張華員,吳 歌
(1.廣西地礦建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530023; 2.河南省誠(chéng)城巖土工程有限公司,河南 鄭州 450002)
根據(jù)目前山體邊坡支護(hù)幾何形式,將其支護(hù)的形式分為兩種類型,大多數(shù)情況下按照面狀(混凝土噴錨、擋土墻等)、線狀(錨索加混凝土梁等)等幾何方式布置。兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置方式均能對(duì)其中的邊坡破碎巖體起到完全地側(cè)限作用,但是支護(hù)結(jié)構(gòu)的面積在邊坡面上占有相當(dāng)大的比例,支護(hù)結(jié)構(gòu)掩蓋部分或全部的邊坡坡面,盡管多數(shù)情況下在支護(hù)結(jié)構(gòu)之間采取人工植草等措施,但是支護(hù)結(jié)構(gòu)存在如下問(wèn)題:(1)嚴(yán)重影響邊坡坡面植物生態(tài)的和諧性;(2)掩蓋了地質(zhì)結(jié)構(gòu)觀賞性和教育意義;(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的擴(kuò)散特性沒(méi)有充分利用,導(dǎo)致應(yīng)力疊加面積較大和支護(hù)結(jié)構(gòu)平面面積增加。為了減少支護(hù)結(jié)構(gòu)在坡面所占的面積比例,削弱支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡生態(tài)和諧性的影響,充分利用錨索預(yù)應(yīng)力在邊坡下產(chǎn)生附加應(yīng)力的影響以及巖體對(duì)附加應(yīng)力的擴(kuò)散特點(diǎn),并對(duì)附加應(yīng)力影響因素系統(tǒng)分析,結(jié)合巖體邊坡地質(zhì)構(gòu)造特征及附加應(yīng)力分布性質(zhì)研究,為有效地防治了滑坡以及快速恢復(fù)原生態(tài)植被,提出了邊坡支護(hù)的新方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)——點(diǎn)狀有側(cè)限支護(hù)結(jié)構(gòu),并對(duì)其實(shí)施、運(yùn)營(yíng)、測(cè)試跟蹤驗(yàn)證,顯示其具合理性、有效性、節(jié)約性、環(huán)保性等。
與土質(zhì)邊坡不同點(diǎn)在于巖質(zhì)邊坡內(nèi)部存在各種結(jié)構(gòu)面,其將巖石切割為不同尺寸的塊狀且其具有一定幾何形狀:柱狀、層狀、圓形等。塊狀巖石具有幾何尺寸遠(yuǎn)大于土顆粒直徑且不均勻和各向異性、應(yīng)力傳遞效率大于土體顆粒的傳遞效率、應(yīng)力傳遞方向與切割的結(jié)構(gòu)面發(fā)育方向相同等特征。根據(jù)巖體力學(xué)中研究成果可知當(dāng)其受到外部荷載的作用時(shí),在上述規(guī)律性的影響下,導(dǎo)致巖體內(nèi)部附加應(yīng)力等值線的分布與巖石中的差別較大。巖石中附加應(yīng)力分布符合均勻和對(duì)稱的分布規(guī)律(見(jiàn)圖1),但是巖體中的附加應(yīng)力分布狀態(tài)受兩個(gè)因素影響,第一是外部荷載q作用的方向與巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面夾角β的大小,第二是結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度大小,且非對(duì)稱分布,一般規(guī)律是附加應(yīng)力沿著結(jié)構(gòu)面?zhèn)鬟f,即沿著結(jié)構(gòu)面向巖體內(nèi)部延伸(見(jiàn)圖2)[1]。
圖1β=90°應(yīng)力分布圖2β=60°應(yīng)力分布
巖體中附加應(yīng)力傳遞實(shí)際與結(jié)構(gòu)面幾何和力學(xué)屬性相關(guān),例如其發(fā)育寬度、內(nèi)部充填物、延伸長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)面之間的夾角、裂隙度等諸多因素對(duì)其均有影響,總結(jié)以后得出以下與本文研究相關(guān)聯(lián)的附加應(yīng)力傳遞影響因素。
