高填路堤改性加筋表层土坡面柔性防护结构及稳定性预估方法

本发明属于边坡处治，涉及一种高填路堤改性加筋表层土坡面柔性防护结构及稳定性预估方法。

背景技术：

1、随着我国经济不断发展，交通基础设施建设也在稳步推进，其中新增部分主要分布在我国南方湿热地区。南方湿热地区主要以热带、亚热带季风气候为主，降雨充沛，气候环境湿热，土质、地质与水文条件复杂。因此，修筑于该地区的不同岩土体高填方路堤边坡，在雨水入渗、路表径流冲刷及局部滞水湿化的影响下频发浅层滑坡。

2、目前，传统的护坡方式主要是通过在坡面设置各种结构和材料，以减缓或防止坡面的侵蚀和坍塌，包括浆砌片石、格构框架、草皮覆盖、喷锚混凝土、锚杆支护、挡土墙等。其中，浆砌片石、挡土墙、格构框架等支护方式施工成本较高，喷锚混凝土、锚杆支护等支护方式则不满足生态护坡的要求，在工程应用中传统的护坡方式均存在一定的局限性。基于此，一些学者提出了改进的护坡方式，如：申请号为cn202110064672.9的专利公开了一种防止水土流失的护坡结构，有助于提高水土保持效率，但所述防护层、加强层、种植层等构件组成的护坡结构施工复杂，且其用于排水的若干透水孔在湿润多雨的南方地区能否达到预期排水效果值得商榷；申请号为cn201711132644.6的专利公开了一种护坡结构，该结构通过格构梁划分若干个植被种植区并设置滤水件，能减轻水流对坡面冲刷作用，但在南方湿热环境下，格构梁等刚性结构容易产生变形裂缝进而影响其服役性能；申请号为cn201610963648.8的专利公开了一种水泥改性土强化土工格栅加筋土结构及其施工方法，可实现陡坡加筋土结构的无面板施工，具备多种优点，但水泥改性土施工而成的坡面，土体整体呈碱性，绿化植物无法在坡面进行生长，仅能通过植生袋进行坡面绿化。

3、综上所述，针对南方湿热地区高填方路堤边坡存在的水毁浅层失稳问题，现有的护坡结构普遍还存在以下几个问题：(1)在一定程度上能缓解坡面降雨冲刷导致的边坡水毁浅层失稳问题，但对南方湿热地区高填方路堤边坡的冲刷破坏病害针对性不强；(2)现有大部分强支挡结构环境协调性差，在湿热环境下易产生干缩裂缝，导致结构服役性能不断劣化；且强支挡结构施工复杂、施工成本较高，对地形、坡度等施工条件有一定的要求。(3)传统防护结构施工过程均以人工为主导，施工进度较慢，施工质量难于保障。(4)传统的水泥改性坡面由于其改性土整体呈碱性，仅能通过植生袋进行坡面绿化。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种高填路堤改性加筋表层土坡面柔性防护结构，充分利用长距离坡面防护结构的骨架作用、防排水结构的防冲刷防软化作用以及柔性支挡结构，能在施工成本低、施工速度块、施工质量有保障的前提下对南方湿热地区高填方路堤边坡进行防护。

2、本发明的另一目的是，提供一种高填路堤改性加筋表层土坡面柔性防护结构的稳定性预估方法。

3、本发明所采用的技术方案是，一种高填路堤改性加筋表层土坡面柔性防护结构，包括多级平台的坡面和排水结构，每级所述平台的顶部为柔性支挡结构，所述柔性支挡结构由低掺量改性土层分层填筑，每层低掺量改性土层分别被一层土工格栅反包，柔性支挡结构靠近边坡的一侧设有防渗土工布；位于坡面坡脚的所述柔性支挡结构的边坡内部设有竖向的起支护作用的钢横梁；所述多级平台的坡面填筑有高掺量改性土层；

4、所述排水结构包括设于网状集水截水结构、t型排水管和排水板；所述网状集水截水结构设于高掺量改性土层的表面；所述t型排水管设于柔性支挡结构内部；所述排水板设于坡脚的柔性支挡结构的最底层。

5、进一步的，所述网状集水截水结构包括纵向集水沟、横向集水沟与侧向截水沟，横向集水沟与侧向截水沟通过加固点连接；所述纵向集水沟为悬链线拱形，纵向集水沟的凹形处有深度为30cm～60cm的高掺量改性土层，用于抵御土体在温湿交互作用下的胀缩力。

6、进一步的，所述t型排水管包括垂直设置的横向排水管和斜向排水管，横向排水管沿道路纵向设置，斜向排水管沿道路横向设置，横向排水管坡度范围为1°～3°，斜向排水管坡度为3°～8°，斜向排水管与纵向集水沟共面且连通，用于将t型排水管中的水通过纵向集水沟排出；

7、所述横向排水管、斜向排水管上均设有单向透水孔，用于单方向将土体中的水排入t型排水管中；

8、所述斜向排水管设有第一过滤段和第二过滤段，第一过滤段的填充介质为cct重金属稳定化剂，第二过滤段的填充介质为微生物或藻类代谢物，斜向排水管的出口设有网栅。

9、进一步的，所述低掺量改性土层包括金尾矿、边坡表层土和水泥，金尾矿、边坡表层土和水泥的质量比为x：10-x-y：y，其中x∈[0.5，1.0]，y∈[0，1.5]。

