季节性冻土区高速堤边坡的加固研究

文/曾屹

1 前言

为了最大限度提高高速公路的运行安全性和通畅性，在季节性冻土地区需要不断加强对于高速堤边坡的相关设计，来应对当地特殊的气候条件和地质条件。

2 季节性冻土对于公路工程的危害

我国东西跨度较大，同时地形变化较大，这使得我国拥有较为丰富的气候特征以及地形地貌。西藏青海等高寒地区常年在冰雪的覆盖下，随着国家西部大开发的不断深入，我国西部地区基础设施建设迅速推进，但是由于当地特殊的地貌及气候条件为基础设施建设带来了巨大的障碍，冻土便是最突出的问题[1]。

在我国西藏青海等地区，由于其海拔较高，常年温度较低，因此存在冻土现象。对于部分气温年较差较大的地区来说，季节性冻土的存在对于公路工程的危害性较大，极大影响了公路的运行安全。

季节性冻土对于公路道路安全的影响主要表现在当温度较低时其土壤中所含水分会冻结，导致土壤的间隙变大。当夏季温度较高时，这一部分冻土将会融化水分得到释放，在重力势能以及水流的冲刷作用下会使得公路的边坡很容易发生坍塌，影响车辆的正常行驶。除此之外，由于冻土所在地往往有丰富的地下水补给，这使得冻土具有了流变性，这就使得相较于一般土壤或者永久冻土此种土壤特性对交通影响更大，可能造成的经济损失也更大。不仅是对于边坡影响较大，路基也会产生一定的影响，因此在进行公路设计的过程当中需要格外注意。

3 石笼挡墙在冻土边坡工程中的应用

石笼挡墙技术最早可以追溯到2000 多年前，在都江堰水泥工程的建设过程当中，就曾采用到这种结构来防护堤岸。随着科技的迅速发展，石笼挡墙技术也愈发成熟，现如今的石笼挡墙基础已经采用高强度，具备较强的磨损能力的低碳重镀锌钢丝，同时已经具备了较强的耐久性和较好的力学性能。

3.1 工程概述

以某高寒高海拔地区的公路边坡为例。此公路边坡位于坡积裙上，能够接收到地下水补给，在整个坡积裙上方存在着季节性冻土。通过对于当地的土壤取样可以发现[1]，该地主要以粉质黏土为主。当夏季气温逐渐升高，冻土将会慢慢融化，使得土壤当中的间隙进一步增大，但是由于土壤的颗粒较小，从而导致此种土壤的渗透性较差，水分不能够从突然当中被排出，进而会产生超静孔隙水压力。土体在受到水分的浸泡之后，抗剪强度会大幅下降，加之没有支撑结构在上边坡前缘，该道路的路边边坡容易产生热融滑塌[2]。

3.2 地形及地岩勘测

该地的地势起伏较大，微单元地貌属于坡积裙，海拔高度在3380～3480m之间，其坡度10°～35°之间，该地地形属于南北高中间低，属易汇水地形。通过现场勘测，发现该地的地层岩性：粉质黏土混碎石，其承载力容许值F=140kPa、全风化砂岩，其承载力容许值F=280kPa，强风化砂岩，其承载力容许值F=400kPa。

3.3 冻土地区的堤边坡加固设计

在进行季节性冻土地区的堤边坡加固设计的过程中，应当要全面考虑当地的气候及地形土质条件，该地、属于季节性冻土热融塌区，因此在该地边坡的加固设计中需要对于该地的地基用颗粒较大的粗颗粒进行换填，利用支挡和截排水措施加以辅助，保证其能够实现加固目标[3]。

该地由于冻土热熔导致土体向下滑动，但由于原本坡脚处挡墙的高度不够，从而导致土体出现了“越顶”现象。在工程建设中，传统重力式挡墙的应用较为广泛，但是对于承载的要求较高，对冻土导致的变形较为敏感，很容易使得挡墙出现裂缝。由于施工地附近的砂石资源较为丰富，因此在加固设计上考虑利用格宾石笼挡墙作为支挡结构。格宾石笼挡墙有较好的抗腐蚀、耐磨损特征，在网箱中通过加入碎石和片石使得其形成一个具备良好透水性、整体性的结构。边坡治理的断面如下：

