强风化泥岩深路堑边坡防护结构及施工方法与流程

1.本发明涉及公路施工领域，特别是一种强风化泥岩深路堑边坡防护结构及施工方法。


背景技术：

2.某公路边坡地质结构为：表层粉质黏土；上层强风化砂岩泥岩互层，岩体极破碎，为软岩；下层中风化砂岩泥岩互层，砂岩质较硬，泥岩质较软，泡水后易软化，干后易崩裂，岩体较破碎，为软岩。泥岩浸水易软化，抗剪强度急剧下降，极易出现边坡沿该软弱层变形滑塌。因此降雨期间基岩裂隙水对边坡稳定。且坡顶至坡底高度差达到77米。由于地质条件极差，边坡表层容易失稳、开挖施工过程中容易造成边坡整体失稳，抗滑桩成井爆破也容易引起边坡失稳，且边坡高度较高，大型施工设备难以入场，尤其是大型抗滑桩施工设备难以架设，现场施工难度极高。采用框架梁施工方案，有局部出现滑坡和垮塌现象。现有技术中有换填土、满铺浆砌片石、大型抗滑桩、放缓坡、防雨水渗漏等处理措施，但是这些方案中，换填土和大型抗滑桩工程造价高、施工工期长；满铺浆砌片石后继容易出现变形。而且框架梁也容易在土体变形过程中出现框架梁被拉裂现象。采用降低边坡坡度比的方案能够有效降低滑坡几率，但是由于边坡高度较高，降低边坡坡度比导致开挖放量大幅增加，工程造价难以承受。而且低边坡坡度比使排水速度降低，更多水渗入到边坡容易使强风化泥岩软化，提高滑坡风险。
3.中国专利文献cn103410159a记载了一种膨胀土路堑边坡支护结构及其施工方法，采用了刚性支撑系统、柔性防护系统和防排水系统的组合方案，能够在一定程度上释放膨胀土膨胀时产生的膨胀力。但是该方案对于高边坡、强风化地质条件适用性不强。cn 109403355 a记载了一种新型边坡支护系统，横梁和/或纵梁与支座之间通过铰单元连接。提高框架梁的柔性，避免在土体变形过程中被拉裂。但是该方案又缺乏足够的刚度，起不到支护的效果，而且加工难度也较大，铰接结构也容易发生锈蚀。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种强风化泥岩深路堑边坡防护结构及施工方法，能够确保强风化泥岩深路堑边坡的防护效果，且能够在工程造价许可范围内实现。优选的方案中，能够减少对土体的扰动，能够减小桩的直径，从而能够使用小型设备进行施工。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种强风化泥岩深路堑边坡防护结构，包括位于底部的多级陡护坡和位于顶部的多级缓护坡，各级陡护坡之间设有平台，各级缓护坡之间设有平台，在陡护坡与缓护坡之间设有分界平台，分界平台的宽度大于其他平台宽度；在陡护坡设有框架梁；在底部一级的陡护坡顶部设有排桩挡墙结构，排桩挡墙结构中设有桩，桩端头与
压裂斜拉索连接。
6.优选的方案中，在缓护坡的顶部设有顶部排水沟，在分界平台设有中间排水沟；在各个平台设有抗渗层，抗渗层包括添加了塑性粘土的土层。
7.优选的方案中，在缓护坡表面设有挂网和喷混植草。
8.优选的方案中，排桩挡墙结构设有交错排列的前排桩和后排桩，前排桩之间设有弧形挡墙，后排桩与相邻的前排桩之间设有传力墙。
9.优选的方案中，在前排桩和后排桩靠近顶部的位置桩锚锭部，桩锚锭部上设有斜面，所述的斜面与压裂斜拉索的轴线垂直。
10.优选的方案中，压裂斜拉索内设有注浆管，注浆管靠近端头的位置依次设有管中段和管头段，在管中段设有侧孔，在管头段设有端头孔，注浆管的内径大于管中段的内径，管中段的内径大于管头段的内径，当放入不同直径的钢球，能够分别封堵管头段和管中段。
11.优选的方案中，所述的框架梁包括多个纵梁，在纵梁上设有多个框架梁锚锭部，框架梁锚锭部用于与预应力锚索连接，在框架梁锚锭部两侧设有咬口，横梁两端设有膨大部，横梁通过膨大部与框架梁锚锭部的咬口连接。