(1)附加應(yīng)力延伸深度與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度相關(guān),抗剪強(qiáng)度越高,深度越淺;抗剪強(qiáng)度越低,深度越深。
(2)β越大,應(yīng)力沿著首層層面擴(kuò)散,若巖體強(qiáng)度較高,擴(kuò)散角變大,傳遞到深部的應(yīng)力值越小。
(3)β越小,部分應(yīng)力直接沿著層面?zhèn)鬟f,若巖體中結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低,擴(kuò)散角變小,傳遞到深部的應(yīng)力值越大。
(4)β為0~90°時(shí),應(yīng)力分布等值線呈現(xiàn)分叉現(xiàn)象,即直接沿著傾斜層面發(fā)育方向傳遞應(yīng)力,在平面上呈現(xiàn)兩個(gè)較大的應(yīng)力方向。
(5)應(yīng)力分布等值線與荷載作用方向的夾角明顯高,表明即使在破碎的巖體中,向巖體內(nèi)部傳遞應(yīng)力的深度有限。
(6)巖塊的幾何參數(shù)和排列方式控制著荷載傳遞方向與擴(kuò)散角的大小。
(7)擴(kuò)散角越大,對(duì)風(fēng)化層以下巖體的約束現(xiàn)象越明顯,反之則異。根據(jù)“河南省濟(jì)源市泥卵石和變質(zhì)巖地質(zhì)構(gòu)造風(fēng)貌保護(hù)與滑坡災(zāi)害防治”的靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù),中等風(fēng)化巖體的附加應(yīng)力擴(kuò)散角≥45°。
巖質(zhì)邊坡的變形到滑動(dòng)存在3個(gè)階段:初始變形階段、穩(wěn)定變形階段、加速變形階段。每個(gè)階段對(duì)應(yīng)誘因諸多,即使相同的地質(zhì)構(gòu)造類型,其變形也受到后期各種地質(zhì)應(yīng)力的影響。就邊坡的滑動(dòng)而言是巖體側(cè)向變形的結(jié)果,是巖體邊緣附近主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)的規(guī)律,也是側(cè)向限制減弱的行為特征。
支護(hù)結(jié)構(gòu)施加到巖體邊坡,實(shí)質(zhì)上是對(duì)坡面添加側(cè)向變形控制結(jié)構(gòu),通過(guò)結(jié)構(gòu)的自重或自重和錨固力等增加側(cè)向應(yīng)力到坡面。在通常設(shè)計(jì)中,只是將這種力或力的組合作為抵抗下滑力一種考慮,經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)有如下幾個(gè)問(wèn)題。
(1)面狀支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)自重在邊坡面下產(chǎn)生的附加應(yīng)力及其分布狀態(tài),不把自重產(chǎn)生坡面以下附加影響作為設(shè)計(jì)的參數(shù)。例如:扶壁式擋墻,整個(gè)坡面100%為墻體覆蓋,墻體重力引起坡面內(nèi)部附加應(yīng)力的作用沒(méi)有作為設(shè)計(jì)依據(jù)和考慮的因素。
(2)產(chǎn)生滑動(dòng)的坡面下往往是強(qiáng)風(fēng)化層,表面分布多為坡積碎石,附加應(yīng)力擴(kuò)散角的作用及影響范圍同樣沒(méi)有在支護(hù)結(jié)構(gòu)中考慮。例如:坡積碎石的變質(zhì)巖體中,經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)坡面下的應(yīng)力擴(kuò)散角為36°,坡面單邊寬度為b時(shí),其應(yīng)力一定深度z內(nèi),應(yīng)力擴(kuò)散寬度的增量為Δd[2]:
Δd=ztan36°=0.73z
(1)
按照附加應(yīng)力分布范圍特征計(jì)算,擴(kuò)散角越大,支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡變形控制效果越強(qiáng)。
(1)對(duì)于面狀支護(hù)結(jié)構(gòu)而言,100%阻斷了邊坡體的開(kāi)放性,隔斷了物質(zhì)、能量、信息等交換,對(duì)邊坡內(nèi)部發(fā)育信息無(wú)法有效探測(cè)。例如:塊石擋墻墻面上除了排水孔外,沒(méi)有植物生存的風(fēng)化層或強(qiáng)風(fēng)化層出露的面積,植物失去了生存基礎(chǔ);100%阻礙了生物和植物生存,甚至完全改變了邊坡自然屬性,成為純粹人工結(jié)構(gòu)。
