zhì)土和路面結(jié)構(gòu)的恒載以及汽車活載一并按等效荷載方式作用于未挖除的擋墻及填方上，在不計(jì)注漿對(duì)路基的加強(qiáng)效應(yīng)時(shí)，計(jì)算得出下?lián)鯄Φ耐翂毫a=247.8 kN/m，較處治前259.8 kN/m相差不大(主要是破裂角增大了4.9°導(dǎo)致)，但擋墻總土壓力減小(上墻土壓力變?yōu)?)，抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)顯著增大至2.50和3.05，整體穩(wěn)定性大幅提升?？紤]到下?lián)鯄ν翂毫Σ⑽疵黠@減小，而擋墻黏結(jié)強(qiáng)度差，因此必須增設(shè)微型樁以分擔(dān)擋墻的土壓力。

6.3 微型樁加固驗(yàn)算

鋼管微型樁作為滑坡治理中一種新型有效處理方式，因其施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，施工受限小和快速控制滑坡等優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中成為治理滑坡和邊坡加固[6-8]常用的處理方式。微型樁的破壞原理可認(rèn)為是滑面處彎剪能力不足，忽略水泥漿的強(qiáng)度及對(duì)土體的加強(qiáng)作用，滑坡推力全部由鋼管的剪力承擔(dān)[9]，鋼管剪應(yīng)力計(jì)算為：

式中：P為滑坡推力，L為微型樁排間距，n為微型樁排數(shù)，A為鋼管截面面積。

本項(xiàng)目對(duì)3排微型樁處治的下墻P取最不利值即下墻的土壓力，代入其余參數(shù)后：

125 MPa

因此，微型樁抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

此外，根據(jù)微型樁錨固原理[10]和本項(xiàng)目工程地質(zhì)條件，每米巖層提供的錨固力N1=πDLfrb=(3.14×0.13×1×700) kN=285 kN，而單根微型鋼管樁自身的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為N2=Afpy=(1 194×215/1 000)kN=257 kN。由此可見，當(dāng)入巖長(zhǎng)度大于1m時(shí)，其錨固體提供的黏結(jié)錨固力已能超過鋼管自身的抗拉強(qiáng)度值，加上滑裂面以下土層錨固段的有利作用，本項(xiàng)目微型樁錨固按入巖1 m控制經(jīng)濟(jì)合理，能滿足受力要求。

7 處治效果

本段路基病害于2020年11月處治完成。2021年1月發(fā)現(xiàn)原兩處垮塌段對(duì)應(yīng)位置處的左幅行車道與超車道分界線位置均出現(xiàn)了不同程度的縱向貫通裂縫，分析原因?yàn)橛曳逅翁幹问┕r(shí)開挖深度較大(9 m)，且臨空時(shí)間較長(zhǎng)，期間路基土發(fā)生橫向蠕動(dòng)變形，加之基層的半剛性作用，后期逐漸反應(yīng)到了路面開裂；鑒于右幅已經(jīng)處治完成且設(shè)置了微型樁，病害將趨于穩(wěn)定無(wú)較大安全隱患，及時(shí)封閉即可。

目前處治完成后已通車近1 a時(shí)間，期間左幅路面裂縫封閉后并未繼續(xù)發(fā)展，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示路基深部及泡沫輕質(zhì)土外墻處均無(wú)任何位移異常跡象，路基整體穩(wěn)定，處治效果良好。

8 結(jié)論

詳述了某段路基從初期病害形態(tài)到最終2次垮塌的發(fā)展過程，通過分析其病害原因，提出了主要處治方案并進(jìn)行方案比選與驗(yàn)算、病害處治完成后經(jīng)通車監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，處治取得較好的效果，可為類似工程病害處治提供參考。

1)漿砌片石路肩墻的破壞為脆性破壞，其瞬時(shí)發(fā)生并且容易造成較大的人員傷亡。目前監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)漿砌片石結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)效果還不理想，因此日常維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)人員巡查，特別是觀察是否有路面開裂和下沉，墻體鼓包、開裂及傾斜等病害，一旦發(fā)現(xiàn)病害應(yīng)足夠重視、深入分析并盡快處治。

2)漿砌片石衡重式擋墻設(shè)計(jì)時(shí)不宜采取較小的上墻尺寸，并且應(yīng)充分考慮衡重臺(tái)附近的拉剪應(yīng)力。當(dāng)擋墻高度較大時(shí)宜采用片石混凝土，以增強(qiáng)墻身的抗剪強(qiáng)度。

3)對(duì)于高度較大的擋墻，應(yīng)特別加強(qiáng)路基和擋墻的防排水措施，如增設(shè)深層排水孔、設(shè)置滲溝和防滲膜等措施；此外，若進(jìn)行路面開挖施工，采取臨時(shí)防排水措施對(duì)保證路基的安全尤為重要。

4)在漿砌片石擋墻病害處治方案制定中，首先要判斷擋墻是否有發(fā)生垮塌的可能性，確定合適的方案，并預(yù)先制定好施工安全防范措施，確保施工安全。

5)泡沫輕質(zhì)土換填+微型樁加固在處治高路肩式擋墻抗剪強(qiáng)度不足時(shí)具有非常大的優(yōu)勢(shì)，既經(jīng)濟(jì)又安全。