CN103410159B - 膨胀土路堑边坡支护结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膨胀土路堑边坡支护结构及其施工方法，尤其是一种膨胀土地区的公路、铁路路堑边坡防护领域。它包括刚性支撑系统、柔性防护系统和防排水系统三部分，所述刚性支撑系统是它包括设置在膨胀土路堑边坡跛脚挡土墙及挡墙基础；所述柔性支护系统它包括设置在膨胀土路堑边坡上的框格梁、锚杆、铺设在坡面上的柔性网状土工格栅和种植在坡面上的植被；所述防排水系统它包括设置在坡顶的截水沟或排水沟、挡土墙后的透水层、排水沟和排水沟下的排水渗沟。坡面采用柔性支护体系进行防护，相对于坡面满铺浆砌片石结构的刚性支护方法，工程造价要低20%以上，工期要缩短许多；可以有效释放膨胀土遇雨水膨胀时产生的膨胀力。

Description

膨胀土路堑边坡支护结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种膨胀土路堑边坡支护结构及其施工方法，尤其是一种膨胀土地区的公路、铁路路堑边坡防护领域。

背景技术

膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成的，是一种具有膨胀结构、多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土，也是典型的非饱和土。它在世界范围内分布是很广泛的，其中在我国主要分布在湖北、陕西、云南、广西、河南等 20 多个省和自治区，多以残积或残坡积成因为主。膨胀土给人类的工程活动带来危害，其因吸水和失水反复胀缩变形而引发的强度衰减特性对工程设施存在长期潜在的破坏作用。我国公路、铁路受其危害的情况非常严重，穿越膨胀土的公路、铁路竟有“逢堑必崩，无堤不塌”之说。20 世纪 90 年代以来，我国开始大规模兴建高等级公路，新修公路经过膨胀土地区，路堑开挖的侧向卸荷效应引发土体向开挖临空面膨胀变形，雨季吸水膨胀，旱季失水开裂而产生浅层坍塌破坏非常普遍，膨胀土路堤填方以及构造物基础处理不当等都会对工程的安全构成了严重的威胁。因而，膨胀土路堑边坡稳定与防护已成为工程实践中普遍感到棘手而又无法回避的问题。

通过文献检索，用于处理膨胀土边坡的结构和形式较多，如换填土、膨胀土改良、满铺浆砌片石护坡、坡脚挡土墙、放缓坡比后绿化边坡、加筋土护坡、防雨水渗漏等措施和方法，但从工程实际情况调查发现，换填土或改良土将使工程造价增加，而且工期较长；满铺浆砌片石不但造价高、不环保，而且通过一段时间使用后会出现边坡片石起拱开裂，时间一长边坡出现滑塌；单独使用坡脚挡土墙结构不能有效处理膨胀土边坡，加筋土挡墙护坡造价太高。上述一些处理方法没有根据膨胀土边坡破坏机理、滑坡的特征以及膨胀土工程特性来进行处理，或处理方法造价过高、工期过长。因此，探寻一种既考虑膨胀土工程特性，处理方法上又经济、绿色环保的防护方法是摆在广大技术人员面前的一大难题。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种结构简单、现场施工方便、工程造价低廉、绿色环保、符合膨胀土工程特性的膨胀土路堑边坡支护结构及其施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种膨胀土路堑边坡支护结构，它包括刚性支撑系统、柔性防护系统和防排水系统三部分：

所述刚性支撑系统是它包括设置在膨胀土路堑边坡跛脚挡土墙及挡墙基础；

所述柔性支护系统它包括设置在膨胀土路堑边坡上的框格梁、锚杆、铺设在坡面上的柔性网状土工格栅和种植在坡面上的植被；

所述防排水系统它包括设置在坡顶的截水沟或排水沟、挡土墙后的透水层、排水沟和排水沟下的排水渗沟。

上述挡土墙基底标高的位置须超过该区域膨胀土体大气影响深度0.5m以上，且基底的天然承载力须大于200kpa，挡土墙采用片石混凝土，混凝土的强度须不小于C20。

所述锚杆其锚固深度须超过该区域膨胀土体大气影响深度1m以上，锚杆直径为不小于16mm的螺纹钢筋。

所述框格梁的节点间的距离为2.5-3.5m，框格梁由钢筋混凝土构成，混凝土强度标号为C20。

所述柔性网状土工格栅采用网格尺寸为20cm*20cm或30cm*30cm的双向土工格栅，每片土工格栅采用U形卡槽进行连接固定，将所有土工格栅连成一个整体，使其与框格锚梁共同组成柔性支护结构。