12.优选的方案中，在陡护坡和缓护坡埋设有预埋渗水管，预埋渗水管包括有竖直的纵向渗水管，还包括多个弧形的横向渗水管，横向渗水管与纵向渗水管连接；在纵向渗水管和横向渗水管的表面设有多个孔，以便于使水渗入到纵向渗水管和横向渗水管内。
13.一种上述的一种强风化泥岩深路堑边坡防护结构的施工方法，包括以下步骤：s1、从顶部开挖，开挖后做顶部排水沟；s2、开挖一级缓护坡后，开挖预埋渗水管的槽，包括纵向渗水管和横向渗水管的管槽，将纵向渗水管和横向渗水管埋入管槽，在缓护坡表面挂网和喷混植草；s3、施工卸载护坡平台，将卸载护坡平台的表面一定厚度的土替换成添加了塑性粘土的抗渗层，抗渗层表面施工抗裂混凝土层；s4、依次施工完多级缓护坡后，施工分界平台，在分界平台靠近缓护坡的位置开挖中间排水沟，中间排水沟与预埋渗水管的纵向渗水管连接，将施工分界平台表面一定厚度的土替换成添加了塑性粘土的抗渗层，抗渗层表面施工抗裂混凝土层；s5、在分界平台以下开挖陡护坡，开挖后，开挖预埋渗水管的槽，包括纵向渗水管和横向渗水管的管槽，将纵向渗水管和横向渗水管埋入管槽，s6、钻锚索孔，放入预应力锚索，然后施工框架梁；s7、在最后一级的陡护坡顶部，钻斜拉索孔，钻交错桩孔，置入压裂斜拉索，置入前排桩和后排桩，灌浆填充桩孔，压裂灌浆固定压裂斜拉索，凝固后将压裂斜拉索与前排桩和后排桩连接并张拉预紧；s8、在前排桩和后排桩之间施工弧形挡墙和传力墙；s9、开挖最后一级的陡护坡，施工框架梁；通过以上步骤实现强风化泥岩深路堑边坡防护结构的施工。
14.优选的方案中，步骤s7中，注浆管靠近端头的位置依次设有管中段和管头段，在管中段设有侧孔，在管头段设有端头孔，注浆管的内径大于管中段的内径，管中段的内径大于管头段的内径；
对不同地层，以大于压裂压力注浆，前期注入缓凝砂浆，便于砂浆向地层深部渗透，压力增高或一段时间后，继续灌注速凝砂浆；在注入缓凝砂浆过程中，间隔一段时间，从小到大向注浆管内放入不同直径的钢球，依次封堵管头段和管中段，以形成向径向发散的压裂凝结体。
15.本发明提供的一种强风化泥岩深路堑边坡防护结构及施工方法，通过采用陡护坡和缓护坡相结合的方式，配合交错布置的排桩挡墙结构，在抗滑性能、经济性能和便于施工之间达到平衡。设置的预埋渗水管采用了纵向渗水管和横向渗水管的组合结构，能够快速将坡面渗入的水排出，配合设置在平台上的抗渗层结构，能够避免渗入水降低土体强度。在缓护坡设置的挂网和喷混植草结构，能够利用植物根系固定土壤，减少蒸发率，避免加速强风化砂岩泥岩互层碎裂。设置的框架梁结构，采用通过咬口与横梁连接的结构，加工和安装便利，无裸露金属件，在确保足够支撑刚度的同时，也具有适当柔性，能够自适应土体的变形，防止框架梁被拉裂。设置的压裂斜拉索，为斜拉索提供足够的锚固力，并且能够增强土体的抗剪和抗滑强度。本发明最大的优势是在施工便利性，施工成本和结构可靠性之间达到了平衡，对于强风化泥岩深路堑边坡防护具有较大的推广应用价值。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的深路堑边坡防护结构的截面示意图。
17.图2为本发明的排桩挡墙的结构示意图。
18.图3为本发明的压裂斜拉索结构示意图。
19.图4为本发明的注浆管端头的结构示意图。
20.图5为本发明中框架梁的结构示意图。
21.图6为本发明中卸载护坡平台的截面示意图。
22.图7为本发明中预埋渗水管的结构示意图。
23.图中：陡护坡1，框架梁2，纵梁21，框架梁锚锭部22，咬口23，过水管24，横梁25，底部梁26，排桩挡墙结构3，桩孔31，弧形挡墙32，前排桩33，传力墙34，后排桩35，桩锚锭部36，垫板37，桩平台4，压裂斜拉索5，压裂凝结体51，封堵部52，注浆管53，管头段531，第一钢球532，管中段533，侧孔534，第二钢球535，预应力锚索6，分界平台7，测斜管8，中间排水沟9，预埋渗水管10，横向渗水管101，纵向渗水管102，横向管槽103，开槽机104，卷扬机105，导轮106，挂网植草层11，卸载护坡平台12，顶部排水沟13，抗渗层14，缓护坡15。
