預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

陶學(xué)俊

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

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預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

陶學(xué)俊

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

摘要以湖南岳陽某高速公路路塹高邊坡工點(diǎn)為例，介紹邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)思路、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算、邊坡錨固計(jì)算流程和要點(diǎn)，包括錨固力、錨桿間距、錨桿長度和錨固角等，并提出施工和監(jiān)測(cè)方面的注意事項(xiàng)。邊坡錨固是一個(gè)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)錨固方案的合理性、安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合論證分析，選擇最佳方案，并需做好前期勘察和后期監(jiān)測(cè)工作。

關(guān)鍵詞高邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿錨固防護(hù)

路塹邊坡治理是公路和鐵路建設(shè)中比較常見的問題，但近年來依然頻見邊坡事故的發(fā)生，如何對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確分析并提出經(jīng)濟(jì)安全的加固方案，值得深入研究。邊坡錨固是一種發(fā)展中的加固措施，預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護(hù)工程中得到了大范圍的應(yīng)用，并取得良好的加固效果[1-5]。

1工程概況

1.1地形地貌及氣候條件

湖南岳陽某高速公路有一長達(dá)12 km的路段，地層主要由燕山期花崗巖構(gòu)成，地貌形態(tài)相對(duì)簡單，屬于構(gòu)造侵蝕、剝蝕地貌，大部分為低矮的圓緩狀丘陵山體和谷地。

項(xiàng)目所在地區(qū)處于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的地帶，其氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候。年平均降水量為1 200～1 300 mm，雨水多集中在3～8月，約占全年降雨量69%。

1.2工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪及鉆探成果，場(chǎng)地內(nèi)分布的地層主要有第四系覆蓋層和燕山期花崗巖，地層巖性單一，構(gòu)造不發(fā)育，地質(zhì)條件簡單。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。域內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，對(duì)應(yīng)中國地震烈度區(qū)劃圖的地震基本烈度為6度區(qū)。

本路段地表水主要為河流支流沖溝水，地表徑流量變化顯著，年際間豐、平、枯交替明顯，溪溝水位受降水量影響明顯，山洪對(duì)路基及構(gòu)筑物存在較強(qiáng)的沖刷作用。路線區(qū)地下水按照地下水賦存條件及運(yùn)移特征可劃分為孔隙水和基巖裂隙水兩類。孔隙水主要賦存于河流階地的砂、卵石層、山坡，以及山間谷地坡積成因的粉土、砂土層中，以大氣降水及地表水補(bǔ)給為主?；鶐r裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙、層間裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中，以風(fēng)化裂隙含水為主，主要靠大氣降水通過松散堆積層間接補(bǔ)給或上層地下水的補(bǔ)給，部分基巖裸露的山體為降水直接補(bǔ)給。

本路段因挖方產(chǎn)生很多高邊坡，下面以K12+880～K13+120段左側(cè)的深路塹邊坡為例進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和錨固設(shè)計(jì)。該段邊坡原地面坡度10°～15°，用地界有一定限制。

2邊坡穩(wěn)定性分析

本段邊坡受地形地貌限制，開挖高度較大，根據(jù)邊坡高度、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、排水措施、施工方法，并結(jié)合沿線區(qū)域既有邊坡綜合調(diào)查結(jié)果，采取臺(tái)階式邊坡。邊坡坡率：頂層邊坡坡率為1∶1.25，其他層邊坡坡率為1∶1.0。臺(tái)階式邊坡每隔8 m設(shè)一級(jí)平臺(tái)，平臺(tái)寬2 m。邊坡刷至自然山坡坡頂，最高達(dá)31 m。

取K12+980處的邊坡橫斷面為算例，進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提供的資料，各土層計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　土層分布及計(jì)算參數(shù)

開挖后的人工邊坡計(jì)算模型如圖1所示，邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2，其結(jié)果不滿足相應(yīng)規(guī)范要求，需對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。

圖1　開挖后的人工邊坡計(jì)算模型

計(jì)算方法瑞典法Bishop法Janbu法安全系數(shù)值0.9631.0971.025

3邊坡錨固設(shè)計(jì)

根據(jù)該段邊坡地形特點(diǎn)、地質(zhì)情況以及用地限制條件，對(duì)抗滑擋墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨桿框架等路基防護(hù)和支擋方案作經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較后，采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架并結(jié)合排水措施對(duì)該路塹高邊坡進(jìn)行加固。

