柔性石笼挡墙在富水软土地质条件下的应用与稳定性分析

曾玲升,肖 强,郭凯斌

(江西省交通设计研究院有限责任公司,江西 南昌 330100)

0 引 言

石笼挡墙,以填石的石笼为单元[1]。石笼是一种采用高强度、高韧性的金属丝进行机械绞合编制成网箱结构的笼子。网箱材料具备金属的延展性和可塑性,在受到较大外力时不易毁坏,然后将符合粒径和强度要求的石料填入制作好的石笼中并进行堆砌形成石笼挡墙。在传统石笼增加筋带并连接土工格栅,提高拉筋与填料间的摩擦力,形成一种新型受力结构的柔性挡墙[2]。郑飞舟等[3]利用柔性石笼挡墙具有刚柔并济,能承受一定程度不均匀基础沉降等特点,将其应用在山区填方地基中。同时可利用石料之间存在的缝隙,在砌筑过程中填充营养物质泥土、草籽等,可以快速绿化挡墙外表,使其既修复了生态,又达到支挡高速公路边坡防护的目的[4]。

传统混凝土挡墙由于自身不具备透水性,虽然部分设计预留排水孔,但对于强降雨地区,若暴雨后水体无法从墙后排出,在墙后形成较大的静水压力,进一步导致墙体受到破坏[5]。柔性石笼内本身由石料填充,利用石料内部较多的孔隙,形成透水性的结构,只需在墙后设置排水板将土体中水引出,使其无法形成较大的静水压力,减少墙体破坏的风险[6-8]。利用MacStars软件对高速公路边坡采用柔性石笼挡墙支挡模式进行稳定性的分析研究。

1 工程概况

宜春至遂川高速公路主线里程桩号K1+300～K1+800段,地表表层覆盖2～3 m灰黄色可塑状低液限粘土,下为第四系中更新统残坡积层低液限粘土,呈棕红色,硬塑状,厚度大于10 m,下伏基岩为二叠系下统茅口组石灰岩、炭质页岩等。由于第四系表层受大气降水影响,其电阻率约在10～80 Ω·m之间,下部坡积层则因其粒度和含砾石比例的差异导致电性变化较大[9-10]。第四系的亚粘土、碎石土在含水的情况下为低电阻率层,灰岩的电阻率相对较高。当基岩中有溶洞等不良地质体且被含水的粘土、砾石等填充时,其电阻率会明显下降,采用电法探测本段不良地质体。

依据物探成果资料和钻孔资料揭露,其中在K1+575～K1+625段岩溶发育,岩溶埋深约6～12 m,呈竖向发育,物探揭露洞高约6～10 m,其余地段均为富水软土层。根据岩溶发育区主要特点,本段不适宜采用重力式挡土墙,故对采用柔性石笼挡墙方案进行稳定性分析。

2 计算模型及参数

以高速公路柔性石笼挡墙支挡工程作为计算模型进行分析,根据工程地质条件,由于路基的对称性,取路基一半作为平面应变模型进行建模分析,采用18 m挡墙+6 m高路基,柔性石笼挡墙分为4级布置,每级高度分别为3、5、5、5 m,共布置18层。石笼箱体高度为1 m,宽度0.8 m,每3 m分为一个节段,并与3 m长拉筋网面组成“L”形一体的箱体。第一级由8层1 m×0.8 m×3 m箱体组成,每层箱体底部网面铺设高韧性格栅,长度分别为14 m、16 m。第二级与第一级之间设置2 m 宽平台,高韧性格栅长度分别为8 m、10 m。

采用摩尔-库伦弹塑性模型为土体本构模型,线弹性模型为石笼本构模型,其相关材料参数见表1、表2。

表1 各层土物理力学参数

表2 柔性石笼材料参数

3 石笼挡墙稳定计算模拟分析

3.1 内部整体稳定性分析

内部整体稳定性分析采纳简化毕肖普法,车辆荷载20 kN/m,假定滑裂面是圆弧面,土条两侧间力的作用,其整体力矩和每一土条的垂直力达到平衡,计算其最不利滑面的安全系数。抗滑力矩与下滑力矩间的比值K为

(1)

柔性单元在截断滑动面的区域内可增加坡体的稳定性,破裂面穿过筋带时,将伸入滑弧后面的筋带长度产生的摩阻力、滑弧前面筋带长度所产生的摩阻力和筋带的抗拉强度三者的最小值对滑弧圆心取矩,视为稳定力矩。考虑柔性单元作用的安全系数为

(2)

式中:ci、φi分别为第i条块滑动面处的粘聚力和内摩擦角,kPa和(°);bi为第i条块滑动面处的弧长,m;Wi为第i条块自重及其荷载重,kN;αi为第i条块滑动弧的法线与竖直线的夹角,(°);Pj为穿过破裂面的第j道筋带的抗拔力,kN;θj为穿过破裂面的第j道筋带与圆弧切线的夹角,(°)。

进行内部整体稳定性分析,得出块体内部稳定性安全系数如表3所示。

表3 块体内部抗拉抗拔稳定分析安全系数

通过模拟计算分析可以看出,柔性石笼挡墙安全系数满足规范要求的1.30,石笼挡墙筋带及抗拔力所受拉力从上部至下部逐步增大,顶部的自身安全系数高于底部。底部受到的拉应力达到最大值,应采用强度更高、韧性更好的拉筋网面材料,网箱面板和柔性网面应无缝连接,避免连接点薄弱环节对结构的破坏。

