典型軟弱破碎巖石邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架失效原因分析

彭　興，姜　睿，張玉芳，魏少偉(.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京　0008;.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明　65004;.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　0008)

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典型軟弱破碎巖石邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架失效原因分析

彭興1，姜睿2，張玉芳3，魏少偉3
(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明650041;3.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:通過對云南省元綠(元陽至綠春)二級公路LK7 + 800—LK8 + 030右側(cè)路塹邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架失效的現(xiàn)場調(diào)查，從工程地質(zhì)、變形跡象、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)等多方面對錨索框架的失效原因進行分析，然后提出軟弱破碎巖石邊坡中預(yù)應(yīng)力錨索框架的適用性，并提出合理的處治對策，可為預(yù)應(yīng)力錨索框架設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞:破碎巖石邊坡輕型支擋錨索失效預(yù)應(yīng)力錨索框架

上世紀(jì)80年代中后期至90年代，由于預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)理論研究和施工工藝的突破性發(fā)展，預(yù)應(yīng)力錨索框架在邊坡病害整治中得到廣泛的運用和發(fā)展［1-3］。預(yù)應(yīng)力錨索框架主要用于深層加固，對不同的邊坡坡率均有很強的適用性［4-7］。但在實際工程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡病害往往具有特殊性，按照經(jīng)驗來設(shè)計、使用預(yù)應(yīng)力錨索框架有時會造成工程的失敗［8-9］。造成錨索失效的原因有很多，如預(yù)應(yīng)力損失［10］、錨固力不足、錨索腐蝕等;在不適用的地質(zhì)環(huán)境條件下使用錨索框架，也是導(dǎo)致錨索失效的一個重要原因。

本文針對云南省元綠二級公路LK7 + 800—LK8 + 030右側(cè)路塹邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架失效案例，分析工程失效原因，總結(jié)在軟弱破碎巖石邊坡中預(yù)應(yīng)力錨索框架的適用性，提出錨索失效的補救措施。

1　工程地質(zhì)條件

1.1地形地貌

該邊坡位于構(gòu)造侵蝕中山地貌區(qū)，原為水田種植區(qū)，整體坡度約20°～30°，坡面凹凸起伏，邊坡左右以溝為界。挖方邊坡從斜坡中下部直線穿過，坡高約35 m，坡率約1∶1.0。線路走向307°，坡向217°。邊坡全貌見圖1。

圖1　邊坡全貌

1.2地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭露，路塹區(qū)地層自上而下依次為含碎石粉質(zhì)黏土，全～中風(fēng)化片麻巖，各層分述如下。

①含碎石粉質(zhì)黏土:坡積物，黃褐～深褐色，可塑～硬塑狀，濕，碎石含量10%～15%，直徑1～6 cm，棱角狀或次棱角狀，為強風(fēng)化片麻巖。揭露厚度2.0～6.2 m。

②全～強風(fēng)化片麻巖:深灰色或黃褐色，全風(fēng)化巖層礦物成分已破壞，風(fēng)化呈砂土或黏土狀，含少量角礫、碎石;砂土為深灰色，以細砂為主，為全風(fēng)化石英片麻巖;黏土以黃褐色為主，黏粒成分主要為云母，為全風(fēng)化云母片麻巖。強風(fēng)化巖層呈薄層狀，碎裂～松散結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層呈塊石、碎石狀。揭露厚度5.0～21.4 m。

③中風(fēng)化片麻巖:灰～深灰色，巖質(zhì)堅硬，巖芯呈5～10 cm短柱狀，個別巖芯長20 cm，巖石局部可見云母條帶，揭露厚度3.2～6.5 m。

1.3地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，線路走向為303°，巖層產(chǎn)狀為28°∠44°，巖層反傾，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，整體較破碎?，F(xiàn)場測量得到6組節(jié)理面，產(chǎn)狀分別為18°∠79°，3°∠84°，292°∠52°，42°∠67°，279°∠24°，324°∠73°。

1.4水文地質(zhì)

邊坡頂部以上斜坡為種植水田，地表水豐富，四季長流。LK7 + 800—LK7 + 880邊坡坡面受雨水沖刷嚴(yán)重(錨索框架梁損壞區(qū)域);地表水一部分沿斜坡流向左右溝谷，一部分沿基巖裂隙下滲，轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅鳌?/p>