(2)面狀支護(hù)結(jié)構(gòu)改變了坡面的地質(zhì)構(gòu)造景觀觀賞性。例如在沉積巖構(gòu)造發(fā)育地區(qū),褶皺作為地質(zhì)構(gòu)造,其本身就具備觀賞性和地殼應(yīng)力變化表征,尤其公路坡面延伸距離長(zhǎng),涉及眾多地質(zhì)構(gòu)造,可以形成地質(zhì)遺跡畫(huà)廊。然而受到支護(hù)理論和計(jì)算方法的影響,往往忽略此類的自然和諧性。
(3)附加應(yīng)力在坡面下相互疊加,雖然有利于坡體的穩(wěn)定性,增加了坡體的穩(wěn)定安全系數(shù),但實(shí)際上應(yīng)力疊加面積過(guò)大,根據(jù)坡面測(cè)試結(jié)果:疊加面積>56%,導(dǎo)致支護(hù)造價(jià)增加。
(1)線狀支護(hù)結(jié)構(gòu)一般由格構(gòu)和錨索組成,在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往按照單位面積上滑動(dòng)力計(jì)算支護(hù)構(gòu)件的內(nèi)力,沒(méi)有考慮支護(hù)構(gòu)件作用在邊坡面下產(chǎn)生的附加應(yīng)力及其分布狀態(tài)。例如:混凝土格構(gòu)加錨索,錨索產(chǎn)生的抗拔力與格構(gòu)重力同時(shí)作用在坡面上,此引起坡面內(nèi)部附加應(yīng)力的作用沒(méi)有作為設(shè)計(jì)依據(jù)和考慮的因素。
(2)產(chǎn)生滑動(dòng)的坡面下往往是中風(fēng)化巖層,甚至是輕微風(fēng)化的巖體,附加應(yīng)力的擴(kuò)散角的作用及影響范圍同樣沒(méi)有在支護(hù)結(jié)構(gòu)中考慮。例如中等風(fēng)化的灰?guī)r巖體中,經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)坡面下的應(yīng)力擴(kuò)散角為45°,坡面單邊寬度為b時(shí),其應(yīng)力一定深度z內(nèi),應(yīng)力擴(kuò)散寬度的增量為Δd[2]:
Δd=ztan45°=z
(2)
由式(1)和式(2)分析可知:按照附加應(yīng)力分布范圍特征計(jì)算,擴(kuò)散角越大,支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡面以下一定深度變形控制范圍越寬,與深度z成線性遞增關(guān)系,且不同巖體的擴(kuò)散情況變化相對(duì)較大。
根據(jù)有側(cè)限地基基礎(chǔ)研究成果,本文將控制垂直于主應(yīng)力方向變形的結(jié)構(gòu)稱為有側(cè)限支護(hù)結(jié)構(gòu)。為了研究的方便,將有側(cè)限支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種也簡(jiǎn)稱點(diǎn)狀支護(hù)結(jié)構(gòu),除了與面狀或線狀區(qū)分外,另外的目的如下。
(1)對(duì)巖土體側(cè)向變形進(jìn)行控制,使之保持承擔(dān)主應(yīng)力的有效性,由于在主應(yīng)力作用下,材料屬性決定了其側(cè)向變形量的大小和穩(wěn)定期限。
(2)將支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的預(yù)加應(yīng)力作為坡面下的附加應(yīng)力,與巖塊應(yīng)力擴(kuò)散角結(jié)合,增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的間距,同時(shí)滿足以下內(nèi)容:
①在坡面支護(hù)構(gòu)件上添加一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力,該應(yīng)力數(shù)值等于其錨索的握裹力;
②坡面巖體擴(kuò)散角、切割度等參數(shù)測(cè)試,并對(duì)坡面劃分為不同的參數(shù)區(qū)域。
(3)減少支護(hù)構(gòu)件的數(shù)量和形狀以及對(duì)邊坡表面自然生態(tài)環(huán)境的影響:
