某黃土高邊坡預應力錨索極限抗拔力對比試驗及支護優(yōu)化設計

吳西臣

(中煤科工集團武漢設計研究院，湖北武漢 430064)

1 工程概況

擬建的山西某電廠建設規(guī)模為2×50 MW汽輪發(fā)電機組配3×220 t/h循環(huán)床鍋爐。該電廠傍山而建，場地平整后在主廠房西側形成了最高達40 m的黃土高邊坡，同時在該高邊坡上擬建一條永久性公路，該邊坡的穩(wěn)定與否直接關系到主廠房的安全。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 自然地理及氣象

擬建電廠東距太原市約10 km，由公路和鐵路相通，交通便利。

該區(qū)屬大陸性半干旱氣候區(qū)，降水量最低在1月，平均4～6 mm;最高在7月，平均140～160 mm;年平均降水量400～600 mm，年蒸發(fā)量平均1 500～1 700 mm。標準凍結深度為100 cm。

2.2 地形地貌

本邊坡的地貌為低山山間溝谷地貌，原始地形最高標高為1 017.55m，最低標高為982.46m，最大高度約35.0 m;坡中標高1 002 m處平臺中建有煤泥棚;分級臺階坡度約35°。

2.3 邊坡地層結構

本高邊坡坡體主要地層為人工填土層、上更新統(tǒng)馬蘭黃土和中更新統(tǒng)離石黃土，下伏基巖為二疊系石盒子組砂巖夾泥巖。坡面上有少量全新統(tǒng)坡洪積層。

①層素填土(Qml) 灰—灰褐色，稍密，主要由粉質(zhì)粘土和粉土組成，含大量灰渣、磚塊。零星分布于坡頂平臺中，最大揭露厚度2.8 m。

②層黃土狀粉土(Q4dl+pl) 褐黃色，稍濕狀態(tài)，大孔隙多，干強度低，韌性低，屬中等壓縮性土。主要分布于邊坡上部表層。鉆孔揭露厚度2.0～3.5 m。

③層馬蘭黃土(Q3eol) 以粉土為主，局部夾薄層粉質(zhì)粘土，黃—褐黃色，呈稍濕、稍密狀，土質(zhì)均勻，含少量姜石，干強度低，韌性低。屬中等壓縮性土層，具濕陷性。鉆孔揭露厚度6.0～14.0 m。

④層離石黃土(Q2eol) 主要為粉質(zhì)粘土，為棕紅、褐紅色，局部夾黃褐—褐色粉土?？紫遁^少，土質(zhì)不均勻，含大量姜石。屬中等壓縮性土層。鉆孔揭露厚度2.0 ～15.7 m。

⑤層砂巖夾泥巖(P2s1) 灰黃、灰綠、灰黑色砂巖夾紫紅色、杏黃色泥巖，鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結，中—厚層狀，產(chǎn)狀:走向 55°∠11°，傾向坡內(nèi)。

2.4 水文地質(zhì)條件

邊坡開挖深度范圍內(nèi)未見地下水，邊坡水文地質(zhì)簡單，基本不受地下水的影響。

2.5 設計參數(shù)

邊坡巖土體物理力學參數(shù)見表1。

3 邊坡穩(wěn)定性評價及支護方案

本邊坡原始坡高約35 m，為兩級臺階，坡度35°，經(jīng)調(diào)查及邊坡穩(wěn)定性分析計算，坡體及坡頂無明顯位移及裂縫發(fā)育，整體穩(wěn)定性良好。

按照廠區(qū)規(guī)劃，擬在本邊坡坡腳修建電廠主廠房，將對坡腳進行切坡開挖，且其平場標高為976.5 m，將形成高度達40 m的人工高邊坡。另外，邊坡上部996.5 m標高處將修建一條永久性公路，為廠區(qū)重載車輛行車通道，長期車輛動荷載作用對邊坡穩(wěn)定性十分不利。

表1 巖土物理力學參數(shù)表Table 1 Parameter table of geotechnical physics-mechanics

受邊坡周邊環(huán)境限制，邊坡放坡開挖坡率無法滿足自穩(wěn)要求［1］。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算結果，如不采取有效的支護措施，邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅1.053，存在失穩(wěn)可能。邊坡一旦失穩(wěn)將對電廠主廠房造成毀滅性的破壞。因此，必須進行邊坡支護。

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件，結合地區(qū)邊坡支護經(jīng)驗，擬采用分級放坡開挖，其中擬建道路標高以上部分邊坡維持原有坡率不變，僅進行局部消坡平整綠化。道路以下分兩級放坡開挖，一級坡坡高6.5 m，坡度30°，坡面采用錨桿+噴射混凝土面板支護;二級坡坡高11.50 m，坡率1∶0.75，坡面采用預應力錨索 +格構豎梁+噴射混凝土面板的加固治理措施;坡中990.0 m標高處設2.0 m寬馬道。

4 預應力錨索極限抗拔力對比試驗

巖土體與錨固體粘結強度特征值是錨索設計的重要參數(shù)之一。施工前開展錨索基本試驗，其目的是確定錨索設計參數(shù)和施工工藝，為邊坡優(yōu)化設計提供依據(jù)。

