框架錨索聯(lián)合鋼花管注漿在堆積體邊坡治理中的應(yīng)用

龔曉星 舒海明 王曙光

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

堆積體系指松散破碎巖土體堆積的地質(zhì)體，屬于邊坡變形破壞后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)階段的產(chǎn)物，廣義的松散堆積體，還包括由強(qiáng)風(fēng)化松散破碎巖體在原地堆積而在人類活動(dòng)中出現(xiàn)變形破裂現(xiàn)象的邊坡體，在我國西南地區(qū)，堆積體的發(fā)育十分普遍[1]，堆積體一般在天然狀況下處于臨界狀態(tài)，但是人工開挖會(huì)破壞其植被，改變地形地貌，從而改變坡體原有的賦存狀態(tài)，以此出現(xiàn)了堆積體開挖的穩(wěn)定性分析及工程治理問題。

貴州省晴隆至興義高速公路，沿線發(fā)育了多處堆積體，初步設(shè)計(jì)、施工圖階段依據(jù)地質(zhì)勘查資料對工可線位進(jìn)行了大規(guī)模調(diào)整，但是由于地形受限，仍需要對部分堆積體進(jìn)行開挖。堆積體的治理有一定的特殊性，一般采用聯(lián)合支擋的措施，本項(xiàng)目YK17+504-YK17+670右側(cè)挖方邊坡，為一深層堆積體，采用微型鋼管樁注漿預(yù)加固、坡面鋼花管注漿、框架錨索加固、坡腳設(shè)擋墻等綜合措施進(jìn)行了有效的支擋，取得較好效果。

1 工程概況

該工點(diǎn)地處貴州高原西南山區(qū)的斜坡地帶，山體自然坡角約30°～70°。山坡植被發(fā)育，為灌木地，屬侵蝕-構(gòu)造型低山地貌。場區(qū)出露地層上覆第四系殘坡積層塊石土(Qel+dl)：雜色，松散狀，塊石含量70%～85%，塊石成分為泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，塊徑20～50 cm，鉆探揭示厚22.0～25.9 m。

下伏基巖為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層深約10 m。場區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層通過，巖層綜合產(chǎn)狀210°∠15°，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀主要有J1：145°∠80°，J2：310°∠70°共有2組,節(jié)理張開度1～3 mm，局部夾有泥質(zhì)軟弱夾層,節(jié)理面結(jié)合差～很差。

場區(qū)地下水類型屬第四系覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，場區(qū)未見泉點(diǎn)出露，鉆孔中無穩(wěn)定水位。場地水文地質(zhì)條件較簡單。

2 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

該邊坡覆蓋層深達(dá)25 m，以下巖體基本為強(qiáng)風(fēng)化，呈碎裂結(jié)構(gòu)，邊坡巖體類型為IV類，為類土質(zhì)邊坡，根據(jù)規(guī)范，邊坡的坡面形式應(yīng)為圓弧滑動(dòng)，一般采用簡化的Bishop法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、結(jié)合工程類比及規(guī)范[2]進(jìn)行確定，推薦巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

注：下標(biāo)為d的為天然工況，s為暴雨工況。

本項(xiàng)目地震基本烈度為VI度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，可以不考慮地震力對邊坡穩(wěn)定性的影響[3]。故對邊坡的潛在滑動(dòng)面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，考慮2種工況：①天然工況；②暴雨工況。

以YK17+590為計(jì)算斷面，賦予各巖土(體)參數(shù)，搜索最不利滑動(dòng)面，采用簡化的Bishop計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3 邊坡治理設(shè)計(jì)

3.1 邊坡坡頂預(yù)加固

該邊坡堆積體深達(dá)26 m，邊坡開挖后臨時(shí)穩(wěn)定性較差，應(yīng)盡量采用較緩的坡率。但該原始坡體呈下緩上陡邊坡，緩坡、陡坡間有一明顯的變坡點(diǎn)，一旦邊坡過緩，開挖坡口線會(huì)臨近緩、陡變坡點(diǎn)，從而擾動(dòng)陡坡山體，引起大規(guī)模滑坡。故設(shè)置坡率為1∶1～1∶1.5，使開挖坡口線與變坡點(diǎn)最小距離保持在15 m以上。