具体实施方式
24.实施例1：如图1中，一种强风化泥岩深路堑边坡防护结构，包括位于底部的多级陡护坡1和位于顶部的多级缓护坡15，本例中的陡护坡1是指坡比1:1坡度的护坡结构。缓护坡15是指坡比小于1:1.25的护坡结构。本例中优选的缓护坡15坡比为1:1.75。本例中的陡护坡1为三级，每级的垂直高度不超过10米，剩余的为缓护坡15，分为4级。
25.各级陡护坡1之间设有平台，各级缓护坡15之间设有平台，在陡护坡1与缓护坡15之间设有分界平台7，分界平台7的平台的宽度大于其他平台宽度；本例中分界平台7的宽度
达到20米。在多级缓护坡15中间设有卸载护坡平台12，卸载护坡平台12的宽度大于缓护坡15之间其他平台的宽度。本例中的卸载护坡平台12宽度为8米。
26.在陡护坡1设有框架梁25，框架梁25由纵梁21和横梁25组成，框架梁25的节点位置与预应力锚索6连接；本例中的预应力锚索6倾角为20
°
，锚固力为350kn。在边坡上设有测斜管8，根据测斜管8检测参数设置预应力锚索6的长度。
27.如图1~3中，在底部一级的陡护坡1顶部设有排桩挡墙结构3，排桩挡墙结构3中设有桩，桩端头与压裂斜拉索5连接。与现有技术不同的，本技术中采用在桩端头设置压裂斜拉索5的方案，提高了桩的抗滑能力。
28.优选的方案如图2中，排桩挡墙结构3设有交错排列的前排桩33和后排桩35，前排桩33之间设有弧形挡墙32，后排桩35与相邻的前排桩33之间设有传力墙34。本例中的前排桩33和后排桩35采用钢管桩或者uhpc超高性能混凝土桩，钢管桩采用直径110mm~160mm钢管，壁厚6mm，内置两根直径16hbr400钢筋，灌注m35水泥砂浆。优选的，uhpc超高性能混凝土桩采用圆角矩形桩，采用经济型超高性能混凝土，钢筋笼设置四根主筋，边长35mm，抗压强度185mpa，抗折强度55 mpa。与钢管桩相比，uhpc超高性能混凝土桩具有更高的强度和耐久性。宜设置在滑移位置。前排桩33之间的间距为3米，后排桩35与前排桩之间的垂直距离为1.2米。压裂斜拉索5的与张紧锚固力为100kn。采用较低的张紧力是考虑到，随着后继的微滑移，荷载逐渐增加，压裂斜拉索5的张紧力会逐渐增加，因此初期采用较小的张紧锚固力，为后继的荷载增加留出余量。弧形挡墙32将荷载平均分配给相邻的前排桩33，前排桩33再通过传力墙34将荷载平均分配给相邻的后排桩35，由此构成多个类似鱼鳞的均匀传递荷载结构，大幅提高排桩挡墙结构3的承载力和抗滑性能。采用圆角矩形uhpc超高性能混凝土桩的优势还在于便于与压裂斜拉索5可靠连接，和便于弧形挡墙32和传力墙34的力传递。
29.优选的方案如图3中，在前排桩33和后排桩35靠近顶部的位置桩锚锭部36，优选的，圆角矩形uhpc超高性能混凝土桩在梁厂预制，桩的顶部设置膨大部，并与桩的其余部分平滑过渡，便于与压裂斜拉索5固定连接。桩的底部至少进入中风化泥质砂岩3米以上。
30.桩锚锭部36上设有斜面，在斜面设有预埋的不锈钢垫板37，封锚后以抗裂砂浆全部封闭，斜面与压裂斜拉索5的轴线垂直。
31.优选的方案如图3中，压裂斜拉索5内设有注浆管53，注浆管53靠近端头的位置依次设有管中段533和管头段531，在管中段533设有侧孔534，在管头段531设有端头孔，注浆管53的内径大于管中段533的内径，管中段533的内径大于管头段531的内径，当放入不同直径的钢球，能够分别封堵管头段531和管中段533。由此结构，便于通过分时注浆的方式在中风化泥质砂岩区域形成直径较大的压裂凝结体51。大幅提高锚固力。
