黃土地區(qū)高陡斜坡溜坍下滑治理研究

馬強中

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，蘭州　730000)

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黃土地區(qū)高陡斜坡溜坍下滑治理研究

馬強中

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，蘭州730000)

摘要：根據(jù)黃土高陡斜坡溜坍下滑的現(xiàn)狀、特點、地質(zhì)情況等，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁預(yù)加固坡腳，通過檢算各級邊坡的最不利圓弧滑動面，設(shè)置錨索格梁、十字形錨桿格梁加固防護(hù)各級邊坡，可有效治理高陡斜坡的溜坍下滑。研究闡明本項目的邊坡設(shè)計參數(shù)、設(shè)計檢算與工程設(shè)置情況，為類似工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū)；高邊坡；分級穩(wěn)定；預(yù)加固；錨固樁；預(yù)應(yīng)力錨索

分級穩(wěn)定及坡腳預(yù)加固技術(shù)，是對高邊坡從上到下分級加固防護(hù)，下部坡腳采用錨固樁[1]進(jìn)行預(yù)加固。針對王洼線清石河特大橋10號墩大里程側(cè)岸坎高陡黃土邊坡溜坍下滑的現(xiàn)狀、特點、地質(zhì)情況等，高陡黃土邊坡下部坡腳采用預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁進(jìn)行預(yù)加固，穩(wěn)住坡腳；由于10號墩位于坡頂，錨固樁樁頂以上四級邊坡坡率均為1∶0.75，為了加強邊坡的穩(wěn)定性，樁頂一級、二級坡面防護(hù)設(shè)計為錨索格梁工程，樁頂三級、四級坡面防護(hù)設(shè)計為十字形錨桿格梁工程。經(jīng)鐵三院、鐵一院等各方巖土專家現(xiàn)場踏勘、論證，分級穩(wěn)定及坡腳預(yù)加固技術(shù)[2]，在治理清石河特大橋10號墩大里程側(cè)岸坎高陡黃土邊坡溜坍下滑中，是完全適合現(xiàn)場情況的綜合治理措施。

濕陷性黃土高邊坡溜坍下滑治理的案例在鐵路、公路等工程中比較多，但清石河特大橋斜坡溜坍下滑的特點是斜坡頂上為10號墩，坡腳為清石河河床及11號墩，斜坡高度55 m，原邊坡接近1∶1，局部陡峭，在11號墩施工中及施工后，斜坡多次發(fā)生溜坍下滑，下滑面積及下滑土方均比較大，為治理措施和施工帶來極大困難。

1清石河特大橋及岸坎邊坡概況

清石河特大橋為原州區(qū)至王洼線中唯一一座特大橋，橋址位于固原市高莊村大坪隊東北部，橫跨清石河深切溝谷，橋址處溝槽于平地下切深約55 m。橋位處溝槽較順直，溝底比降約為0.4%。兩岸植被一般，溝床為黃土質(zhì)溝床，溝內(nèi)有少量的常流水；小里程側(cè)岸坎較陡，基本呈直立狀，但坡面較整齊，溝頂為平坦耕地；大里程側(cè)岸坎較小里程側(cè)稍緩，但坡面稍破碎，岸坎頂為臺階狀耕地。據(jù)調(diào)查及鉆探揭示，橋址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)溜坍堆積、沖積砂質(zhì)黃土，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、沖積砂質(zhì)黃土，上第三系泥巖，下第三系砂巖夾泥巖。砂質(zhì)黃土主要分布于清石河殘留階地上，厚度35～60 m，工程范圍內(nèi)地表分布的砂質(zhì)黃土具Ⅳ級(很嚴(yán)重)自重濕陷性，濕陷土層厚約20 m。砂質(zhì)黃土層下為上第三系泥巖。

清石河特大橋全長612.7 m，主跨采用(48+2×80+48) m連續(xù)梁跨越清石河溝槽。原設(shè)計考慮不破壞原地形地貌，避免對既有岸坎邊坡產(chǎn)生擾動，設(shè)計采用2×80 m大跨連續(xù)梁跨越清石河主溝，于清石河主溝內(nèi)設(shè)11號墩，墩高81.1 m，于坎頂平地設(shè)置10號墩及12號墩，墩高均為27.1 m，10號墩及12號墩承臺均置于岸坎邊坡穩(wěn)定線后以保證兩墩臺的安全，其中10號墩承臺邊緣距原斜坡15.25 m。10、11號墩布置如圖1所示。

圖1　10、11號墩布置圖及工程設(shè)置示意(單位：m)