邊坡地下水主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水。因水田能保水，故邊坡松散層底部為相對隔水帶?；鶐r裂隙水賦存于基巖裂隙中，受遠處地下水的補給，水量大，坡腳擋墻墻后巖體滲水嚴(yán)重，在旱季調(diào)查期間，巖石也較為潮濕;雨季則更為明顯。

2　現(xiàn)場病害及原因分析

對邊坡進行現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)病害情況，將該工點分為3個區(qū)。病害Ⅰ區(qū)范圍為LK7 + 800—LK7 + 880，沿線路方向長約80 m。病害Ⅱ區(qū)范圍為LK7 + 880—LK7 + 940，沿線路方向長約60 m。病害Ⅲ區(qū)范圍為LK7 + 940—LK8 + 030，沿線路方向長約90 m。

為保證邊坡安全，對邊坡進行了深孔位移監(jiān)測與錨索應(yīng)力監(jiān)測。在病害Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)布置深孔位移監(jiān)測點，其位置見圖2;在病害Ⅲ區(qū)LK7 + 994斷面共設(shè)9排錨索，從下往上第4和第9個錨點設(shè)置錨索測力計。

圖2　深孔位移監(jiān)測點布置

2.1病害Ⅰ區(qū)

該區(qū)變形最嚴(yán)重，邊坡錨索框架梁整體破壞，破壞時錨索已張拉(見圖3)。邊坡頂部以上斜坡水田出現(xiàn)多級坍塌，分布多條后緣裂縫，裂縫下錯約1～2 m，走向277°～291°，滑動方向約186°。最后緣位于斜坡小路上，距線路水平距離約142.5 m。

圖3　病害Ⅰ區(qū)錨索框架已破壞

圖4為病害Ⅰ區(qū)1-1斷面。從圖4可以看出，ZK1位移變化很小，管頂位移≤5 mm，這說明目前邊坡變形范圍未達到ZK1位置。ZK2布置在斜坡上水田處，從圖中可以看出，ZK2變形較大，孔口位移超過100 mm，位移在距孔口0～2 m處尤其明顯;最大的變形位置埋深在距孔口約21 m處。ZK3布置在邊坡頂部坍塌部位，從圖中可以看出，ZK3受坍塌作用，變形在3個孔中最大，孔口位移超過200 mm，最大的變形位置埋深在距孔口約20 m處。

2.2病害Ⅱ區(qū)

該區(qū)邊坡錨索框架未破壞，但框架底部懸空(見圖5);邊坡頂部以上斜坡水田發(fā)生淺層滑動，滑動方向約217°，剪出口位于邊坡坡頂平臺水溝附近，水溝靠河側(cè)被擠壓出現(xiàn)明顯放射性彎張裂縫(見圖6)，后緣距剪出口水平距離(平行滑動方向)約23.0 m。

由監(jiān)測資料得知，整個測斜孔監(jiān)測期(2012年6 月12日—2012年12月31日)ZK5位移變化不大，管頂位移不超過7 mm，可以認(rèn)為ZK5變形穩(wěn)定。ZK4變形較大，孔口位移超過60 mm。因此該區(qū)只是在坡頂發(fā)生了淺層滑動。

圖4　病害Ⅰ區(qū)1-1斷面(圖中深孔水平位移值為真實值的500倍)

圖5　病害Ⅱ區(qū)錨索框架懸空

圖6　水溝出現(xiàn)放射性彎張裂縫

2.3病害Ⅲ區(qū)

該段邊坡整體較穩(wěn)定，僅在邊坡頂部水溝平臺靠山側(cè)因開挖形成4 m左右的陡壁，在陡壁后緣形成小型坍塌。調(diào)查期間該段尚未施工框架梁，待錨索框架施工完成，在LK7 + 994斷面從下往上第4和第9個錨點設(shè)置錨索測力計，其監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示。

圖7　MS-1測力計拉力值

從圖7、圖8可以看出，2組錨索測力計所監(jiān)測的錨索并沒有張拉至設(shè)計拉力，并且在安裝完成10 d內(nèi)分別迅速降低40，20 kN，錨索應(yīng)力損失明顯;之后錨索拉力緩慢降低直至基本穩(wěn)定。錨索拉力損失除與錨具質(zhì)量、張拉工藝等有關(guān)外，邊坡坡面巖土較軟弱也是主要原因。整個監(jiān)測期錨索拉力未出現(xiàn)突然增大，說明病害Ⅲ區(qū)邊坡整體較穩(wěn)定。