10、进一步的，所述高掺量改性土层包括金尾矿、边坡表层土和水泥，金尾矿、边坡表层土和水泥的质量比为x：10-x-y：y，其中x∈[1.5，2.0]，y∈[0，1.5]。

11、进一步的，所述排水板的底部设有找平垫层。

12、进一步的，位于坡面坡脚的所述柔性支挡结构的高度大于其余位置的柔性支挡结构；所述钢横梁包括钢横梁主体、凹块、凸块；相邻两钢横梁主体通过凹块和凸块榫卯连接。

13、进一步的，所述反包的土工格栅通过u型钉固定，所述网状集水截水结构的间隙处的高掺量改性土层内嵌入有生态植生袋。

14、进一步的，所述坡面的顶部路肩设有路面边沟，坡面坡脚设有排水渠，排水渠两侧设置有厚度20cm～40cm的高掺量改性土层。

15、一种高填路堤改性加筋表层土坡面柔性防护结构的稳定性预估方法，具体包括以下内容：

16、高填路堤改性加筋表层土坡面柔性防护结构的稳定安全系数fs的表达式：

17、

18、式中：γ为土体的天然重度；c'、分别为土体的有效黏聚力和内摩擦角；σs为用归一化体积含水率或饱和度表示的吸应力；ua为孔隙气压力；l2为土条长度；β为边坡坡度；p1为下缘土体的作用抗力，z表示土条的厚度；

19、式中，防护结构的阻滑力k1为：

20、

21、式中：c”、分别为改性后土体的有效黏聚力和内摩擦角；γs为改性后的土体重度；zs为改性土的厚度；

22、式中，筋材的锚固抗拔力t1由下式计算：

23、

24、第i层筋材的锚固抗拔力tpi按下式计算：

25、tpi＝2σvialeif

26、式中：σvi为土工格栅所在位置的垂直应力，σvi的值为填土自重与加筋体顶面均布永久荷载产生的压力之和，不考虑交通荷载和其他可变荷载；a为土工格栅的宽度；lei为土工格栅的有效锚固长度；f为土工格栅与填土之间的摩擦系数。

27、本发明的有益效果是：

28、(1)本发明通过在坡面冲刷和侵蚀的方向从上往下分层布置横向、竖向集水沟及侧向截水沟，采用多平台折线性改性加筋表层土柔性防护结构对坡面进行防护，在不影响边坡稳定性安全系数的前提下，能截留大量的坡面降雨和路面集水，并通过分级平台缩短冲刷路径、曲线型集水沟减少水流速度等设计以降低冲刷能量，将降雨冲刷对边坡的影响相较于传统防护结构降低40％以上，在湿润多雨的南方地区高填方路堤边坡适用性非常强。

29、(2)前期研究表明，使用边坡原位浅层土体掺拌一定量的金尾矿后，获得的改性土能适应当地气候变化避免出现干缩裂缝。本发明形成的改性加筋表层土柔性防护结构(高掺量改性柔性长距离坡面防护结构+低掺量改性柔性挡土墙)无需刚性骨架防护，即满足边坡整体稳定性要求。相对于现有技术，改性加筋表层土柔性防护结构克服了柔性支护不能进行强支挡的缺陷，能实现比传统边坡强支挡方案(锚索+抗滑桩、锚索格构+抗滑桩、锚杆格构+抗滑桩、桩板墙)对高填方路堤边坡进行更为快速、经济及环保的支挡加固，降低边坡加固成本30％以上。

30、(3)本发明改性加筋表层土长距离坡面柔性防护结构以机械施工代替人工施工，施工速度快(提高施工速度50％以上)，安全性好，质量易于保障；采用生态植生袋与防护结构结合的方式进行三维植草防护，其中，使用狗牙根、波斯菊等植物对金尾矿改性坡面进行绿化，可大幅度降低坡面防护费用，提高边坡生态效益；同时本发明技术针对渗透水设置了cct重金属稳定化剂、微生物/藻类代谢物排水过滤段，有效避免了固化固废材料后可能导致的重金属污染问题。本发明技术是一种适于高速公路建设“提质降本”和创建百年品质工程建设的新技术，值得在公路建设中大力推广。

31、(4)针对传统支护方案中如抗滑桩等支护结构需要对原边坡进行大范围开挖后才进行支护的问题，本发明技术采用边开挖、边支护的施工方法，将原高填方路堤边坡划分为多个折线形台阶，以从上到下、从左到右的顺序进行施工；同时在进行坡脚开挖时，使用小型钢横梁进行临时支护，在施工完成后，该结构将成为永久支护结构。上述内容均有效避免了在施工期内由于支护不及时而出现的边坡失稳事故，有效的保障了施工安全。

32、(5)针对传统边坡浅层失稳模式稳定性验算中主要采用减少渗流力、减小边坡坡度的方式来提高安全系数的问题，本发明提供了一种可以进一步考虑改性加筋土的掺量、加筋层数以及土层厚度的边坡浅层失稳稳定性预估方法，根据规范规定反演防护结构所需的改性土参数，对指导边坡设计与施工起到重要作用。