所述截水沟或排水沟的沟底铺设一层防水土工布Ⅰ。

所述挡土墙的墙顶设置倒梯形的沟槽，沟槽尺寸为深30-40cm，上宽40-50cm，下宽30-40cm,在沟槽回填种植土，并种植迎春花灌木，起到绿化坡脚挡土墙的目的。

在所述挡土墙深处埋设泄水管，泄水管在靠挡土墙的一端用透水土工布包裹，泄水管的另一端接至排水渗沟。

在所述排水渗沟，用防水土工布Ⅲ铺设在其膨胀土体表面，排水渗沟中间埋设软式排水管，软式排水管用透水土工布包裹。

一种膨胀土路堑边坡支护结构的施工方法：

（1）按坡比进行膨胀土路堑开挖，预留30-50cm回填种植土的厚度；

（2）根据当地膨胀土区域建筑技术规范，确定膨胀土大气影响深度；

（3）开挖挡土墙基底标高至超过膨胀土大气影响深度至少1m的位置，在墙背后的边坡开挖面上铺设一层防水土工布Ⅱ，然后浇筑挡墙混凝土；

（4）在浇筑挡墙混凝土时，须在挡墙里埋设泄水管，泄水管采用PVC管，坡度3%，泄水管靠墙背一端需用透水土工布包裹，以免淤泥堵塞，待挡土墙拆模后，在墙后回填透水砂砾20-30cm，并压实；

（5）在坡面上按框格梁节点距离2.5-3.5m进行梁槽开挖，梁槽尺寸为宽20cm、深30cm的矩形断面，梁槽开挖好后，铺设柔性网状土工格栅，然后放置钢筋笼，浇筑混凝土，在浇筑混凝土之前，须在框格梁节点处预留锚杆孔；

（6）当框格梁的混凝土达到设计强度后，在预留的锚杆孔处垂直钻孔，孔深须大于膨胀土大气影响深度1m以上，然后往孔里灌注水泥砂浆，将锚杆插入孔内，并在锚杆端头用锚垫板和螺母固定，然后浇筑混凝土将锚头封住；

（7）在边坡顶开挖截水沟或排水沟至设计位置标高，然后铺设一层防水土工布Ⅰ，在防水土工布Ⅰ上砌筑截水沟或排水沟；

（8）往坡面上回填30-50cm厚的种植土，在种植土上种植植被：草、灌木和乔木。

在坡脚设置重力式挡土墙（挡土墙基底标高须设置在超过膨胀土大气影响深度0.5m以上），作为刚性支撑主要是防止膨胀土从坡脚开始滑塌，通过牵引向坡顶方向发展；在坡面设置菱形框格梁和一层网状土工格栅，利用锚杆将其固定在坡面上（锚杆须锚至超过膨胀土大气影响深度至少1m以上），然后回填种植土，种植适合该区域生长的植被，形成柔性支护系统，该系统允许坡体发生变形，消除膨胀土遇水膨胀土时产生的膨胀力，达到以柔制刚的作用。在坡顶、挡土墙背、路堑边沟设置综合防排水装置，能够及时排走坡面雨水和坡体内滞留积水，加上坡面植被绿化的蒸发、保水和防冲刷等作用，从而使坡体膨胀土含水量保持在一个相对平衡的状态，维持边坡长期稳定。

工作原理：

1. 刚性支撑系统。主要由挡土墙组成，挡土墙采用重力式挡墙，墙顶宽50-80cm，墙身埋置深度须超过膨胀土大气影响深度0.5m以上，墙基底下土体的天然承载力须大于200kpa，墙身材料采用片石混凝土，混凝土强度采用C20。墙身后回填碎石透水层，碎石透水层厚20-30cm，碎石透水层回填深度应不低于膨胀土大气影响深度，在回填碎石透水层前，须在挡墙开挖的边坡坡面铺设一层防水土工布，挡墙每隔1-1.5m须埋设PVC排水管，以排除挡墙碎石透水层中的滞留水。