3.1錨固力計(jì)算

在對(duì)錨固邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，需要將錨固作用力簡化。有兩種簡化的方式，一是將錨力簡化為作用于滑面上的一個(gè)集中力，二是將錨力簡化為作用于坡面上的一個(gè)集中力。為安全起見，一般采用兩種方法計(jì)算結(jié)果的較小值，錨固作用力的簡化如圖2所示[6-8]。

圖2　錨固作用力的簡化

邊坡加固力按公式(1)進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中T——錨桿設(shè)計(jì)錨固力/kN；

E——邊坡下滑力/kN；

α——錨桿與滑動(dòng)面相交處的滑動(dòng)面傾角/(°)；

β——錨桿與水平面的夾角/(°)；

φ——滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角/(°)。

根據(jù)公式(1)，算得該單位厚度邊坡所需的錨固力為732 kN。

3.2預(yù)應(yīng)力錨桿間距

當(dāng)錨桿的水平間距和垂直間距設(shè)置過小時(shí)，容易產(chǎn)生群錨效應(yīng)，導(dǎo)致錨固力降低；當(dāng)設(shè)置過大時(shí)，容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象(因?yàn)閱胃^桿承載力過大)。錨桿的水平間距和垂直間距一般應(yīng)控制在1.5 m至4.0 m之間。在本邊坡錨固中，水平間距為3.0 m，垂直間距為4.0 m。

3.3預(yù)應(yīng)力錨桿長度

預(yù)應(yīng)力錨桿總長度主要包括錨固段長度和自由段長度。

錨固體的承載能力一般由三部分控制：地層與注漿體的粘結(jié)強(qiáng)度、注漿體與錨桿體的粘結(jié)強(qiáng)度以及錨桿強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)取三者小值。

地層與注漿體的粘結(jié)長度按公式(2)進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中La——地層與注漿體的粘結(jié)長度/m；

K——預(yù)應(yīng)力錨桿錨固體設(shè)計(jì)安全系數(shù)；

ζa——地層和錨固體粘結(jié)工作條件系數(shù)，永久性錨桿取1.0；

da——錨固段鉆孔直徑/m；

fa——地層與注漿體的粘結(jié)強(qiáng)度/kPa；

其余符號(hào)意義同前。

注漿體與錨桿體的粘結(jié)長度按公式(3)進(jìn)行計(jì)算

(3)

式中Lb——注漿體與錨桿體的粘結(jié)長度/m；

ζb——砂漿和錨固體粘結(jié)工作條件系數(shù)，永久性錨桿取0.6；

db——錨桿體材料直徑/m；

fb——注漿體與錨桿體的粘結(jié)強(qiáng)度/kPa；

n——錨桿體根數(shù)。

其余符號(hào)意義同前。

確定錨桿錨固段長度時(shí)，分別對(duì)錨桿粘結(jié)長度La和Lb進(jìn)行計(jì)算，并取兩者中的大值。本工點(diǎn)邊坡取10 m。

一般由穩(wěn)定地層界面決定錨桿自由段的長度，在本邊坡中自由段伸入滑動(dòng)面的長度為不小于1 m。

3.4預(yù)應(yīng)力錨桿錨固角

錨桿布設(shè)方向在邊坡預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵。理論上講，逆滑動(dòng)方向布設(shè)是最佳的布設(shè)角度，但實(shí)際施工時(shí)因受到現(xiàn)場(chǎng)條件等限制，只能按照一定方向布設(shè)。為了達(dá)到比較有效的加固效果，應(yīng)盡可能選擇比較合適的錨固角度。本邊坡在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過綜合經(jīng)濟(jì)比選，錨桿錨固角取與水平面呈20°夾角下傾。

3.5邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果

邊坡工點(diǎn)斷面K12+980最終設(shè)計(jì)如下：

第一、二、三級(jí)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架加固，設(shè)置2排，設(shè)計(jì)錨固力450 kN。第一級(jí)邊坡第一排錨桿長16 m，第二排錨桿長18 m。第二級(jí)邊坡第一排錨桿長20 m，第二排錨桿長22 m。第三級(jí)邊坡第一排錨桿長20 m，第二排錨桿長20 m。