32.优选的方案如图1中，在缓护坡15的顶部设有顶部排水沟13，在分界平台7设有中间排水沟9；在各个平台设有抗渗层14，抗渗层14包括添加了塑性粘土的土层。设置的抗渗层14是非常重要的措施，能够避免大量雨水从平台位置进入到土体。经抗渗测试，抗渗层14厚度优选为50cm，塑性粘土掺量根据现场土层的渗透性能确定。该方案的成本不高，但是效果非常显著。在抗渗层14表面铺抗拉网或土工布，覆盖c20抗裂砂浆。
33.优选的方案如图1、6中，在缓护坡15表面设有挂网和喷混植草。挂网采用三维立体挂网，喷混植草采用营养土与草种共喷的布置方式，草选择耐旱且根系发达的草本植物，提
高土体的稳固性。
34.优选的方案如图5中，所述的框架梁25包括多个纵梁21，在纵梁21上设有多个框架梁锚锭部22，框架梁锚锭部22用于与预应力锚索6连接，在框架梁锚锭部22两侧设有咬口23，横梁25两端设有膨大部，横梁25通过膨大部与框架梁锚锭部22的咬口23连接。优选的，横梁25与一端的咬口23固定连接，即在咬口23灌注砂浆固结。而横梁25的另一端则采用非固结连接方式。或者在咬口23内灌注塑性材料抗腐蚀保护，例如沥青封闭。由此结构，框架梁25在刚性支撑与柔性连接之间达到平衡，能够抵抗土体在一定程度内的变形，横梁25在梁场预制，现场纵梁21施工完成后，在横梁25两端安装带滚轮的工装结构，以顶部卷扬装置沿着纵梁下滑安装。
35.优选的方案如图6、7中，在陡护坡1和缓护坡15埋设有预埋渗水管10，预埋渗水管10包括有竖直的纵向渗水管102，还包括多个弧形的横向渗水管101，横向渗水管101与纵向渗水管102连接；纵向渗水管102采用两段结构，其中陡护坡1一段，缓护坡15一段，缓护坡15的预埋渗水管10与中间排水沟9连通，因此中间排水沟9的设计排水量要满足暴雨条件下排水量的要求。
36.在纵向渗水管102和横向渗水管101的表面设有多个孔，以便于使水渗入到纵向渗水管102和横向渗水管101内。纵向渗水管102和横向渗水管101的埋设深度在50cm之内。纵向渗水管102和横向渗水管101外面设有碎石层。也可采用现场碎石，水洗或经过几场大雨晾干后仅保留砂岩碎石。
37.实施例2：一种上述的强风化泥岩深路堑边坡防护结构的施工方法，包括以下步骤：s1、如图1中，从顶部开挖，开挖后施工顶部排水沟13；顶部排水沟13的底部设置防水土工布，顶部排水沟13与急流槽连接，急流槽在图中未示出。
38.s2、如图7中，开挖一级缓护坡15后，开挖预埋渗水管10的槽，包括纵向渗水管102和横向渗水管101的管槽，施工难度较大的是横向渗水管101。设置专用设备施工横向管槽103，横向管槽103的深度为30cm，宽度为2cm，横向渗水管101直径为10cm，横向管槽103设置5cm厚碎石。在坡顶或各个平台设置卷扬机105，卷扬机105的钢丝绳与开槽机104连接，开槽机104在开挖坡面以卷扬机105为圆心开挖横向管槽103。横向管槽103为圆弧形。在一层坡面施工时，将卷扬机105安装在上一级坡面的顶部。卷扬机105可以采用电动卷扬机，燃油卷扬机，也可以采用手动卷扬机，手动卷扬机必须设置具有自锁功能的传动机构，例如蜗轮蜗杆机构。
39.将纵向渗水管102和横向渗水管101埋入管槽，在管槽内填充碎石，在缓护坡15表面挂网和喷混植草，挂网和喷混植草为常规施工方法；s3、如图6中，施工卸载护坡平台12，卸载护坡平台12位于缓护坡15的中间，将卸载护坡平台12的表面一定厚度的土替换成添加了塑性粘土的抗渗层14, 抗渗层14厚度为50cm，抗渗层14表面铺设抗拉网或土工布，施工c20膨胀抗裂混凝土层，厚度15cm。其他平台宽度为2~3米也可以施工抗渗层14。
40.s4、依次施工完多级缓护坡15后，施工分界平台7，在分界平台7靠近缓护坡15的位置开挖中间排水沟9，中间排水沟9要满足暴雨排水要求，且分界平台7具有一定倾角，其中靠近陡护坡1的一侧较低， 便于溢流排水。中间排水沟9与上方的预埋渗水管10的纵向渗水