2. 柔性支护系统。柔性支护系统主要由框格梁、锚杆、网状土工格栅、坡面植被组成。首先将膨胀土边坡按照坡比1:1.75-1:2进行开挖，注意刷坡要比设计的多50cm，因为要预留铺设种植土。然后按照设计的要求开挖菱形框格梁槽，菱形框格梁的间距可为2.5-3.5m，格梁的尺寸为深30cm、宽20cm，格梁采用钢筋混凝土，强度可以设计为C20，钢筋采用直径为12-14cm，钢筋间距10-15cm，钢筋连接可以用铁丝绑扎。在格梁槽开挖好后，用网状土工格栅网沿着整个坡面铺设一层网状土工格栅，格梁槽中也要铺设，土工格栅采用U形扣进行连接，土工格栅可以采用网孔尺寸为20-30cm的双向土工格栅。在浇筑格梁混凝土时，格梁节点处须预留锚杆孔，可以采用PVC管，直径5cm，PVC管应该垂直坡面预埋。锚杆采用直径16cm的螺纹钢筋，锚杆长度须大于膨胀土大气影响深度1m以上，锚杆施工时须待格梁混凝土达到设计要求的强度进行，锚杆孔用钻孔机或潜孔钻施工，成孔后在锚杆孔中压注水泥砂浆，然后将锚杆插入孔内，这样可以防止锚杆锈蚀。在格梁节点处设置锚垫板，用钢制螺母将锚杆拧紧固定后用混凝土将锚头浇筑封填，防止锈蚀。在框格梁和锚杆施工完毕后，在坡面铺设一层种植土（非膨胀土），在种植土中播撒适合该区域生长的草种，当种植草成活后种植适合该区域的灌木，待灌木成活后种植适合该区域生长的乔木，这样一来，草本植物（根系可以达20-30cm）可以防止雨水冲刷坡面，灌木（根系可以达60-70cm）和乔木（根系可以达100-150cm以上）发达的根系可以将坡面固定，减少坡中水分蒸发，维持坡体中水平衡，可以有效的对坡面进行防护，而且绿化坡面，美化了路容。

3. 防排水系统。本防排水系统主要由坡顶排水沟、挡土墙后排水、路堑边沟及渗沟排水组成。坡顶排水沟主要是拦截和排除坡顶上的天然雨水，以防止雨水冲刷坡面和渗入坡体内。在坡顶开挖排水沟后，应及时在沟底铺设一层防水土工布，防止雨水渗入坡体内，然后在土工布上施做排水沟。挡土墙后排水主要是排除坡面上流下的雨水、坡体内的渗流水等。在挡土墙开挖至设计位置时，应及时用防水土工布铺设在墙背后面的坡面上，以防止坡面流下来的积水渗入至坡体内。挡土墙后排水层可以采用碎石或砂砾等透水性材料。在挡土墙一定深度处（该区域膨胀土大气影响深度），须每隔一定距离埋设泄水管，泄水管可在挡土墙浇筑混凝土时用PVC材料进行预埋，PVC管埋设须设置一定的坡度，以便排水。泄水管在靠挡土墙的一端需用透水土工布包裹，以免泥土堵塞管道，泄水管的另一端接至边沟下的排水渗沟。路堑边沟主要是排除路面的雨水以及路堑范围内的部分地表水，边沟底下的渗沟主要排除挡土墙后的积水、坡体内的积水以及路基内的积水等。当按设计开挖渗沟后，须用防水土工布铺设在开挖后的膨胀土体表面，然后在防水土工布上施做渗沟，待渗沟施工完后砌排水沟。这里建议路堑的路床最好是换填物理性能好一点的土（或对膨胀土进行改良处理），然后用防水土工布连同渗沟底部的膨胀土表面进行铺设，已达到整体防水的效果。