通过对生态柔性石笼挡墙柔性材料开展土中的拉伸力学特性研究并进行对比分析,在施加法向荷载作用下,柔性石笼和土工格栅在碎石土中作用系数均较高,在黏性土、粉中作用系数均较低,说明在不同介质条件下柔性石笼和土工格栅产生的摩擦力不一样,在保证筋土界面抗剪强度指标满足的条件下,可通过选择较好的回填土材料来提高石笼挡墙的稳定性。

3.2 外部稳定性计算

外部稳定是实施石笼挡墙的必要条件,将柔性体作为刚体,采用库尔曼图解法进行外部稳定性分析,基本原理就是假定多个不同的破裂滑动面,由相应的滑动土楔体上力的平衡,画出力多边形,求得土压力。主动土压力Ea是土楔体下滑时力多边形中最大的Emax,被动土压力EP是土楔体上推力时力多边形中最小的Emin。

(1)抗滑稳定性验算

基底抗滑稳定系数FSsl为

(3)

式中:∑N为竖向力总和,kN;∑T为水平力总和,kN;μ为基底摩擦系数,μ=tanφf(φf取地基土的内摩擦角和墙后填土中较小值)。

(2)抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定系数FSot为

(4)

式中:∑My为稳定力系对柔性体墙趾的力矩,kN·m;∑Mo为倾覆力系对柔性体墙趾的力矩,kN·m。

(3)整体稳定性验算

采用圆弧滑动面简化Bishop法进行整体稳定性分析时,但该工程中存在土坡下面有软弱夹层或者倾斜岩层面上的土坡滑动面形状由于受到夹层或硬层的影响呈非圆弧的形状,此时采用圆弧滑动法分析就误差较大,针对这种情况,本工程采用Janbu折线法进行分析,结构外部整体稳定性分析结果见表4。

表4 正常工况下外部稳定性计算结果

通过计算可知,石笼挡墙的抗滑稳定性安全系数和抗倾覆稳定性安全系数均符合规范要求,不易产生应力集中,能够分散相应的荷载。

(4)地基承载力验算

设计中MacStars软件主要是计算柔性土所需要的等效基底压力σv。计算时采用梅耶霍夫分布,即当考虑柔性体后填土压力影响时,用B-2e代替拉筋长度B,假定在B-2e的长度上竖向应力为均匀分析,此时

(5)

(6)

通过计算,高度为12 m时柔性石笼挡墙地基承载力仅285 kPa,高度18 m时为380 kPa,对比同等高度下仰斜式混凝土挡墙地基承载力分别要求为360 kPa、480 kPa,柔性石笼挡墙承载力比仰斜式挡墙要求低21%。所以在富水软土地段,自身地基承载力较低,采用柔性石笼挡墙更为合适。

石料本身为刚性结构,不具备变形能力,当地基开始变形或受到集中荷载时,易产生垮塌等破坏。在增加拉筋网面和连接格栅后,通过和回填料间的摩擦力成为一个完整的柔性土结构,分散相应的荷载,使得土压力等应力不会集中,难以产生集中破坏,能够适应一定程度的不均匀基础沉降,相比较浆砌挡墙和混凝土挡墙,石笼挡墙可以适应基础的不均匀沉降,在增加自身稳定性的同时可减少对地基承载力的要求。采用不同高度的石笼挡墙,应根据所用的填筑材料选择合适的拉筋长度。

依托工程的挡墙于2020年10月份开始施工,2021年1月施工完成。18 m高的石笼挡墙,经过两个暴雨期,经监测石笼挡墙未产生偏移,其最大沉降仅为2 mm,远小于规范值。柔性石笼挡墙施工长度400 m,挡墙最大高度18 m。与路肩衡重式挡墙方案相比圬工体积节约45%,总体节省造价30%,平均每延米工程造价至少节省了12 382元,共节约建安费约500万元,具有良好的经济与社会效益。

4 柔性石笼挡墙耐久性

由于高速公路作为永久性工程,对石笼挡墙的耐久性提出了更高的要求,通常石笼挡墙易产生以下两种破坏形式[11]。

柔性石笼挡墙的单元结构—石笼,是由钢筋骨架采取铰接方式连接,在长期外露环境下,经历日晒雨淋,易产生箱式钢筋骨架锈蚀,使得石笼解体。在制作过程中应该使箱体骨架和筋带网面整体强度基本一致,减少钢筋栓焊或者节点,使荷载薄弱点减少。同时加强对钢筋骨架的包裹,采用更好的防锈工艺结合外表面保护,使筋体材料更加耐久。在施工过程中使用合适的石料和填筑材料,减少对筋体材料的刮伤。

土工格栅作为一种聚酯纤维产品,虽然与空气接触较少,但仍然易于老化,在保障格栅的抗拉强度的基础上,应采用耐久性更好的材料,同时可在土工格栅与料层之间增加排水性材料,避免在雨季施工,减少与水的接触时间。

5 结 语

通过模拟高速公路岩溶地区富水软土地层段18 m高柔性石笼挡墙支挡工程内部稳定性及外部稳定性,计算了所需最低地基承载力,对其相关适用性及原理进行分析研究。

柔性石笼挡墙在普通石笼箱体后增加拉筋网面和连接格栅连接,增加拉筋网面和土工格栅与回填料之间的摩擦力,形成一个完整的柔性土结构,同时分散相应的荷载,柔性石笼挡土墙更能适应工程施工性能差、地下水出露较高等地质复杂的地段。由于其具有良好的透水性,同时可通过采用合适的拉筋网面及格栅长度增加自身稳定达到更高的填筑高度,进一步提高路堤边坡稳定性。柔性石笼挡墙还有适应变形的特点,且变形后仍具有一定的整体性,在后续研究中结合抗滑桩、钢管桩、锚杆框格等其他防护形式一起使用,可在浅层及中厚层路堑滑坡治理中运用[12]。