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技術之窗
泡沫輕質土+鋼管樁在高陡斜坡路基拼寬中的應用

發表時間:2019-10-29 22:10:07     查看:  次

1 引言

水多肉多文章推荐隨著社會的發展和道路通行壓力的與日俱增, 在丘陵、山區公路建設過程中不可避免遇到路基拼寬的問題。傳統的路基拼寬一般以衡重式路肩墻、 放坡式的仰斜式重力式擋墻為主,因此在陡坡地段出現了大量的高擋墻、高填方。

      泡沫輕質土為不含粗骨料的混凝土中摻和發泡劑,從而形成多孔、輕質、高強的材料。自從我國引進泡沫輕質土以來,由于其獨特的工程特性,在路基工程拼寬中得到了廣泛的應用。目前泡沫輕質土的工程應用主要集中在范圍較小、高度較低的路肩拼寬填補,而在地形陡峭、路基高大等特殊情況下的路基拼寬的應用很少遇見。本文介紹了泡沫輕質土在廈蓉高速公路改擴建漳州段某高陡斜坡段路基的應用,為今后類似工點設計、施工提供參考。

2 工程概況

廈蓉高速公路改擴建工程漳州段某高陡路基位于漳州南靖后眷村,原設計道路路面寬度 18m,屬于半填半挖路段,路基左側為三階高陡挖方邊坡,路基右側為衡重式路肩墻填方路基,擋墻高度最高為 8m。該段路基右側下方為正在運營的老漳龍高速公路,新舊兩條高速公路豎向高差約 90m,橫向距離約 88m,坡面坡度 37~45°,如圖 1 所示。路基開挖施工過程中,發現地質情況較差,雖以強風化-中風化花崗巖為主,但坡面巖土體風化不均且出現多道順層不利結構面,節理裂隙發育,夾雜著危巖體,危巖體裂隙張開。坡體大量巖土體開挖后順著結構面沿坡面滾落至下方的老漳龍高速公路, 存在著極大的安全隱患(如圖 2 所示)。同時 ,開挖巖土體的 剝 落 造 成 實 際 地 面 線陡于原設計地面線,原設計的擋墻高度、基礎凈邊均不能滿足設計要求。

為滿足右側路基拼寬的需要, 提出了原衡重式路肩墻加高的方案,如圖 3 所示。根據現有地面線,衡重式路肩墻加高后最大高度為 18m。因擋墻基底風化不均,局部巖土體裂隙張開,存在剝落、掉塊現象,高擋墻帶來的大附加應力勢必進一步影響基底的穩定,故采用鋼管樁(外徑 Φ108mm, 內 徑 96mm 的 鋼 管 樁 , 其 中 鉆 孔 孔 徑Φ150mm,間距 1.5m×1.5m,管內灌注 C30 水泥漿,樁端部進入擋墻 1m) 對地基進行加固處理, 擋墻凈邊不小于2m。擋墻 基 礎 前 緣下 邊坡 采用 預 應 力(鋼 管)錨 索 框架進行加固, 防止前緣坡體崩落造成, 錨索外套鋼管 (外徑Φ108mm,內徑 96mm 的鋼管樁,鋼管外每 3m 設置一個對中定位支架,外套于錨索自由段)用來提高錨索的抗剪強度。為保證擋墻施工過程坡體的臨時穩定以及下方老漳龍高速公路的運營安全,墻背坡體按 1∶0.5 坡率進行放坡。

該方案雖然可以實現路基拼寬,但也有明顯的缺陷:

①因需滿足擋墻基礎凈邊和坡體臨時穩定的要求, 造成土石方開挖量較大, 最危險斷面開挖量高達 174.4m2,嚴重威脅下方老漳龍高速公路的運營安全。②路肩高擋墻對巖土體產生的附加荷載大, 施工過程極有可能造成松動的巖土體剝落引發二次災害。③高陡坡上預應力(鋼管)錨索框架施工難度大且安全難以保證。