2岸坎邊坡的溜坍體下滑過程及分析

原設(shè)計因節(jié)省投資并且盡量不破壞原狀斜坡的原則，未對該類斜坡做防護(hù)設(shè)計，而將墩臺置于邊坡穩(wěn)定線之后，因2012年6月中旬雨季施工期間常流水積聚并改變方向后，對斜坡底部造成部分掏蝕，導(dǎo)致斜坡上溜坍體滑落。2013年8月7日，因連續(xù)數(shù)日強降雨的形成，導(dǎo)致雨水從施工縫隙及陷穴下滲，造成10號墩斜坡表層溜坍體大面積下滑。2014年6月斜坡頂部局部再次發(fā)生溜坍。斜坡經(jīng)過多次溜坍后，溜坍體的范圍發(fā)展到線路左側(cè)37 m，線路右側(cè)39 m，溜坍體的厚度達(dá)到3～15 m。斜坡溜坍體及鐵路工程平面如圖2所示。

圖2　斜坡溜坍體及鐵路工程平面

原地貌發(fā)生較大改變，清石河內(nèi)洪水對10號墩斜坡底部進(jìn)行掏蝕，以及坡面受雨水沖刷、濕陷和施工干擾等因素，引起了邊坡多次垮塌。

3岸坎邊坡的溜坍體下滑后對10號墩的影響

10號墩為清石河特大橋主墩，墩高27.1 m，墩底設(shè)12根φ1.50 m鉆孔灌注樁，樁長82.0 m。設(shè)計時考慮10號墩樁基頂端2.0 m的自由樁長。根據(jù)現(xiàn)場實測地面線核實后發(fā)現(xiàn)，溜坍后的斜坡坡面與邊坡穩(wěn)定線基本吻合，故根據(jù)目前現(xiàn)場情況，10號墩能保證安全性。但是10號墩斜坡坡面若再進(jìn)一步侵蝕塌方，則會對10號墩造成安全隱患，以致無法正常使用，故需對10號墩斜坡坡面增加相應(yīng)的防護(hù)措施，保證現(xiàn)有坡面的穩(wěn)定。

4高邊坡溜坍下滑擋護(hù)方案的研究

4.1高邊坡溜坍體下滑的防護(hù)特點

清石河特大橋10號墩大里程側(cè)的邊坡高度為55 m，溜坍下滑后邊坡坡率接近1∶0.75。當(dāng)樁頂以上邊坡設(shè)計為1∶1的刷方坡率，坡面設(shè)置漿砌片石拱型骨架護(hù)坡防護(hù)時，10號墩的承臺及部分樁基外露，且樁頂邊坡的穩(wěn)定性難以保證。

10號墩斜坡的邊坡高度大，坡度陡峭，黃土濕陷性很嚴(yán)重，坡頂有10號墩限制，坡腳有河床及11號墩限制；因邊坡多次垮塌，坡腳溜坍堆積土體多，未治理前不宜清除。

為防止10號墩斜坡的邊坡坡面受雨水沖刷、濕陷及洪水掏蝕而進(jìn)一步滑塌，維護(hù)山坡平衡，保護(hù)環(huán)境，對斜坡溜坍下滑進(jìn)行治理研究。

4.2預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁的設(shè)計與檢算4.2.1預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁的設(shè)計參數(shù)

重度γ=19 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ0=40°、強風(fēng)化泥巖地基系數(shù)m=90 000 kPa/m2，橋址區(qū)地震動峰值加速度0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度8度)。

樁底支承條件:鉸接，計算方法:M法。

錨孔壁與水泥砂漿的黏結(jié)強度:0.25 MPa。

鋼絞線與水泥砂漿間的黏結(jié)強度：3.40 MPa。

4.2.2設(shè)計檢算

考慮地震情況下，計算庫侖土壓力[3]，如圖3所示。

圖3　土壓力與破裂角關(guān)系曲線

按庫侖土壓力計算預(yù)應(yīng)力錨索樁的內(nèi)力及位移。彎矩、剪力曲線如圖4所示。

圖4　彎矩、剪力曲線

最大位移=86 mm。

檢算的樁身尺寸如下。

樁總長:30.0 m，錨固深度:15.0 m

截面形狀:方樁，樁寬:2.0 m，樁高:3.0 m，樁間距:5.0 m。

樁體采用C40鋼筋混凝土[4]澆筑，局部沖刷線以上樁與樁之間設(shè)C40鋼筋混凝土擋土板。距錨固樁樁頂1.5、3.5 m處分別設(shè)一孔錨索[5]，錨索Ⅰ與水平面夾角20°，自由段[6]長度為36 m，錨固段長度為15 m；錨索Ⅱ與水平面夾角25°，自由段長度24 m，錨固段長度15.0 m。錨索設(shè)計施加預(yù)應(yīng)力為450 kN，錨固段提供的錨固力可達(dá)到 471 kN。

4.3錨索格梁的設(shè)計與檢算4.3.1錨索格梁的設(shè)計參數(shù)

