錨固技術(shù)在高切坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用

郭志明

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

0 引 言

工程巖體十分復(fù)雜，受到自然地質(zhì)作用與人類工程活動(dòng)的復(fù)合影響，地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等都影響高切坡的穩(wěn)定性.錨固，最早在建筑加固中的鋼筋的錨固是指鋼筋被包裹在混凝土中，增強(qiáng)混凝土與鋼筋的連接，使建筑物更牢固，目的是使兩者能共同工作以承擔(dān)各種應(yīng)力，即使混凝土與鋼筋協(xié)同工作以承受來自各種荷載產(chǎn)生壓力、拉力以及彎矩、扭矩等.錨固錨桿，在巖石或土壤鉆孔或挖井后灌入混凝土，也有在底部用高壓灌漿的固定方法.錨固后，被錨固體的承載力決定周邊的剪力和錨底的阻抗力.地梁也稱為基礎(chǔ)梁，圈起來有閉合的特征，與構(gòu)造柱共成抗震限裂體系，減緩不均勻沉降的負(fù)作用.與地圈梁有區(qū)別，(地梁)基礎(chǔ)梁主要起聯(lián)系作用，增強(qiáng)水平面剛度，有時(shí)兼作底層填充墻的承托梁，不考慮抗震作用.在基礎(chǔ)梁的現(xiàn)有計(jì)算方法中，較有代表性的是以下兩種：a.對(duì)墻下基礎(chǔ)梁，可視承臺(tái)梁以上墻體為半無限平面彈性體，基礎(chǔ)梁與墻體(半無限彈性體)共同變形，視基礎(chǔ)梁為樁頂荷載作用下的倒置彈性地基梁，按彈性理論求解基礎(chǔ)梁的反力，經(jīng)簡(jiǎn)化后作為作用在基礎(chǔ)梁上的荷載，然后按普通連續(xù)梁計(jì)算內(nèi)力.b.對(duì)柱下條形基礎(chǔ)梁，可視為彈性地基梁計(jì)算，即將樁頂反力作為集中力作用在梁上，柱為梁的支座，按普通連續(xù)梁分析其內(nèi)力，樁頂反力按彈性地基架計(jì)算確定.根據(jù)工程巖體的特性采用錨固與格構(gòu)相結(jié)合技術(shù)，使巖石荷載壓力、拉力以及彎矩發(fā)生改變，可以實(shí)現(xiàn)工程巖體相對(duì)固定.

1 工程地質(zhì)特征

1999年3月至2000年底，興山縣峽口鎮(zhèn)碼頭及高嵐河大橋施工，在臨山斜坡形成了以巖質(zhì)為主的高切坡，該高切坡總體坡向?yàn)镹NE25～30°，坡面傾向西.坡底高程177～188 m，坡頂高程一般200～228 m，最高達(dá)245 m.坡高一般20～30 m，最高47 m.高切坡所處硬軟巖性的交接部位，因而自然地形陡緩有別，也決定了高切坡形態(tài)特征有異.峽口鎮(zhèn)碼頭一帶原系香溪河左岸斜坡，斜坡的走向近南北、傾向西.在自然狀態(tài)下，臨河第一斜坡坡頂高程800 m左右，香溪河河底高程117～120 m，自然狀態(tài)下斜坡坡度30～45°，在臨高嵐河出口地帶達(dá)50°以上.高切坡主要由三疊系嘉陵江組灰?guī)r、巴東組泥灰?guī)r、侏羅系香溪組長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖組成巖層產(chǎn)狀280～285°∠35～43°.高切坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查坡長(zhǎng)120 m，切坡面積5 600 m2.高切坡治理前巖體中裂隙發(fā)育，多為層狀結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性受層面的控制，在切坡初期，常產(chǎn)生規(guī)模不等的滑移破壞.現(xiàn)在切坡頂仍懸掛有較多的巖土體，高切坡的坡腳又多切穿部分砂巖層，即存在一定的臨空面，因而在切坡的頂部和底部均存在不穩(wěn)定的巖土體，因此小規(guī)模的變形滑移時(shí)有發(fā)生.工程的具體治理目標(biāo)是：保證長(zhǎng)江三峽工程移民工程的順利進(jìn)行不至影響按預(yù)期計(jì)劃蓄水發(fā)電；在進(jìn)行移民工程建設(shè)的過程中不會(huì)發(fā)生施工擾動(dòng)影響邊坡體的穩(wěn)定性；保證峽口高切坡在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的正常營(yíng)運(yùn)和安全.

在調(diào)查鉆孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，綜合類比長(zhǎng)江水利委員會(huì)綜合勘測(cè)局的《長(zhǎng)江三峽水利樞紐庫區(qū)興山縣遷建城鎮(zhèn)新址地質(zhì)論證報(bào)告》(詳勘)等資料[1-4]的基礎(chǔ)上，確定各巖層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1.表中所列的為實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖塊所測(cè)的試驗(yàn)值，其巖體的力學(xué)指標(biāo)根據(jù)本邊坡巖體裂隙發(fā)育程度及巖體完整性進(jìn)行折減，一般巖體的抗剪強(qiáng)度C值取巖塊的20%，φ值取巖塊的80%.

