傘形錨技術(shù)在鄂北工程膨脹土邊坡治理中的應(yīng)用

張 楠，張 偉，萬 芊

（鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局（籌）,430071，武漢）

傘形錨技術(shù)在鄂北工程膨脹土邊坡治理中的應(yīng)用

張 楠，張 偉，萬 芊

（鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局（籌）,430071，武漢）

以鄂北地區(qū)水資源配置工程中某膨脹土邊坡治理為研究對象，采用現(xiàn)場原位試驗(yàn)、CT掃描及三軸壓縮試驗(yàn)確定該邊坡的膨脹特性及數(shù)學(xué)物理參數(shù)，并利用數(shù)值模擬將膨脹土體強(qiáng)度和裂隙強(qiáng)度加入邊坡模型中進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定傘形錨排布方式及錨固深度。在采用傘形錨錨固技術(shù)對其治理后，通過對邊坡進(jìn)行安全監(jiān)測，驗(yàn)證該技術(shù)是可行的，為后續(xù)膨脹土地段邊坡的治理提供了安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案。

鄂北地區(qū)水資源配置工程；傘形錨；膨脹土；邊坡治理

鄂北地區(qū)水資源配置工程開工以來，先后在袁沖暗涵2標(biāo)段出現(xiàn)了兩次滑坡。袁沖暗涵2標(biāo)段1號滑坡（10+350～10+410，坡高約 25 m，坡比1∶1.5）在渠道開挖至接近渠底時，左、右岸均發(fā)生了滑坡。袁沖暗涵2標(biāo)段2 號滑坡（10+620～10+680，坡高約 25 m，坡比 1∶1.5）在渠道開挖至渠底深度2天后出現(xiàn)滑坡失穩(wěn)。

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該渠坡土為膨脹土?，F(xiàn)場地質(zhì)探測發(fā)現(xiàn)該邊坡2級馬道以上為上更新統(tǒng)琚灣組黃褐色黏土，含較多褐色鐵錳氧化物及結(jié)核，1級馬道以下局部及2級馬道以下邊坡土層中含有較多灰白、灰綠色蒙脫石礦物及少量鈣質(zhì)結(jié)核，呈團(tuán)塊狀、網(wǎng)紋狀分布，其膨脹性比較強(qiáng)，裂隙發(fā)育，有多條順坡向較陡裂隙面。1號滑坡2級馬道以下存在兩組長大裂隙，2號滑坡一級馬道以下存在長大裂隙發(fā)育的地層，裂隙面強(qiáng)度低，渠坡的膨脹土特性和裂隙的存在直接導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

現(xiàn)將與1、2號滑坡臨近的袁沖暗涵2標(biāo)10+710～10+800段作為試驗(yàn)段進(jìn)行穩(wěn)定性分析和傘形錨加固試驗(yàn)，為后續(xù)類似地質(zhì)條件渠段暗涵的邊坡開挖、支護(hù)施工探索可靠方案，確保鄂北工程膨脹土高邊坡基坑土方開挖順利進(jìn)行。

通過現(xiàn)場調(diào)研，在渠底、1級馬道、2級馬道和3級馬道分別取原狀方塊樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。測試土樣的物理力學(xué)特性參數(shù)，詳見表1。其中渠底裂隙面（填充灰綠色黏土）強(qiáng)度采用三軸試驗(yàn)獲得。

一、加固方案設(shè)計(jì)

1.穩(wěn)定性分析

試驗(yàn)段實(shí)施前，邊坡整體變形處于可控范圍，潛在滑面不可知。因此，本文是基于已有的1、2號滑坡的滑面條件驗(yàn)證傘形錨加固后試驗(yàn)段右岸邊坡的穩(wěn)定性。

本文采用Geo-studio數(shù)值模擬軟件的Geo-slope模塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析，圖1所示為存在1號滑坡滑面條件下試驗(yàn)段邊坡的穩(wěn)定性分析簡圖。由于邊坡尚未滑動，可以認(rèn)為滑裂面并未貫穿，因而滑弧形態(tài)水平段取裂隙面強(qiáng)度，豎向段取土塊強(qiáng)度。

圖1 存在1號滑坡滑面條件下試驗(yàn)段邊坡的穩(wěn)定性分析簡圖

根據(jù)1、2號邊坡勘查資料，對原狀邊坡采用3排傘形錨錨桿加固，每延米錨固力50、60、75kN工況下進(jìn)行穩(wěn)定性分析。表2為存在1號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩(wěn)定安全系數(shù)。由表2可知，試驗(yàn)段傘形錨單錨抗拔設(shè)計(jì)極限承載力為120kN，對應(yīng)安全系數(shù)為1.062，符合規(guī)范要求。根據(jù)《水利水電邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386—2007） 中第 3.3節(jié)和3.4節(jié)規(guī)定，4級邊坡施工期采用極限平衡法計(jì)算的邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.05～1.10。