①支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)量:按照施加預(yù)應(yīng)力值的大小進(jìn)行坡面附加應(yīng)力擴(kuò)散范圍的計(jì)算,并且量值控制在附加應(yīng)力影響面積疊加20%以內(nèi)。
②支護(hù)結(jié)構(gòu)的形狀:在坡面按照點(diǎn)狀布置錨索,并將錨索及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)視為點(diǎn)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3),點(diǎn)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)由有側(cè)限構(gòu)件、緊絲帽墊塊、緊絲帽、花管等組成。有側(cè)限構(gòu)件作為錨固端,其為內(nèi)傾角預(yù)制混凝土構(gòu)件,內(nèi)傾角等于巖土體附加應(yīng)力擴(kuò)散角。根據(jù)有側(cè)限地基的研究成果[3],預(yù)加應(yīng)力等于附加應(yīng)力,通過(guò)有側(cè)限內(nèi)傾角二次擴(kuò)散并與巖體擴(kuò)散角疊加形成坡面下的應(yīng)力拱層,其控制著巖體的側(cè)向變形。
圖3 有側(cè)限構(gòu)件剖面示意
③勘察與設(shè)計(jì):對(duì)巖體坡面進(jìn)行詳勘,查明裂隙集中發(fā)育地帶,制作坡面裂隙分布圖;選擇典型區(qū)域進(jìn)行靜載試驗(yàn)確定邊坡附加應(yīng)力擴(kuò)散角,在滿足統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,確定坡面區(qū)域巖體切割度和擴(kuò)散角等參數(shù)。
④點(diǎn)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方法:預(yù)應(yīng)力錨索按照常規(guī)施工,錨索的端部采用預(yù)制方法制作錨頭;錨索施工完畢滿足齡期規(guī)定后,安裝錨頭。通過(guò)緊絲添加預(yù)應(yīng)力,達(dá)到設(shè)計(jì)值終止。
⑤環(huán)境保護(hù):采用上述勘察、設(shè)計(jì)、施工等新理念后,坡面上人工破壞面積極小,大多數(shù)植被和植被層受到保護(hù),因?yàn)橹皇菍?duì)局部施工,影響范圍較小,一年的周期內(nèi)錨索周邊就可以被植物覆蓋,形成自然調(diào)節(jié)的生態(tài)環(huán)境,且免去人工植草的費(fèi)用。
河南省濟(jì)源市山區(qū)公路為景觀點(diǎn)集中通道,且沿途自然及地質(zhì)環(huán)境特征獨(dú)特。由于太行山整個(gè)上升,巖層呈現(xiàn)不同傾斜狀態(tài),加上沿途公路走向與地質(zhì)構(gòu)造走向的不同角度切割,使得地質(zhì)構(gòu)造遺跡清晰且多樣性而且類型豐富,充分展示了地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)宏偉性和科學(xué)意義,具有較高的地質(zhì)構(gòu)造路途觀賞價(jià)值和科研價(jià)值,采用點(diǎn)狀有側(cè)限結(jié)構(gòu)的支護(hù)方法對(duì)公路邊坡支護(hù),節(jié)約邊坡治理的投入,又可將邊坡安全等級(jí)提高。達(dá)到技術(shù)創(chuàng)新,環(huán)境自然、公路與邊坡和諧的效應(yīng)。
場(chǎng)地巖體為變質(zhì)巖,顏色繽紛,褐紅色、瓷白色、灰黃色等呈層狀顯現(xiàn),地層厚度不等。對(duì)此場(chǎng)地進(jìn)行兩項(xiàng)試驗(yàn)和踏勘工作得出場(chǎng)地坡面附加應(yīng)力擴(kuò)散角42°~47.5°,坡面覆蓋層厚度為0.5~1.6 m,裂隙受到3個(gè)主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的擠壓呈米字型分布,切割度為0.56的占整個(gè)場(chǎng)地面積69%,切割度為0.4的占整個(gè)場(chǎng)地31%。
按照擴(kuò)散角42°~47.5°,附加應(yīng)力影響深度z=1.6 m,按照式(1)計(jì)算,Δd=1.44~1.74 m。
有側(cè)限構(gòu)件的幾何尺寸作為安全儲(chǔ)備,單根錨索的影響半徑r=1.4~1.6 m,分別對(duì)場(chǎng)地劃分不同巖體切割度區(qū)域,針對(duì)性布置錨索孔,按照一般工況施工后,安裝有側(cè)限構(gòu)件。