3 泡沫輕質土+鋼管樁方案設計及控制要點

3.1 設計方案

      為最大限度降低填方路基高度,減少土石方開挖量,減輕基底巖土體的附加荷載,提高路基邊坡穩定性,保障施工過程中原漳龍高速公路的運營安全, 考慮在高陡斜坡上采用泡沫輕質土+鋼管樁方案進行路基拼寬,實踐證明泡沫輕質土路基方案(如圖 4 所示)可以很好地解決上述問題。該段泡沫輕質土路基高度為 3~13m (如圖 5 所示)。下文以高 13m 填筑體為典型斷面對泡沫輕質土路基方案進行詳述:

      (1)泡沫輕 質 土 容 重采用 8k N/m3,立方 體 抗壓 強 度 不小于 1.5MPa,最高斷面 13m 對應的底板橫向寬度為 5m,泡沫輕質土填筑體底板以及外側板均采用 C30 鋼筋混凝土進行澆筑, 厚度分別為 30cm、20cm, 板內 1/2 處設置Φ8@10cm×10cm 鋼筋網,外側板設置 Φ12@1.0m×1.0m 拉結筋。

        (2)為保 證泡沫輕 質 土 斜 坡地 基 的 穩定 ,在 泡沫 土 填筑體底板處垂直打設 3 排鋼管樁 (外徑 Φ108mm, 內徑Φ96mm 的鋼管樁,其中鉆孔孔徑 Φ150mm,間距 1.25m×1.25m,管內 灌 注 C30 水 泥 漿),樁 身 進 入 泡沫 土 填 筑 體 內1m, 鋼 管 樁 嵌 固 端 進 入 碎 塊 狀 強風 化巖不小 于 6m 或 進入中風化巖不小于 3m,具體長度根據基底地質情況進行

動態調整并確保進入穩定地層。每根鋼管樁上焊接 4 根Φ20 連接鋼筋,長度由內向外分別為 13m、8m、4m。凈邊位置采用 Φ22 的系統錨桿(間距 1.0m×1.0m)進行豎向加固。

水多肉多文章推荐        (3)靠 山 側 泡沫輕 質 土 路 基 按 三 級 邊坡 進行開 挖 ,第一級~第三級邊坡坡率均為 1:0.5, 每級邊坡高度分別為4m、4m、5m。每 級邊坡 平臺寬 1.5m。坡 面上 設 置 Φ22 的 抗滑錨桿,錨桿長 6m,間距 1.25m×1.25m ,伸入泡沫輕質土填筑體 1m,端部做成直角彎鉤狀。

水多肉多文章推荐       (4) 為提 高 泡沫輕 質 土 填 筑 體整 體 性及 抗 裂 性 能 ,基底以上 0.5m、2m、臺階處、路床底部以下 1m、0.5m 處分別設置 Φ8@10cm×10cm 鋼筋網。鋼筋網與鋼管樁上的 Φ20連接鋼筋進行焊接。

      (5)為 增 強 泡沫輕 質 土 抗 傾覆 能力 ,每 級 平臺 處設 置Φ32 錨桿,錨桿長 12m(要求穿透不利結構面進入穩定地層),沿路線方向間距 1m,錨桿端頭做成斜角并與每層鋼筋網焊接。

水多肉多文章推荐      (6)為 確 保 泡沫輕 質 土 有 足 夠 的 使 用 年 限 ,須 對 其 進行防水、隔水設計。在泡沫輕質土填筑體鋼筋混凝土底板下鋪設 30cm 厚碎石墊層,以排除開挖面及路基上的水。靠山側每級臺階坡面采用 C20 砼掛網錨噴, 對破碎的坡面進行封閉的同時起到隔水作用。泡沫輕質土頂面設置防水土工膜。