圖2所示為存在2號滑坡滑面條件下試驗(yàn)段邊坡的穩(wěn)定性分析簡圖。滑弧水平段取裂隙面強(qiáng)度，豎向段取土塊強(qiáng)度。分別對原狀邊坡、傘形錨每延米錨固力50、60、75kN工況下進(jìn)行穩(wěn)定性分析。表3為存在2號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩(wěn)定安全系數(shù)。由表3可知，試驗(yàn)段傘形錨單錨抗拔設(shè)計(jì)極限承載力為120kN，對應(yīng)安全系數(shù)為1.051，符合規(guī)范要求。

圖2 存在1、2號滑坡滑面條件下試驗(yàn)段邊坡的穩(wěn)定性分析簡圖

由以上分析可知，在試驗(yàn)段右岸邊坡存在1號和2號滑坡滑面的條件下，目前的3排傘形錨錨桿加固措施能保持邊坡的安全系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

表1 袁沖暗涵段物理力學(xué)參數(shù)表

2.錨桿錨固深度

根據(jù)1、2號滑坡滑面勘察的成果，將試驗(yàn)段邊坡右岸錨桿錨固深度分別設(shè)定為22 m、15 m和13 m，左岸1級馬道以下錨桿錨固深度為13 m。

3.加固設(shè)計(jì)實(shí)施方案

根據(jù)1、2號滑坡地質(zhì)勘查結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對傘形錨單錨抗拔承載力設(shè)計(jì)值和錨固深度進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成試驗(yàn)段的加固設(shè)計(jì)實(shí)施方案如下：

針對左右岸邊坡分別布置1排和3排傘形錨，共185根。其中左岸在1級馬道以下3 m處布置1排傘形錨，右岸分別在3級邊坡、2級邊坡和1級邊坡以下3 m布置3排傘形錨，右岸3排錨桿的錨固深度分別為22 m、15 m和13 m，左岸1級馬道以下3m錨桿錨固深度為13 m，傘形錨間距均為2 m，如圖3所示。傘形錨抗拔承載力設(shè)計(jì)值取120kN，張拉鎖定荷載取80kN。同時，在渠道的左、右岸各布設(shè)了1個完整位移監(jiān)測斷面，每個斷面布置3根測斜管，共布置了6根，用以分析邊坡位移變化。

二、傘形錨加固施工

1.施工內(nèi)容

袁沖暗涵傘形錨加固膨脹土邊坡試驗(yàn)段10+710～10+800共90 m，邊坡加固試驗(yàn)段共4排傘形錨，分別位于左岸1級馬道下方3 m、右岸1級馬道下方3m、右岸1級馬道上方0.5m和右岸2級馬道上方0.5m，分別編號為 SZ1、SY1、SY2 和 SY3，對應(yīng)傘形錨加固深度分別為13m、13m、15m和22m；每排傘形錨共46個，縱向間距2m。實(shí)際施工SZ1、SY1和SY3傘形錨個數(shù)均為46個，SY2傘形錨個數(shù)47個，共185個。

表2 存在1號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩(wěn)定安全系數(shù)

表3 存在2號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩(wěn)定安全系數(shù)

2.施工關(guān)鍵控制要點(diǎn)

傘形錨施工主要包括預(yù)鉆孔、擊入錨頭、張拉鎖定及坡面封閉等工藝環(huán)節(jié)，其原理是通過將可張開的傘狀高強(qiáng)葉片埋入土體內(nèi)部，張拉后依靠土體自身抗力為可能產(chǎn)生滑坡、崩岸的土堤提供所需錨固力，從而增加堤防穩(wěn)定，其各個工藝環(huán)節(jié)的關(guān)鍵控制要點(diǎn)如下：

①預(yù)鉆孔。根據(jù)傘形錨錨桿錨固位置與方向，標(biāo)記鉆孔位置，并嚴(yán)格控制鉆孔方向傾角與錨桿安設(shè)角度一致，在（40±2）°范圍內(nèi)，控制孔徑 90 mm以內(nèi)。

②錨頭擊入。根據(jù)傘形錨錨桿錨固位置與方向，在斜坡上架設(shè)施工專用導(dǎo)向支架，開啟動力裝置，通過激振器將傘形錨連接桿擊入土體內(nèi)。安裝前檢查錨頭和連接桿，錨頭和連接桿采用專用工具連接，保證連接牢固。在擊入過程中，注意控制柴油機(jī)動力閥大小，應(yīng)該由小到大逐漸進(jìn)行，特別是剛開始帶有錨頭的錨桿應(yīng)慢進(jìn)入。