本发明与现有技术比较，有以下优点：

（1）考虑膨胀土边坡的滑塌主要是从坡脚开始，然后慢慢向上牵引，因此在坡脚设置挡土墙是非常必要的；

（2）坡面采用柔性支护体系进行防护，相对于坡面满铺浆砌片石结构的刚性支护方法，工程造价要低20%以上，工期要缩短许多；

（3）柔性支护系统采用格梁锚杆与网状土工格栅结合，网状土工格栅允许产生一定量的变形，可以有效释放膨胀土遇雨水膨胀时产生的膨胀力，从而达到以柔克刚的目的；

（4）由于网状土工格栅网格比较大，可以方便的进行各种植被的培植，不仅可以固化边坡，保持土体水分，而且可以达到绿化边坡，美化路容的目的。

附图说明

图1为本发明横断面示意图；

图2为本发明的格梁节点处锚杆锚头剖面示意图；

图3为本发明的边坡框格梁锚杆平面示意图；

图4为本发明的挡土墙墙顶构造剖面示意图。

其中，1-挡土墙；2-框格梁；3-锚杆；4-柔性网状土工格栅；5-植被；6-防水土工布Ⅰ；7-截水沟或排水沟；8-挡土墙后的透水层；9-防水土工布Ⅱ；10-泄水管；11-防水土工布Ⅲ；12-排水渗沟；13-软式排水管；14-排水沟；15-螺母；16-锚垫板；17-锚杆孔；18-泄水管。

具体实施方式

    下面结合附图1、2、3、4对本发明进行详细说明：

一种膨胀土路堑边坡支护结构，它包括刚性支撑系统、柔性防护系统和防排水系统三部分，

所述刚性支撑系统是它包括设置在膨胀土路堑边坡跛脚挡土墙1及挡墙基础；

所述柔性支护系统它包括设置在膨胀土路堑边坡上的框格梁2、锚杆3、铺设在坡面上的柔性网状土工格栅4和种植在坡面上的植被5；首先将膨胀土边坡按照坡比1:1.75-1:2进行开挖，注意刷坡要比设计的多50cm，因为要预留铺设种植土。

所述防排水系统它包括设置在坡顶的截水沟或排水沟7、挡土墙后的透水层8、排水沟14和排水沟14下的排水渗沟12。

截水沟或排水沟7主要是拦截和排除坡顶上的天然雨水，以防止雨水冲刷坡面和渗入坡体内。

排水沟14主要是排除路面的雨水以及路堑范围内的部分地表水，边沟底下的排水渗沟12主要排除挡土墙1后的积水、坡体内的积水以及路基内的积水等。

上述挡土墙1基底标高的位置须超过该区域膨胀土体大气影响深度0.5m以上，且基底的天然承载力须大于200kpa，挡土墙1采用片石混凝土，混凝土的强度须不小于C20。

所述锚杆3其锚固深度须超过该区域膨胀土体大气影响深度1m以上，锚杆直径为不小于16mm的螺纹钢筋。

所述框格梁2的节点间的距离为2.5-3.5m，框格梁2由钢筋混凝土构成，混凝土强度标号为C20。

所述柔性网状土工格栅4采用网格尺寸为20cm*20cm或30cm*30cm的双向土工格栅，每片土工格栅采用U形卡槽进行连接固定，将所有土工格栅连成一个整体，使其与框格锚梁共同组成柔性支护结构。

所述截水沟或排水沟7的沟底铺设一层防水土工布Ⅰ6。防止雨水渗入坡体内，然后在防水土工布Ⅰ6上施做截水沟或排水沟7。

所述挡土墙1的墙顶设置倒梯形的沟槽，沟槽尺寸为深30-40cm，上宽40-50cm，下宽30-40cm,在沟槽回填种植土，并种植迎春花灌木，起到绿化坡脚挡土墙的目的

所述挡土墙后的透水层8采用碎石或砂砾透水性材料。挡土墙后的透水层主要是排除坡面上流下的雨水、坡体内的渗流水等。

墙身后回填碎石透水层，碎石透水层厚20-30cm，碎石透水层回填深度应不低于膨胀土大气影响深度，在回填碎石透水层前，须在挡墙开挖的边坡坡面铺设一层防水土工布Ⅱ9，以防止坡面流下来的积水渗入至坡体内。

在所述挡土墙1深处埋设泄水管10，泄水管10在靠挡土墙1的一端用透水土工布包裹，泄水管10的另一端接至排水渗沟12。挡墙每隔1-1.5m须埋设泄水管10，以排除挡墙碎石透水层中的滞留水，泄水管的坡度设为3%。

在所述排水渗沟12，用防水土工布Ⅲ11铺设在其膨胀土体表面，排水渗沟12中间埋设软式排水管13，软式排水管13用透水土工布包裹。

具体实施步骤如下：

（1）按坡比进行膨胀土路堑开挖，预留30-50cm回填种植土的厚度；

（2）根据当地膨胀土区域建筑技术规范，确定膨胀土大气影响深度；

（3）开挖挡土墙基底标高至超过膨胀土大气影响深度至少0.5m的位置，在墙背后的边坡上铺设一层防水土工布，然后浇筑挡墙混凝土；

（4）在浇筑挡墙混凝土时，须在挡墙里埋设泄水管10，泄水管10采用PVC管，坡度3%，泄水管10靠墙背一端需用透水土工布包裹，以免淤泥堵塞，待挡土墙1拆模后，在墙后回填透水砂砾20-30cm，并压实；泄水管10埋设须设置一定的坡度，以便排水；