為了實(shí)現(xiàn)短時(shí)間施工完畢,達(dá)到控制邊坡巖土體變形的目標(biāo),有側(cè)限構(gòu)件為現(xiàn)場(chǎng)C30素混凝土預(yù)制件(見(jiàn)圖3),花管為工廠加工件,花管緊絲采用標(biāo)準(zhǔn)件,根據(jù)場(chǎng)地情況選擇如下類型和加工工藝。
有側(cè)限結(jié)構(gòu)的坡面布置見(jiàn)圖4,圖中的公絲接頭、緊絲帽、緊絲帽墊塊在坡面上以外,其余均覆蓋于坡體內(nèi)部,構(gòu)件坡面間距2.2~3.0 m,點(diǎn)狀布置,點(diǎn)與點(diǎn)之間沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)連接。
圖4 有側(cè)限結(jié)構(gòu)坡面剖面示意
在整個(gè)坡面上有側(cè)限構(gòu)件的表面積為1.2%,與傳統(tǒng)的支護(hù)方式相比較表面積極小。
利用公絲接頭施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到每根錨索預(yù)加應(yīng)力值為460 kN。
根據(jù)巖體出露處的切割度和擴(kuò)散角布置支護(hù)結(jié)構(gòu),其位置處采用簡(jiǎn)單清理覆土到中風(fēng)化層面即可。
對(duì)場(chǎng)地內(nèi)有側(cè)限構(gòu)件選擇6組進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn),分為3組,對(duì)有側(cè)限結(jié)構(gòu)的影響半徑進(jìn)行測(cè)試,深度1.5 m部位的測(cè)試結(jié)果顯示:影響半徑≥1.6~1.9 m,局部達(dá)到2.1 m,說(shuō)明附加應(yīng)力影響在實(shí)際工程中大于設(shè)計(jì)值,滿足實(shí)際工程要求。工程效果見(jiàn)圖5。
圖5 有側(cè)限結(jié)構(gòu)坡面加固后照片
局部穩(wěn)定性方面:在影響半徑范圍內(nèi)由于附加應(yīng)力及巖塊之間的崁固作用等,起到了防止邊坡表面松動(dòng)巖體的滑動(dòng)效應(yīng)和表層巖體的應(yīng)力松弛效應(yīng)。
整體穩(wěn)定性方面:邊坡經(jīng)過(guò)3個(gè)雨季監(jiān)測(cè)顯示,其側(cè)向變形量最大值≤6 mm,坡肩沒(méi)有新的張裂縫產(chǎn)生,原有裂隙沒(méi)有持續(xù)增加寬度,公路路基側(cè)向擠壓現(xiàn)象消失。
綠化方面:植被按照自然恢復(fù)方法,無(wú)人為種植,在第一年當(dāng)?shù)氐牟荼局参镆呀?jīng)開(kāi)始全面生長(zhǎng),綠化率達(dá)到92%,坡面沒(méi)有受到支護(hù)治理的影響,在6—9月份的雨季時(shí)坡面不再繼續(xù)發(fā)生泥流和泥石流;第二年屬地部分灌木苗在坡面可見(jiàn)到局部分布,由于坡面強(qiáng)風(fēng)化層在施工過(guò)程保持一定厚度,故灌木苗有足夠的生存條件;第三年坡面已經(jīng)存在大量屬地灌木,生態(tài)系統(tǒng)良好。
(1)坡面內(nèi)溝渠匯集的雨水含泥量<0.05%。
(2)經(jīng)過(guò)施工和竣工后3年的變形觀測(cè),邊坡的最終水平變形量為4~6 mm。
(1)結(jié)合巖體切割度、巖體內(nèi)發(fā)育的裂隙分布特征、塊體內(nèi)附加應(yīng)力分布特征,形成點(diǎn)狀有側(cè)限支護(hù)方法在工程實(shí)例中證明是合理的、適宜的;
(2)邊坡支護(hù)方法眾多,本文本著最小限度的
對(duì)邊坡添加人工影響,讓生態(tài)自然恢復(fù)的方法,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、合理、安全的施工措施,保證自然和諧性施工,消除了坡體滑坡、泥石流、崩塌等山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生;
(3)綠化問(wèn)題研究的比較多,多數(shù)情況添加了人為植物的影響因素,改變生態(tài)自然平衡,本次方法屬于自然恢復(fù)方法,用于指導(dǎo)公路工程邊坡變形控制具有積極的學(xué)術(shù)意義。
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