陈朋
(商洛市交通设计院,陕西商州726000)
某公路段地处侵蚀、剥蚀较大、地形起伏的山区,地基整体岩性特征以混合岩化片麻岩为主,包括花岗岩、斜长角山片麻岩、花岗片麻岩等岩性类型。区域地形复杂,侵蚀冲沟次级地貌单元发育,工程区内地下水位深。根据钻探资料显示,地层中第四系上更新统残坡积物、混合花岗岩、太古界花岗岩、片麻岩等分布广泛,岩石破碎,裂隙、节理及褶皱构造发育。该公路段路基正好处于坡度30~35o的自然斜坡位置,左侧临水,右侧靠山,为半填半挖式路基结构,填土高度最高达13.5m。出于对边坡稳定性的考虑,挖方区域必须进行放坡处理;填方区域如果采用放坡填筑方式,则坡脚必定延伸至狭窄的自然沟谷中,对沟谷造成严重挤占,不利于季节性自然过流,同时还会增大填方量和填筑施工难度[1]。此外,大面积斜坡填土还会造成原坡面植被破坏,若通过边坡绿化的方式恢复植被,则必定增大工程造价。
综合以上分析,经项目组综合论证和比选,最终决定采用挡土墙方案进行路基边坡加固处理,在提升路基稳定性的同时,可取得较好的景观效果,降低投资。
公路挡土墙主要用于路基填土、山坡土体支承,避免填土或土体发生变形失稳。在进行重力式挡土墙设计时,必须综合考虑其技术可行性、可靠性及经济合理性,必须根据墙体用途、墙高及所在区域的水文地质条件、地形地貌,在考虑结构强度及稳定性要求的基础上,按照结构合理、断面经济、施工便利的原则进行挡墙墙身断面形式的确定。考虑到该公路路堤填方工程左侧地面横坡陡峭,地质条件及施工条件较好,通过采用墙顶填土高度4.0m 的仰斜式路堤墙,减小墙身土压力,提升墙身断面的经济性[2]。
为抵御墙体后方的土压力,墙身截面必须具备足够的强度,设计过程中应不产生墙身绕墙趾倾覆、墙身沿基底滑移破坏,或因基底不均匀沉降而引发墙身倾斜、地基大幅沉降、墙身截面开裂等情况。
考虑到该山区公路路基的填筑要求,可以采用路堤墙或路肩墙等挡墙布置。路肩墙通常布置在路肩位置,墙顶组成路肩的一部分,能减少填方量,有效避免放坡填筑过程中对河床的挤压、侵占。路堤墙则设置在陡坡路堤或高填土路堤下方,起到避免路堤边坡滑动或路堤沿基底滑动的目的,并能收缩路堤坡脚,控制填方量,缩小占地面积。将路堤墙设置在沿河路堤傍水侧,可起到避免水流冲刷、侵蚀路基的作用。同时,还可以在路堤边坡植草绿化,美化道路环境。为此,该公路段路基挡墙采用仰斜式路堤墙方案,具体形式如图1所示。
图1 挡土墙形式
依据重力式挡墙墙背的倾斜方向,可将其墙身断面型式分成垂直、仰斜、俯斜、衡重等情况,路肩墙墙背土压力主要由填土土压力、车辆荷载土压力等部分构成。对于垂直、仰斜、俯斜这三种型式的挡墙截面,若墙高、墙后填料等均相同,则俯斜式墙背所承受的土压力值最大,垂直式墙背次之,仰斜式墙背承受的土压力值最小。所以,仰斜式墙背型式的安全、稳定性最好。考虑山区公路路基表层土体以强风化花岗岩、残积土等为主,自然斜坡承载力在200~300kPa 之间,较为稳定,采用仰斜式墙背有助于夯实填土。综合考虑后,该公路段路基加固主要选用仰斜式路堤墙形式,见图2[3]。
图2 仰斜式路堤墙设计形式
根据库伦理论,对该山区公路段桩号K0+820 处的重力式挡墙进行设计验算。该挡墙初拟截面尺寸具体见表1。通过表1 中的列举可以看出,该挡墙抗滑及抗倾覆稳定性、基顶偏心距、地基承载力、基顶拉应力等指标的取值均不满足《挡土墙设计规范》(SL379—2007)要求。为此,必须通过将墙身宽度从4.6m 加宽至6.0m、将基底坡率0.1∶1 增大至0.2∶1、将地基承载力从400kPa 提升至650kPa 等措施,提升该公路段路基重力式挡墙抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、基顶墙身截面偏心距及地基承载力。
表1 挡墙初拟截面尺寸
优化后的重力式挡墙高13.5m,顶宽6.0m,面坡和背斜坡倾斜坡度分别为1∶0.25 和1∶-0.25。结构尺寸优化后,基底截面土压力计算结果详见表2,优化后的结构尺寸见图3。采用容许应力法进行强度验算结果表明,验算截面以上基底和基顶墙身截面积分别为164.953m2和152.620m2,重量分别为3795.703kN 和3459.691kN,基底和基顶相对于验算截面外边缘的墙身重力力臂分别为7.732m 和6.143m;基底和基顶作用于验算截面的总竖向力分别为4097.252kN 和3776.664kN,作用于墙趾下点的总弯矩分别为16089.63kN·m 和11337.324kN·m;基底和基顶截面宽8.794m 和7.421m,偏心距分别为0.465m 和0.691m;截面上压应力分别为 611.358kPa 和790.932kPa;压应力及拉应力验算均满足设计要求。
图3 优化后的挡墙结构尺寸(单位:cm)
表2 结构尺寸优化后基底截面主动土压力计算结果
山区公路重力式挡墙设计验算是保证施工质量的关键环节,它决定着重力式挡墙施工的成败。通过设计验算,可以保证挡墙结构具有足够的稳定性与强度。根据工程应用实践,重力式挡墙墙型及布置形式必须根据地质条件、地形地貌、施工技术水平进行综合比选,该山区公路路基边坡加固主要采用仰斜式路堤墙挡墙。进行设计验算时,必须针对原设计方案的不足及存在的重点问题,通过加大墙身宽度及基底倾斜坡度、地基土换填等方式提升结构承载力,保证施工质量。