路塹邊坡錨固結(jié)果如圖3所示。

圖3　路塹邊坡錨固結(jié)果(單位：m)

3.6條分法土條應(yīng)力

用條分法對(duì)錨固邊坡滑動(dòng)面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，土條底部法向力曲線和切向力曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4　土條底部法向力曲線

圖5　土條底部切向力曲線

3.7坡面防護(hù)和排水措施

為保證邊坡開挖及運(yùn)營工程中坡面穩(wěn)定，防止雨水沖刷及坡面松弛，改善美化坡面景觀，采取骨架護(hù)坡及錨桿框架內(nèi)厚層基材噴射植被防護(hù)等工程措施。

本段邊坡坡體地下水發(fā)育，設(shè)計(jì)采用仰斜排水孔引排地下水。路塹頂5 m外設(shè)置截水溝，將地表水引入邊溝中。

4施工和監(jiān)測(cè)

4.1施工注意事項(xiàng)

(1)土石方工程

對(duì)于設(shè)有錨固工程的路塹高邊坡土石方工程開挖，在進(jìn)行下一級(jí)邊坡的土石方開挖前，需等到上一級(jí)邊坡全部實(shí)施完錨固工程且產(chǎn)生加固力，按照由上而下的開挖施工順序逐級(jí)進(jìn)行開挖和加固，這樣才能保證邊坡體的穩(wěn)定和錨固結(jié)構(gòu)的安全。

對(duì)于石方邊坡開挖，為了盡量減少爆破施工產(chǎn)生的巖體結(jié)構(gòu)破壞，接近路塹邊坡工程部位嚴(yán)禁采用大爆破，在距離設(shè)計(jì)坡面一定范圍內(nèi)采用光面控制爆破，一般通過爆破震動(dòng)影響監(jiān)測(cè)的結(jié)果確定具體范圍。

(2)錨桿施工[9-10]

鉆孔鉆進(jìn)過程中禁止水沖，在鉆進(jìn)過程中如果遇到嚴(yán)重坍孔，應(yīng)立即停鉆并進(jìn)行灌漿固壁處理，灌漿36 h后再掃孔鉆進(jìn)。錨孔內(nèi)灌注M30水泥砂漿，水灰比和灰砂比具體值應(yīng)通過試驗(yàn)確定，必要時(shí)可適當(dāng)增加外加劑。錨桿注漿應(yīng)采用孔底返漿法進(jìn)行注漿。

4.2邊坡監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

監(jiān)測(cè)有兩種，一種是施工期監(jiān)測(cè)，另一種是運(yùn)行期監(jiān)測(cè)。施工過程中，開挖和降雨等因素會(huì)影響其實(shí)施效果，進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)有利于掌握邊坡變形特點(diǎn)以及影響程度，從而檢驗(yàn)施工質(zhì)量以及邊坡治理的效果。

在本預(yù)應(yīng)力錨固工程中，各階段的監(jiān)測(cè)主要有兩項(xiàng)內(nèi)容：一是錨桿體本身的監(jiān)測(cè)，另一項(xiàng)是對(duì)錨固對(duì)象即深路塹邊坡的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)具體項(xiàng)目主要包括地表變形監(jiān)測(cè)、深孔位移監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)工作時(shí)間主要為施工期和公路營運(yùn)初期，邊坡開挖和雨季時(shí)相應(yīng)加密監(jiān)測(cè)次數(shù)。

該邊坡已完成施工一年，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力錨桿在該邊坡防護(hù)中得到了較好的應(yīng)用。

5結(jié)論

邊坡防護(hù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析資料，鑒別邊坡的破壞模式，確定邊坡不穩(wěn)定程度及范圍，對(duì)錨固方案的合理性、安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合論證分析。通過采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架對(duì)本路段路塹高邊坡進(jìn)行加固，有效防止了邊坡失穩(wěn)破壞，取得了較好效果。邊坡錨固是一個(gè)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和加固方案計(jì)算比較，另外還需做好前期勘察及后期監(jiān)測(cè)工作。

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收稿日期：2016-03-07

作者簡介：陶學(xué)俊(1984—)，男，2009年畢業(yè)于河海大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0040-03

中圖分類號(hào)：TU753.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

The Application of Prestressed Anchor in Cutting Slope Protection

TAO Xuejun