表1 峽口碼頭高切坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值

2 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

2.1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

從高切坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征可確定高切坡將會(huì)沿順巖層層面發(fā)生整體滑移的變形模式.

對(duì)可能產(chǎn)生折線滑動(dòng)的高切坡應(yīng)采用推力傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算.考慮高切坡區(qū)域可能遇到的各類情況，特別是最危險(xiǎn)的情況，由于區(qū)內(nèi)基本地震烈度為6度，可不考慮地震的影響，故綜合確定以下兩種計(jì)算工況.工況一：天然(自重)狀態(tài)；工況二：自重+暴雨.本高切坡的安全等級(jí)為二級(jí)，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[5]規(guī)定，采用折線滑動(dòng)法計(jì)算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.30.

2.2 典型剖面的選擇與潛在滑面的確定

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及在工程地質(zhì)分析基礎(chǔ)上，選取代表性工程地質(zhì)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià).

2.3 計(jì)算結(jié)果

在以上模型與參數(shù)給出的情況下，利用折線滑動(dòng)法對(duì)潛在滑面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 各潛在滑面穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

高切坡穩(wěn)定性定性分析與計(jì)算表明，高切坡目前的整體穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備不高.隨著風(fēng)化作用的加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的降低，在強(qiáng)降雨的情況下，有可能發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生順層滑移，進(jìn)行工程治理十分必要.

3 治理方案研究

高切坡治理方案應(yīng)結(jié)合斜坡變形破壞的特點(diǎn)及項(xiàng)目所在區(qū)域環(huán)境經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)綜合分析確定.常見的加固措施有：削坡整形、擋土墻、格構(gòu)、抗滑樁及錨固措施及其組合.大規(guī)模的削坡整形會(huì)造成區(qū)域環(huán)境資源的破壞，擋土墻只在坡面以土體為主及下滑力不大的前提下應(yīng)用，抗滑支擋措施不經(jīng)濟(jì).該切坡由破碎巖體和滑坡體組成，局部有整體滑動(dòng)的危險(xiǎn)，為防止在暴雨作用下，邊坡有可能發(fā)生順層滑動(dòng)破壞，分析認(rèn)為采取預(yù)應(yīng)力錨索+地梁的措施進(jìn)行治理是恰當(dāng)?shù)?

3.1 推力計(jì)算

根據(jù)高切坡的特征，選擇典型剖面進(jìn)行推力計(jì)算[6-7].根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，對(duì)安全儲(chǔ)備不高的工況進(jìn)行推力計(jì)算，有關(guān)計(jì)算參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)值分析確定見表1.采用傳遞系數(shù)法(推力傳遞法)，典型剖面計(jì)算模型及條分見圖1，剩余下滑力分布曲線見圖2.剖面剩余推力模擬計(jì)算值為520 kN/m.

圖1 工程地質(zhì)剖面潛在滑體網(wǎng)格剖分圖

圖2 潛在剖面推力曲線

3.2 地梁方案確定

基礎(chǔ)梁上所分配的荷載一旦確定，就可按縱向梁上所分配的荷載，以單向條形基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算.

格構(gòu)梁設(shè)計(jì)尺寸采用b×h=400 mm×500 mm，梁跨比b/L=0.4/4.0<1/6，為彈性基礎(chǔ)，故可按彈性基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算確定.

a.地梁承載荷載計(jì)算[8].錨索+地梁方案中錨索錨固力按1 000 kN進(jìn)行設(shè)計(jì)，錨固角取20°，地表傾角為46°.地梁承載的荷載Fi是錨索錨固力在垂直地梁方向的分力，那么地梁承擔(dān)的荷載為

Fi=Nasin(α+φ)=913.5 kN

b.地梁結(jié)構(gòu)確定.地梁結(jié)構(gòu)可以采用各種結(jié)構(gòu)，采用矩形截面，是一種常見的結(jié)構(gòu)形式，其承載能力確定思路如下.

①承載力計(jì)算

正截面承載力計(jì)算.簡(jiǎn)化計(jì)算采用公式(1).

(1)

混凝土受壓區(qū)高度確定：

α1fcbx=fyAs

(2)

式(1)(2)中M為彎矩設(shè)計(jì)值；Mu為正截面極限抵抗彎矩；a1為系數(shù)，按文獻(xiàn)[9]第7.1.3條的規(guī)定計(jì)算；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按文獻(xiàn)[9]表4.1.4采用；fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按文獻(xiàn)[9]表4.2.3采用；As為受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積；b為截面寬度；x為按等效矩形應(yīng)力圖計(jì)算的受壓區(qū)高度；h0為截面有效高度，h0=h-as，as為受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受拉邊緣距離，當(dāng)為一排鋼筋時(shí)，as=c+d/2，其中d為鋼筋直徑，c為混凝土保護(hù)層厚度.

(3)

(4)

根據(jù)計(jì)算需要的截面面積選用錨索直徑，錨索截面面積不應(yīng)小于計(jì)算要求截面面積.同時(shí)配筋率ρ滿足

(5)

式(5)中ρmin和ζb取值參考文獻(xiàn)[9]中的表4-1.