（5）在坡面上按框格梁2节点距离2.5-3.5m进行梁槽开挖，梁槽尺寸为宽20cm、深30cm的矩形断面，梁槽开挖好后，铺设柔性网状土工格栅4，然后放置钢筋笼，浇筑混凝土，在浇筑混凝土之前，须在框格梁2节点处预留锚杆孔17；

（6）当框格梁2的混凝土达到设计强度后，在预留的锚杆孔处垂直钻孔，孔深须大于膨胀土大气影响深度1m以上，然后往孔里灌注水泥砂浆，将锚杆3插入孔内，并在锚杆3端头用锚垫板16和螺母15固定，然后浇筑混凝土将锚头封住；

用混凝土将锚头浇筑封填，防止锈蚀。在框格梁和锚杆施工完毕后，在坡面铺设一层种植土（非膨胀土），在种植土中播撒适合该区域生长的草种，当种植草成活后种植适合该区域的灌木，待灌木成活后种植适合该区域生长的乔木，这样一来，草本植物（根系可以达20-30cm）可以防止雨水冲刷坡面，灌木（根系可以达60-70cm）和乔木（根系可以达100-150cm以上）发达的根系可以将坡面固定，减少坡中水分蒸发，维持坡体中水平衡，可以有效的对坡面进行防护，而且绿化坡面，美化了路容；

（7）在边坡顶开挖截水沟或排水沟7至设计位置标高，然后铺设一层防水土工布Ⅰ6，在防水土工布Ⅰ6上砌筑截水沟或排水沟7；

（8）往坡面上回填30-50cm厚的种植土，在种植土上种植植被5：草、灌木和乔木。

在步骤（5）中钢筋笼的钢筋间距为10-15cm。

在步骤（5）中锚杆孔17为直径为5cm的PVC管。

待排水渗沟12施工完后砌排水沟14。这里建议路堑的路床最好是换填物理性能好一点的土（或对膨胀土进行改良处理），然后用防水土工布连同排水渗沟12底部的膨胀土表面进行铺设，已达到整体防水的效果。

Claims (1)

1.一种膨胀土路堑边坡支护结构的施工方法，其特征在于：

（1）按坡比进行膨胀土路堑开挖，预留30-50cm回填种植土的厚度；

（2）根据当地膨胀土区域建筑技术规范，确定膨胀土大气影响深度；

（3）开挖挡土墙基底标高至超过膨胀土大气影响深度至少0.5m的位置，在墙背后的边坡开挖面上铺设一层防水土工布Ⅱ（9），然后浇筑挡墙混凝土；

（4）在浇筑挡墙混凝土时，须在挡墙里埋设泄水管（10），泄水管（10）采用PVC管，坡度3%，泄水管（10）靠墙背一端需用透水土工布包裹，以免淤泥堵塞，待挡土墙（1）拆模后，在墙后回填透水砂砾20-30cm，并压实；

（5）在坡面上按框格梁（2）节点距离2.5-3.5m进行梁槽开挖，梁槽尺寸为宽20cm、深30cm的矩形断面，梁槽开挖好后，铺设柔性网状土工格栅（4），然后放置钢筋笼，浇筑混凝土，在浇筑混凝土之前，须在框格梁（2）节点处预留锚杆孔（17）；

（6）当框格梁（2）的混凝土达到设计强度后，在预留的锚杆孔处垂直钻孔，孔深须大于膨胀土大气影响深度1m以上，然后往孔里灌注水泥砂浆，将锚杆（3）插入孔内，并在锚杆（3）端头用锚垫板（16）和螺母（15）固定，然后浇筑混凝土将锚头封住；

（7）在边坡顶开挖截水沟或排水沟（7）至设计位置标高，然后铺设一层防水土工布Ⅰ（6），在防水土工布Ⅰ（6）上砌筑截水沟或排水沟（7）；

（8）往坡面上回填30-50cm厚的种植土，在种植土上种植植被（5）：草、灌木和乔木。