对于石笼挡墙的稳定性进行计算：

在加固的过程中也需要注重石笼挡墙的相关操作技术标准，首先整个挡墙的高度4m，面墙每级退台1m，整个挡墙在进行建设时其埋深应当要不少于80cm。格宾填石的直径应当要控制在10～30cm，同时要保证在填入时其空隙率应当要低于30%，所选择的石料其硬度应当要较大，能够达到MU30，具有良好的抗风化能力[4]。

4 土工格栅加固在高速堤边坡应用

以新疆维吾尔自治区天山北麓某地的高速公路堤边坡为例，该地的夏季气温最高可达30℃，极端最高气温40.1℃～41.5℃；冬季寒冷，极端低气温-40.6℃～-37.0℃，最大积雪厚度88cm，最大季节冻土深度207cm。当地大部分地区属于草场，其土质大多以粉质黏土、粉土为主，该地区春融期昼夜温差较大，路堤边坡处于冻融循环状态，不具有稳定性，很容易出现滑坡，为保证道路安全进行堤边坡加固。

4.1 土工格栅加固

土工格栅作为一种土工合成材料由于其独特的性能在现代建筑领域有十分广泛的用途，土工格栅的主要材料由聚丙烯、聚氟乙烯等高分子化合物构成，当前较为常见的有四种，分别是塑料、钢塑、玻璃纤维、聚酯经编涤纶[5]。土工格栅具有强度较大同时具有较小的蠕变，且能够适应各种各样的环境的特点，因此，在高等级公路的挡墙设计中也经常会使用到土工格栅。

季节性冻土区由于其较大的季节温差，加之恶劣的自然环境，想要对季节性冻土区域的堤边坡进行加固就需要采用具有良好耐酸碱、耐腐蚀、抗老化、抗低温等性能的建筑材料，而土工格栅作为一种具有很好的抗拉强度以及具有很好屈服伸长率，是一种很好的建筑材料，也具有很小的故障率，能够很好地实现对于堤边坡的加固[6]。

4.2 加固方案

采用圆弧滑动法对于路堤高度12m，坡率为1∶1.5，填料为粉土的路堤边坡进行稳定性分析：由于路堤边坡的含水量为10%，其中填料在未冻结的时候其由此可以得出此堤边坡的稳定系数为1.18。

当气温逐渐升高进入春融期的时候，堤边坡的含水量逐渐增大并逐渐趋于饱和，黏聚力以及内摩擦角都会随着含水量的不断增加而不断减小，根据相关研究表明，此时的黏聚力将会降低到，内摩擦角将会降低到，在此状态下经过测算其稳定系数为0.90。

进一步确定为了满足建设需要所需要铺设的层数，对土工栅格的层数进行计算：

土工栅格其总拉力TS计算如下：，[4]在此公式中，Ksr加筋土路堤边坡最小安全系数，取1.3，KS为未加筋路堤边坡最小安全系数0.95；M0表示未加筋路堤边坡滑面对应的滑动力矩(KN·m)，D 对应于每一滑面的Ts相对于滑动圆心的力臂(m)，Ts的作用点可设定在坡高的1/3 处。

确定所用土工栅格的宽度：

在此公式中，Le土工格栅的锚固长度；Fs抗拔稳定安全系数，取2；作用在某层土工格栅上的土压力，按自重应力计算；fcs土工格栅与填土的摩擦系数，取。结合当地的气候影响因素以及土工格栅的锚固长度取 0.5m，可以计算得出铺设宽度应当要保证在4m。

经检验，本设计符合季节性冻土地区的设计需要，能够更好地加固堤边坡。

5 结语

季节性冻土地区由于其特殊的气候地质条件，为了最大限度保证堤边坡的稳定性，可以根据当地的实际情况来选择加固方案，本文列举的土工栅格以及石笼挡墙在实际工作中显示出较好的稳定性，能够很好地满足季节性冻土地区的加固需要。