      (7)沿路 線 方 向 上應結 合 每 個斷 面對應 的 泡沫輕 質 土的填筑高度,按 1∶1 坡率在變高度處設置臺階,臺階高度2~3m。

水多肉多文章推荐      (8)泡沫輕 質 土 路 基 與 普 通路基交 界 處的 水 穩 層 中 布置 Φ8@10cm×10cm 鋼筋網以協調路面變形提高強度。

3.2 控制要點

水多肉多文章推荐       (1)泡沫輕 質 土 由 水 泥 漿 與 泡沫 混 合 配 制而 成 ,其 容重一般為普通混凝土的 1/5~1/3,同時強度要遠大于普通填土,因此能夠有效減輕上部荷載。如何選擇泡沫輕質土的參數指標顯得尤為重要。根據現有泡沫輕質土制作技術,其抗壓強度介于 0.4~7.5MPa,已經可以滿足路基填筑強度要求,表觀密度則需要根據工程實際情況進行選擇。由于本工程案例中泡沫輕質土在高陡斜坡上大量充當高速公路拼寬路基,其強度需滿足大型車輛振動荷載、地震等不利工況下的強度要求,綜合考慮地質、場地、附近構筑物(下方老漳龍高速)等因素,選取表觀密度為 8k N/m3,立方體抗壓強度不小于 1.5MPa。

        (2)陡斜坡上進行泡沫輕質土高填方施工,“上大下小 ”的形態須滿足抗傾覆、抗滑移、整體性等要求。工程設計中采用了抗滑錨桿、鋼管樁、鋼筋網片、路線縱橫向分臺階設置等措施,以確保填筑體滿足設計要求。

水多肉多文章推荐      (3)泡沫輕 質 土 施工過程 中應嚴 格 做 好 防 水 、截 水 、排水的措施。本案例中泡沫填筑體設置鋼筋混凝土底板、側面板、防水土工膜、掛網錨噴、碎石墊層等隔水設施。值得注意的是, 碎石墊層與靠山側坡腳交界處須預留出墊層排水空間,防止積水,如圖 6 所示。倘若施工期遇到暴雨、大雨或持續時間較長的小雨, 應對未固化的泡沫輕質土進行遮擋、覆蓋,防止雨水消解氣泡,并立即停止施工。

       (4)本案 例 中 泡沫輕 質 土 填 筑 量較 大 ,澆 筑 過程 中會產生大量的水化熱,施工過程中應嚴格控制澆筑厚度,一

水多肉多文章推荐般控制在 0.25~0.8m。倘若遇到高溫天氣,澆筑厚度不應大于 0.6m。

      (5)當泡沫輕 質土抗壓 強度高于 0.5MPa 后 ,方可進行路面施工。施工過程中應嚴格禁止大型機械在輕質土頂面行駛。因地形較陡,施工平臺受限,若局部地段無法避免, 應在合適的位置采取鋪設臨時保護層 (厚度不小于50cm)或鋼板 作為臨時施工便道。

      (6)沿路線方向泡沫輕 質土基底突變或臺 階部 位 應 設置變形縫,其余段落按 10m 間距設置變形縫,變形縫寬10mm~20mm,全斷面填塞 瀝青 木板或夾板 。

4 方案分析計算

水多肉多文章推荐       推薦方案中泡沫輕質土在原漳龍高速公路邊坡上方進行施工。考慮擋墻基底巖土體不利結構面發育,裂隙張開,路基開挖過程中極易造成巖土體剝落,因此泡沫輕質土擋墻基底應力情況、 路基邊坡整體穩定性都須進行分

析驗證。傳統的邊坡穩定分析方法———極限平衡法, 無法考慮巖土體內部的應力應變關系以及結構物與巖土體的協調變形。為更好地模擬實際情況,采用 Midas GTS/NX 中的有限元強度折減法(SRM)進行分析。Midas GTS/NX 作 為 一 款 大型巖 土 有 限元 分析 軟 件 ,強大的前、后處理操作界面,豐富的本構模型,能對復雜邊界條件下的工程問題進行評價。