重度γ=19 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ0=40°

橋址區(qū)地震動峰值加速度0.20g

錨孔壁與水泥砂漿的黏結(jié)強度: 0.10 MPa

鋼絞線與水泥砂漿間的黏結(jié)強度：3.40 MPa

4.3.2設(shè)計檢算

應(yīng)用圓弧滑動法[7]，找到最不利圓弧滑動面，計算下滑力[8]，確定錨索格梁的結(jié)構(gòu)尺寸。最不利圓弧滑動面簡圖如圖5所示。

圖5　樁頂邊坡最不利圓弧滑動面簡圖及土條底部切向力曲線

將錨拉點錨索拉力簡化[9]為集中荷載，應(yīng)用有限元法按彈性地基梁進(jìn)行計算。格子梁可簡化為單元梁，按連續(xù)梁進(jìn)行內(nèi)力計算。彈性地基梁計算簡圖及彎矩、剪力圖如圖6所示。

圖6　彈性地基梁計算簡圖及彎矩、剪力圖

格梁肋柱間距4.0 m，橫梁間距4.0 m， 肋柱高為0.8 m、寬為0.6 m，橫梁高為0.8 m、寬為0.6 m。

錨索的自由段長度依據(jù)最不利[10]圓弧滑動面確定。最不利圓弧滑動面如圖1所示。

錨索[11]的錨固段長度依據(jù)錨索設(shè)計噸位確定，錨索的錨固力按10 m錨固段計算，超過10 m部分的錨固段起到加固[12]松散黃土的作用。

格梁設(shè)上、中、下3孔錨索，間距4.0 m，錨索鉆孔孔徑150 mm，錨固力由錨孔壁與水泥砂漿的抗剪強度控制。錨索與水平面向下夾角為20°，自由段長度6～14 m，錨固段長度15.0 m；采用φ15.2 mm高強鋼絞線[13]，其標(biāo)準(zhǔn)強度1 860 MPa。錨索孔注漿材料采用M35水泥砂漿。格梁之間的坡面疊砌生態(tài)袋。

4.4十字形錨桿格梁的設(shè)計與檢算4.4.1十字形錨桿格梁的設(shè)計參數(shù)

重度γ=19 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ0=38°

橋址區(qū)地震動峰值加速度0.20g

錨孔壁與水泥砂漿的黏結(jié)強度: 0.10 MPa

鋼筋與水泥砂漿間的黏結(jié)強度：2.70 MPa

4.4.2設(shè)計檢算

應(yīng)用圓弧滑動法，找到三、四級坡面的淺層圓弧滑動面，計算下滑力，確定十字形錨桿格梁的尺寸。三、四級坡面淺層圓弧滑動面簡圖及土條底部切向力計算如圖7所示。

圖7　三、四級坡面淺層圓弧滑動面及土條底部切向力曲線

三級、四級邊坡設(shè)置十字形錨桿格梁，邊坡[14]坡率為1∶0.75，框架肋柱間距2.5 m，橫梁間距2.5 m，框架[15]肋柱、橫梁高為0.4 m、寬為0.3 m。肋柱下有溜塌坑凹部分時嵌補M7.5漿砌片石，嵌補寬度0.5 m。錨桿鉆孔孔徑90 mm，每孔錨桿采用1根φ25 mm螺紋鋼筋，錨桿與水平面向下夾角為20°，錨桿長度7.5～15 m，采用HRB400級鋼筋，孔內(nèi)注漿材料采用M35水泥砂漿。格梁之間的坡面疊砌生態(tài)袋。

5結(jié)論及建議

(1)運用分級穩(wěn)定及坡腳預(yù)加固技術(shù)治理王洼線清石河特大橋10號墩大里程側(cè)岸坎高陡黃土邊坡溜坍下滑起到了很好的效果。

(2)在濕陷性黃土深切溝谷設(shè)置橋梁工程時，應(yīng)評估橋墩施工中對橋墩周邊黃土斜坡產(chǎn)生的擾動范圍及程度，并依據(jù)評估結(jié)果對黃土斜坡采取安全可靠、經(jīng)濟合理的加固防護(hù)措施。

(3)工程范圍內(nèi)的濕陷性黃土高邊坡，在雨季極易發(fā)生溜坍下滑，施工時應(yīng)將擾動范圍及程度降低至最小，施工前做好坡頂、坡底、坡面的系統(tǒng)排水，可避免黃土邊坡的溜坍下滑。

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收稿日期：2016-01-07； 修回日期：2016-01-23

作者簡介：馬強中(1980—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：49962977@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0059-04

中圖分類號：U213.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.014

Research on Treatment of High and Steep Slope Collapse and Sliding in Loess Areas

MA Qiang-zhong

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute， Lanzhou 730000， China)

Abstract：In view of the current situation， characteristics and geological conditions of high and steep slope sliding in loess areas， prestressed anchor pile is applied to pre-reinforce the toe of slope. Based on the calculation of the most unfavorable circular slipping surface of slopes at all levels， anchor cable lattice beam and cross type bolt lattice beam are set up to effectively reinforce and protect the slopes. This paper studies and defines slope design parameters， design verification and engineering configuration and provides references for the engineering deign of similar projects．

Key words：Loess areas; High slope; Staged reinforcement; Pre-reinforcement; Anchor pile; Prestressed anchor