4.1 試驗錨索布置

考慮到場地工程地質(zhì)條件的差異，共布置2組試驗錨索。其中1組布置3根一次常壓注漿錨索，試驗錨索編號為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3;1組布置4根二次高壓注漿錨索，試驗錨索編號為Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4。

4.2 試驗錨索設計及施工參數(shù)

表2 試驗錨索設計及施工參數(shù)一覽表Table 2 Schedule of anchorage cables design and construction parameter

4.3 錨索試驗設備

錨索試驗張拉設備采用輕型油壓千斤頂。試驗設備安裝如下:

(1)錨索周圍2.0 m×1.5 m范圍內(nèi)土層整平，并澆筑50 mm厚砂漿墊層;

(2)砂漿墊層上安裝20 mm厚2.0 m×1.2 m鋼板;鋼板上安裝4根長1.2 m的橫鋼軌及2根長2.0 m豎鋼軌;

(3)豎鋼軌上安裝3塊400mm×400mm的20mm厚鋼墊板;鋼墊板上安裝工作錨具及油壓千斤頂?shù)妊b置。

4.4 錨索試驗方法及步驟

錨索試驗方法和加載步驟按照《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330—2002)［2］及《土層錨桿設計與施工規(guī)范》(CECS22∶90)［3］等有關規(guī)定進行。

(1)預計破壞荷載400 kN，初始荷載從40 kN開始施加;

(2)加荷前，先用80 kN對錨索預拉2次，以使錨索拉直和保證千斤頂、基座接觸緊密;

(3)按相關規(guī)定進行六個循環(huán)的加載試驗，繪制Q(荷載)—S(位移)曲線，填寫試驗記錄;

(4)400 kN以后，每級增加40 kN，直至破壞。

4.5 錨索試驗成果及分析

根據(jù)試驗結果繪制的錨索拉力與位移關系典型曲線詳見圖1～圖2。

圖1 一次常壓注漿試驗成果Fig.1 Test results of common pressure grouting

圖2 二次高壓注漿試驗成果Fig.2 Test results of second high-pressure grouting

從表3中可以看出，二次高壓注漿與一次常壓注漿相比錨索極限承載力可提高56%。

表3 錨索試驗成果對比分析表Table 3 Comparative analysis of anchorage cable results

另一方面，采用二次高壓注漿對一次常壓注漿所形成的圓柱形錨固體外土體進行劈裂注漿加固、擠密，提高了錨固體周邊土體強度及兩者咬合程度［4］，致使其在控制位移方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，同在360 kN拉力作用下，前者位移僅83 mm，后者位移達133 mm，減小位移達37.6%。

5 優(yōu)化設計及治理效果

5.1 優(yōu)化設計

根據(jù)穩(wěn)定性計算結果，共布置二次高壓注漿預應力錨索 9排，錨索水平間距為1.25 m，垂直間距1.2 m，直徑為150 mm，方形布置(圖3)。注漿采用水灰比為 0.45 ～0.50 的純水泥漿，水泥為 P.O42.5R。第一次注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿量為每米水泥用量不少于30 kg;二次注漿壓力為2 MPa。錨索設計參數(shù)詳見表4。

表4 錨索設計參數(shù)表Table 4 Parameter table of anchorage cables design

圖3 支護結構剖面圖Fig.3 Profile of supporting structure

5.2 錨索驗收試驗

在錨索施工完成后，在892根錨索中隨機抽取58根錨索進行驗收檢測。錨索設計錨固力Nt=200 kN，在1.5 Nt荷載作用下，錨頭位移穩(wěn)定，總彈性位移滿足驗收試驗標準。

5.3 邊坡位移監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，施工期間邊坡最大水平位移為7.5 mm，最大沉降僅8.7 mm，邊坡變形一直控制在允許范圍之內(nèi)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);施工完成后，邊坡在一年運營期內(nèi)水平位移最大僅4.12 mm，垂直沉降僅3.00 mm，表明邊坡穩(wěn)定性良好。

6 結論與建議

通過一次常壓注漿及二次高壓注漿錨索極限抗拔力對比試驗確定了錨索設計參數(shù)。同時，由于采用二次高壓注漿工藝，使得錨索的承載力提高了50%余，整個錨索加固區(qū)共布置18 703 m二次高壓注漿型錨索，與一次常壓注漿型錨索相比，工程量減少了近10 000 m，工程造價節(jié)省250多萬元。由于工程量的減少縮短了工期，保證了邊坡穩(wěn)定安全，確保了電廠提前發(fā)電，產(chǎn)生了很大的間接經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］常士驃，張?zhí)K民，主編.工程地質(zhì)手冊［S］.第四版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］GB50330—2002，建筑邊坡工程技術規(guī)范［S］.

［3］CECS22∶90，土層錨桿設計與施工規(guī)范［S］.

［4］閆莫明，徐禎祥，蘇自約，主編.巖土錨固技術手冊［S］.北京:人民交通出版社，2004.