4.1 模型建立

水多肉多文章推荐      結合工程特點,按平面應變問題進行處理,采用三角形+四邊形的網格單元。模型中左右兩側設置水平方向約束邊界,底部設置水平及豎向約束邊界,荷載組包括自重及車輛荷載。為更直觀地分析基底不利軟弱位置的豎向

水多肉多文章推荐應力,選取典型斷面強風化-中風化巖土交界的特征點 A進行分析,典型斷面有限元模型

水多肉多文章推荐經現場調查并結合地質勘察資料, 典型斷面巖土體材料為碎塊狀強風化花崗巖、 中風化花崗巖。泡沫輕質土、巖土體材料采用摩爾庫倫本構模型,鋼管樁、錨桿采用彈性模型,巖土體物理力學及材料參數分別見表 1、表 2。

4.2 計算工況

    論證建立了五種分析工況:(1) 開挖前路基邊坡初始工況;(2)衡重式擋墻加高工況;(3)衡重式擋墻加高+鋼管樁工況;(4)泡沫輕質土擋墻工況;(5)泡沫輕質土擋墻+鋼管樁工況。

4.3 結果分析

(1) 衡 重 式 擋 墻 加 高 工 況 特 征 點 A 豎 向 應 力 為441.19k Pa,其 值 遠 大 于 開 挖 前 路 基 邊坡 初始 工況 對應 位置的豎向應力 235.78k Pa。若衡重式擋墻基底設置鋼管樁,則特征點 A 豎向應力仍有 364.161k Pa,如圖 8~10 所示。可見衡重式擋墻加高方案產生的較大的附加荷載不利于路基邊坡的穩定。

水多肉多文章推荐(2) 泡 沫 輕 質 土 擋 墻 工 況 特 征 點 A 豎 向 應 力 為286.988k Pa, 其 值大 于 開 挖 前 路 基 邊坡 初始 工況 對應 位置的豎向應力 200.573k Pa。倘若泡沫土擋墻基底設置豎向鋼管樁,則特征點 A 處豎向應力降低到 202.156k Pa,如圖 11~12 所示。可見,鋼管樁不但可以起到加固局部不利

結構面巖土體的作用, 同時還可以進一步降低泡沫輕質土擋墻基底與巖土體的接觸應力,提高了邊坡的安全性。

水多肉多文章推荐(3)根據 有 限元 強 度 折減 法(SRM)可 知 ,衡 重 式 擋墻 加

水多肉多文章推荐高、衡重式擋墻加高+鋼管樁、泡沫輕質土擋墻、泡沫輕質

水多肉多文章推荐土擋墻+鋼管樁這四種工況下邊坡整體穩定安全系數分

別為 1.2656、1.2938、1.3273、1.3578,泡沫輕質土+鋼管樁路基拼寬方案加固地基的同時減小了基底附加應力,提高了邊坡整體穩定性,滿足了規范要求。

5 結語

      廈蓉高速公路改擴建工程漳州段現已通車運營,實踐證明高陡斜坡上泡沫輕質土+鋼管樁路基拼寬方案切實可行,且效果較好。

水多肉多文章推荐(1)相對 原 衡 重 式 路 肩墻 加高方案 ,泡沫輕 質 土+鋼 管樁路基方案在高陡斜坡段拼寬中可以減少土石方開挖量(最 高 斷 面 挖 量為 81.9m3),降 低 路 基 高 度 ,減 輕 基 底 附 加荷載,提高下方老漳龍的運營安全。

(2)泡沫輕 質 土 路 基 填 筑 高 度 較 大時 ,須 綜合考慮 其形態要求,在保證基底穩定基礎上,加強抗滑移、抗傾覆、整體抗裂性、隔水排水等設計。另外可采用有限元分析軟件進行基底應力、路基邊坡整體穩定性分析。

(3)泡沫輕 質 土 填 筑 質量與 合 理 的施工工 序 、工 藝 等密切相關,須加強施工過程把控,嚴格按照設計說明及相關規范要求施工,同時做好質量檢驗。



 
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