斜截面承載力計(jì)算.矩形截面的受彎構(gòu)件，其受剪截面應(yīng)符合下列條件：

當(dāng)hw/b≤4時(shí)，V≤0.25βcfcbh0

(6)

當(dāng)hw/b>4時(shí)，V≤0.2βcfcbh0

(7)

式(6)(7)中V為構(gòu)件斜截面上的最大剪力設(shè)計(jì)值；c為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)：當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C50時(shí)，取c=1.0；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C80時(shí)，取c=0.8；其間按線性內(nèi)插法確定；hw為截面的腹板高度：對(duì)矩形截面，取有效高度.

同時(shí)，無預(yù)應(yīng)力鋼筋矩形截面的一般受彎構(gòu)件，當(dāng)僅配置箍筋時(shí)，其斜截面的受剪承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

V≤Vcs

(8)

(9)

式(8)(9)中V為構(gòu)件斜截面上的最大剪力設(shè)計(jì)值；Vcs為構(gòu)件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承載力設(shè)計(jì)值；Asv為配置在同一截面箍筋各肢的全部截面面積：Asv=nAsv1，此外，n為在同一截面內(nèi)箍筋的股數(shù)，Asv1為單肢箍筋的截面面積；S為沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向的箍筋間距；文獻(xiàn)[9]表4.2.3-1fy值[10]采用.

ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按文獻(xiàn)[9]表4.1.4采用.

箍筋在滿足了上述規(guī)定以后，如果箍筋選得較粗而布置較稀，則可能因箍筋間距過大在兩根箍筋之間出現(xiàn)不與箍筋相交得斜裂縫，使箍筋無法發(fā)揮作用.為此參照文獻(xiàn)[9]確定箍筋得最大間距smax(見文獻(xiàn)[9]表10.2.10)，箍筋和彎起鋼筋得間距均不應(yīng)超過smax.

②內(nèi)力計(jì)算

以單向條形基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)上面分析，此地梁可認(rèn)為是彈性地基，故對(duì)單向條形基礎(chǔ)可采用winkler地基上梁法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算.

鋼筋地梁與錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種兼顧深層加固與淺層護(hù)坡的治理措施.地梁錨固是一種較新型可靠的邊坡加固技術(shù)，不需動(dòng)用大型機(jī)械設(shè)備，可使坡體盡早穩(wěn)固.地梁首先起表層護(hù)坡作用，在地梁上加錨索，錨索錨于滑動(dòng)面以下穩(wěn)定地層中，預(yù)應(yīng)力錨索主動(dòng)抗滑.

鋼筋混凝土地梁是索集中荷載通過基礎(chǔ)梁共同作用傳遞到地基上.計(jì)算了每個(gè)結(jié)點(diǎn)荷載后，地梁可以看作一個(gè)獨(dú)立的單向條形基礎(chǔ)，然后可以計(jì)算單向條形基礎(chǔ)受力后對(duì)荷載的傳遞作用見圖3圖4.

圖3 地梁錨固力學(xué)模型

圖4 地梁錨固示意圖

據(jù)文獻(xiàn)[9]規(guī)定，梁中砼采用C25，縱筋為II級(jí)螺紋筋，箍筋為I級(jí)鋼筋.其中有關(guān)參數(shù)取值為：E=3.0e7 kPa，k=3e5 kPa，按winkler地基上梁法根據(jù)錨索荷載對(duì)地梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋.縱橫梁剪力、彎矩計(jì)算如圖5圖6.

圖5 剪力分布圖

圖6 彎矩分布圖

最大剪力：Vmax=461.4 kN

最大彎矩：錨索作用點(diǎn)處截面Mmax=338.42 kN·m，跨中最大負(fù)彎矩|Mmin|=21.12 kN·m.

③結(jié)構(gòu)方案確定

縱筋計(jì)算．按受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算縱筋，鋼筋保護(hù)層按50 mm計(jì).

錨索作用點(diǎn)處截面Mmax=338.42 kN·m.選用6Φ28的II級(jí)螺紋筋；

跨中最大負(fù)彎矩|Mmin|=21.12 kN·m.選用3Φ28的II級(jí)螺紋筋；

箍筋選擇．在剪力最大值處截面即錨索作用點(diǎn)處截面進(jìn)行縱梁的斜截面承載能力計(jì)算，Vmax=461.4 kN，根據(jù)計(jì)算Vc=194.38 kNVmax，不需再配置彎起筋.對(duì)格構(gòu)縱橫梁交叉處一定范圍內(nèi)縱橫梁內(nèi)箍筋應(yīng)加密，加密范圍為左右各500 mm間距內(nèi)采用Φ12@50.

人工邊坡巖土力學(xué)性質(zhì)因結(jié)構(gòu)特征的差異，穩(wěn)定性不同，治理施工條件的不同，如何科學(xué)合理確定治理方案，確定工程結(jié)構(gòu)，是一個(gè)復(fù)雜的問題.

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