圖8　MS-2測力計拉力值

2.4原因剖析

從上述描述可以看出，病害Ⅰ區(qū)錨索框架整體失效;病害Ⅱ區(qū)病害為塹坡坡頂以上自然坡體(水田)的淺層滑動;病害Ⅲ區(qū)邊坡整體較穩(wěn)定，但由于坡面巖土軟弱，錨索預(yù)應(yīng)力損失最大超過50%。該工點主要病害為錨索框架失效，其病害原因包括以下幾方面:

1)該工點基巖軟弱破碎，公路開挖導(dǎo)致塹坡上部巖土體松弛，并誘發(fā)由下而上的逐步坍塌。預(yù)應(yīng)力錨索作為主要受力構(gòu)件，其錨索錨固段強度不足。從圖4所示的設(shè)計斷面可知，錨索錨固段并未深入穩(wěn)定地層，導(dǎo)致錨索能承受的錨固力有限，這是錨索框架失效的主要原因。

2)路塹邊坡坡面較軟弱，尤其在地下水發(fā)育區(qū)域軟化作用明顯，造成錨索張拉后預(yù)應(yīng)力損失較大，難以達到設(shè)計錨固力;施工過程也未及時對錨索進行補張拉，也是錨索框架失效的重要原因。

3)預(yù)應(yīng)力錨索框架底部豎肋懸空，一方面無法抑制豎肋與坡腳擋墻之間塹坡坡面巖土體在地下水作用下的軟化，另一方面也會對錨索產(chǎn)生向下剪切力，對錨索受力不利。

3　處治對策

1)在坡腳設(shè)置高出路面4.0 m的抗滑擋墻;拆除已損毀錨索框架，重新設(shè)置錨索框架，錨索框架豎肋支撐在擋墻頂面，保證錨索深入穩(wěn)定地層10.0 m以上，并在施工過程中及時補張拉;塹坡坡面及時植草，并在地下水出露較多區(qū)域采用仰斜排水孔疏干，以減小動靜水壓力。

2)塹坡頂部以上整體削方減載，坡率保持在20°左右，并將原水田改為旱地。

4　結(jié)論

對于軟弱破碎巖石邊坡，采用預(yù)應(yīng)力錨索框架，應(yīng)注意以下幾點:

1)預(yù)應(yīng)力錨索錨固段應(yīng)深入破碎巖層以下穩(wěn)定基巖中，以提供足夠的錨固力;如穩(wěn)定基巖較深，建議對錨固段進行二次注漿加固，提高錨固地層巖體強度。

2)塹坡巖土軟弱破碎，在錨索預(yù)應(yīng)力作用下坡面壓縮變形較大，會造成較大的預(yù)應(yīng)力損失。建議在施工過程中及時進行補張拉，并增大框架梁寬度。

3)在軟弱破碎巖層中使用預(yù)應(yīng)力錨索框架，要確保錨索豎肋支撐在擋墻或地基上，使錨索框架豎向荷載得到分擔(dān)，提高錨索框架受力性能。

4)在軟弱破碎巖層邊坡中進行預(yù)應(yīng)力錨索框架施工，要特別注意分級張拉及多次補張拉，減小預(yù)應(yīng)力損失。

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(責(zé)任審編周彥彥)

Failure Causes Analysis of Prestressed Anchor Cable Frame for Typical Weak and Broken Rock Slope

PENG Xing1，JIANG Rui2，ZHANG Yufang3，WEI Shaowei3

(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.Yunnan Broadvision Engineering Consultants，Kunming Yunnan 650041，China;3.Railway Engineering Research Institue，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Based on the field investigation of the failing prestressed anchor cable frame for the right side cutting slope in Yunnan Yuanyang－Lvchun secondary road LK7 + 800－LK8 + 030，failure causes of anchor cable frame were analyzed from such aspects as engineering geology，deformation signs and field monitoring data，the applicability of prestressed anchor cable frame for weak and broken rock slope and some reasonable treatment measures were put forward，which could provide a reference for prestressed anchor cable frame design.

Key words:Broken rock slope;Light retaining;Anchor cable failure;Prestressed anchor cable frame

作者簡介:彭興(1990—)，男，碩士研究生。

收稿日期:2015-10-08;修回日期:2015-12-21

文章編號:1003-1995(2016)03-0104-04

中圖分類號:TU417.1

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.26