管102连接，将施工分界平台7表面一定厚度的土替换成添加了塑性粘土的抗渗层14，抗渗层14表面施工膨胀抗裂混凝土层，膨胀抗裂混凝土采用类似cn109095809a记载的混凝土；s5、在分界平台7以下开挖陡护坡1，开挖后，开挖预埋渗水管10的槽，包括纵向渗水管102和横向渗水管101的管槽，将纵向渗水管102和横向渗水管101埋入管槽，施工方法与步骤s2相同。
41.s6、钻锚索孔，放入预应力锚索6，然后施工框架梁2，施工时，开挖一级陡护坡1即施工一级框架梁2，严禁坡面岩体长期裸露，必要时，在开挖后需要等待施工的，需要在坡面喷射混合泥浆保护，混合泥浆中固型物包括30%~50%体积比的膨润土，以降低坡面岩体蒸发量；施工时，先施工纵梁21，然后施工横梁25，将横梁25的一端与纵梁21框架梁锚锭部22的咬口23固定连接。然后将框架梁锚锭部22与预应力锚索6固定连接，并分次张拉预紧。
42.s7、在最后一级的陡护坡1顶部，以锚索钻机钻斜拉索孔，以螺旋钻机或硬岩钻机钻交错的桩孔31。在斜拉索孔中置入压裂斜拉索5，置入前排桩33和后排桩35，灌浆填充桩孔31，压裂灌浆固定压裂斜拉索5，凝固后将压裂斜拉索5与前排桩33和后排桩35连接并张拉预紧；压裂灌浆是指灌浆压力大于岩体的破裂压力，从而便于砂浆向岩层渗透的灌浆方式。
43.优选的方案如图3中，步骤s7中，注浆管53靠近端头的位置依次设有管中段533和管头段531，在管中段533设有侧孔534，在管头段531设有端头孔，注浆管53的内径大于管中段533的内径，管中段533的内径大于管头段531的内径；对不同地层，以大于压裂压力注浆，压裂压力通过试样试验确定，需要控制从注浆输入的压裂压力略大于试样所需的压裂压力，以避免扰动过大，压裂注浆须间隔施工，相邻的斜拉索孔内砂浆凝固后，才能继续施工。优选的，在斜拉索孔压裂施工前期注入缓凝砂浆，便于砂浆向地层深部渗透，压力增高或一段时间后，继续灌注速凝砂浆；采用缓凝砂浆，能够避免压裂凝结体51开裂。后期灌注的速凝砂浆，则有助于斜拉索的定位，避免因为施工扰动使斜拉索位置发生变化。
44.在注入缓凝砂浆过程中，间隔一段时间，从小到大向注浆管53内放入不同直径的钢球，依次封堵管头段531和管中段533，以形成向径向发散的压裂凝结体51。由此结构，砂浆先从管头段531的孔注入，将砂浆沿着软弱层渗入，形成向注浆管53轴向延伸的压裂凝结体51，将管头段531封堵后，砂浆向注浆管53的周侧扩散，大幅提高压裂斜拉索5的锚固力。随着管中段533的封堵，砂浆在注浆管53的通流截面变小，砂浆流速增加向注浆管53周侧继续扩散，形成更大范围的压裂凝结体51。
45.在优选的方案中，钢管桩采用钻孔、下桩和灌注自密实混凝土的方案进行施工。
46.另一优选的方案中，uhpc桩施工时采用在梁场预制uhpc桩，跟管钻机挖直径44cm圆孔，边钻边下入钢护筒，桩孔施工完成后，下入uhpc桩，uhpc桩采用边长30
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30cm桩，取出钢护筒，在钻孔缝隙灌注自密实混凝土，施工制成uhpc桩。
47.s8、如图2中，在前排桩33和后排桩35之间施工弧形挡墙32和传力墙34；弧形挡墙32和传力墙34采用立模浇筑施工。
48.s9、开挖最后一级的陡护坡1，施工框架梁2；通过以上步骤实现强风化泥岩深路堑边坡防护结构的施工。
49.本发明的方案，用于强风化泥岩深路堑边坡防护效果较佳，经有限元计算保险系
数达到1.22，符合施工安全要求，配合快速排水和抗渗措施，能够确保施工质量。而之前的常规设计在本发明的地质条件下仅为1.02。
50.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。