③傘形錨張拉及鎖定。在錨固點(diǎn)坡面上，開挖與錨固方向垂直的承壓坡面，開挖寬度為1 000 mm，安裝承壓板。安裝承壓板時應(yīng)進(jìn)行破面削整，力求錨桿張拉受力后與承壓板垂直；張拉方式采用多級循環(huán)加卸載，循環(huán)荷載按32 kN、48 kN、64 kN和80 kN進(jìn)行，每級加載油壓穩(wěn)定后方可卸載，直至穩(wěn)定在80kN或以上時用卡瓦將連接桿鎖定，鎖定時應(yīng)遵循保持各部位緊密接觸的原則；凡是張拉鎖定未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的傘形錨，一律重新補(bǔ)孔張拉。

圖3 試驗(yàn)段傘形錨及測斜管布置斷面圖

④加固完成后采用土工膜對坡面進(jìn)行封閉，防止地表水浸入邊坡。

截至2016年9月5日，已完成袁沖暗涵傘形錨加固邊坡試驗(yàn)段10+710～10+800左岸1級馬道下方3 m、右岸1級馬道下方3 m、右岸1級馬道上方0.5 m和右岸2級馬道上方0.5 m的4排共185個傘形錨加固的施工，安裝錨力計(jì)22個。

三、安全監(jiān)測成果分析

1.測點(diǎn)布置及監(jiān)測頻率

本試驗(yàn)段共布置4種安全監(jiān)測項(xiàng)目，分別是：深層水平位移監(jiān)測、錨桿拉力監(jiān)測、地下水水位監(jiān)測和表面標(biāo)水平位移。本文主要以深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行加固效果驗(yàn)證。

本試驗(yàn)段在2016年7月25日—10月30日加固施工期進(jìn)行了邊坡安全監(jiān)測，在渠道的左、右岸各布設(shè)了1個完整位移監(jiān)測斷面，每個斷面布置3根測斜管，共布置了6根測斜管。監(jiān)測頻率為1次/d，暗涵施工期監(jiān)測頻率為1次/5d，觀測至渠道回填，如發(fā)現(xiàn)邊坡出現(xiàn)變形或破壞，則進(jìn)行24小時跟蹤監(jiān)測。

2.結(jié)果分析

在定期監(jiān)測的基礎(chǔ)上，將監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總形成測斜曲線。對測斜曲線分析可知，左岸因僅有1排傘形錨加固，且上游邊坡高度超過25m，高于右岸邊坡高度，在上部卸載施工機(jī)械活動和連續(xù)降雨的影響下，變形明顯大于右岸變形，且在2016年10月24日產(chǎn)生了滑坡。右岸渠坡雖也產(chǎn)生滑動，但3排傘形錨對其發(fā)揮了較明顯的約束作用，及時控制了變形，且在后續(xù)施工中錨固力無繼續(xù)增大現(xiàn)象，因此傘形錨的加固效應(yīng)得到了驗(yàn)證。

四、結(jié)論與建議

①試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)值模擬與傘形錨結(jié)合的方法抑制膨脹土邊坡變形有一定控制作用。

②本試驗(yàn)段共布置4排、185根傘形錨，傘形錨抗拔承載力設(shè)計(jì)值取120 kN，張拉鎖定荷載取80 kN。受渠底土方開挖、連續(xù)降雨等外部環(huán)境影響，左岸渠坡在后期降雨條件下產(chǎn)生滑移，右岸渠坡較為穩(wěn)定。結(jié)果表明試驗(yàn)段右岸加固方案是可行的，左岸加固措施還需要加強(qiáng)。

③安全監(jiān)測成果表明，渠道局部邊坡產(chǎn)生了淺層滑動，從1級和2級馬道開始滑移，膨脹土裂隙滑移面存在于渠底下2.0 m左右位置，傘形錨錨頭必須深入此高程以下并進(jìn)入一定深度，以提供足夠抗力。

[1]賈文聰.非飽和膨脹土強(qiáng)度與變形特性的試驗(yàn)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[2]王玉平,曾志強(qiáng),潘樹林.邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述 [J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012（2）.

[3]湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院,長江水利委員會長江科學(xué)院,湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司.鄂北地區(qū)水資源配置工程袁沖暗涵段膨脹土高邊坡傘形錨加固應(yīng)急試驗(yàn)段研究成果報(bào)告[R].2016.

[4]水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2007.

Adoption of umbrella-shaped anchor for reinforcement of expansive soil slope of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Provin

Zhang Nan,Zhang Wei,Wan Qian

Expansive soil slope of Water Allocation Scheme in North Hubei Province has been employed as study object for defining expansive properties and mathematical physics parameters,by means of in-situ test,CT scanning and triaxial compression test.Numerical simulation can be adopted to conduct stability analysis by means of adding expansive soil strength and fracture strength into the slope modeling.The display of umbrellashaped anchor and anchoring depth are defined.It is demonstrated that the technology is feasible after safety monitoring to the slope,which offer a safe,reliable and cost-effective option for treatment of expansive soil slope.

Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province;umbrella-shaped anchor;expansive soil;slope reinforcement

TV68+TV443.3

B

1000-1123（2017）22-0028-03

2017-10-11

張楠，工程師。

責(zé)任編輯 韋鳳年