考慮到邊坡開挖到支護(hù)需要一定的時(shí)間間隔，結(jié)合該邊坡地形與地質(zhì)的特殊性，邊坡開挖前，在邊坡后緣采用3排直徑108 mm微型鋼管樁對坡體進(jìn)行預(yù)加固，以防止開挖卸荷后，堆積體出現(xiàn)突發(fā)的變形失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.2 框架錨索設(shè)計(jì)

3.2.1設(shè)計(jì)錨固力計(jì)算

以YK17+590為計(jì)算斷面，取路塹邊坡安全系數(shù)1.25，取不利的暴雨工況，計(jì)算剩余下滑力E=1 129 kN/m。剩余下滑力并不大，可以采用框架錨索防護(hù)。

預(yù)應(yīng)力錨索錨固力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析確定邊坡下滑力，按式(1)計(jì)算需要錨索提供的錨固力。

(1)

式中：Pd為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kN;E為邊坡下滑力，kN;α為錨索與滑動(dòng)面相交處滑動(dòng)面傾角，(°)；β為錨索與水平面夾角，(°)；φ為滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角，(°)。

取錨索入射角β為25°，由于各處錨索與圓弧滑動(dòng)面的交角不一樣，簡化計(jì)算，取平均值為35°，φ取24°。代入式(1)，則設(shè)計(jì)錨固力為

在邊坡第二、三、四級(jí)設(shè)置9排錨索，每孔錨索由6束Φs15.2 mm無黏結(jié)鋼絞線組成。設(shè)計(jì)錨固力750 kN，錨索縱向間距采用5 m，則錨索提供的錨固力為1 350 kN/m，大于設(shè)計(jì)錨固力，滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

3.2.2錨固孔計(jì)算

錨固段的長度由注漿體與錨孔壁的黏結(jié)強(qiáng)度、錨桿與注漿體的黏結(jié)強(qiáng)度及錨桿強(qiáng)度等3部分決定，設(shè)計(jì)時(shí)取其小值。

根據(jù)貴州省高速公路預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在每孔錨索預(yù)應(yīng)力小于1 000 kN的情況下，錨固段長度由注漿體與錨孔壁的黏結(jié)強(qiáng)度確定，本文按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：K為安全系數(shù)；D為鉆孔直徑；frb為巖體與注漿體界面黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。K及frb可以查文獻(xiàn)[2]。

第四級(jí)邊坡錨索錨固段部分位于塊石土中，取frb為350 kPa，錨孔直徑采用150 mm,取安全系數(shù)K為2.0代入式(2)，得

安全起見，取Lr為10 m。而第二級(jí)、第三級(jí)錨索錨固段多位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，取錨固直徑為130 mm，錨固段長度取為10 m，也能滿足設(shè)計(jì)要求。

自由端深入潛在滑動(dòng)面以下不少于1 m，將錨固段錨固于穩(wěn)定的土層中。

3.3 坡面穩(wěn)固措施

由于第三、四、五級(jí)邊坡坡面均為塊石土，自穩(wěn)性差，邊坡開挖過程中，坡面極易坍塌，為了防止邊坡在開挖及防護(hù)過程中產(chǎn)生垮塌，在邊坡開挖完后，采用鋼花管對土體進(jìn)行注漿加固，使松散堆積體成為較密實(shí)的注漿體，以保證邊坡臨時(shí)穩(wěn)定。同時(shí)，采用掛網(wǎng)噴射混凝土對坡面進(jìn)行封閉，避免邊坡在雨季施工時(shí)，降水對邊坡穩(wěn)定的不利影響。

第一級(jí)邊坡部分巖體仍為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，由于坡腳存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，設(shè)6 m高路塹墻起固腳作用。

3.4 排水措施

坡頂設(shè)截水溝、邊坡平臺(tái)設(shè)平臺(tái)截水溝以截排坡體地表水，邊坡坡面鉆直徑110 mm孔，內(nèi)置以滲水土工布包裹的外徑直徑90 mm鉆有小孔的PVC深層透水管，以及時(shí)引排地表、地下水。

綜合處治方案見圖1。

圖1 處理方案圖

4 加固后邊坡穩(wěn)定性分析

采用有限元極限分析軟件OPTUMG2，針對天然狀況及暴雨?duì)顩r，對加固前和加固后邊坡進(jìn)行有限元上限穩(wěn)定性分析。

OPTUMG2軟件基于最新發(fā)展的有限元極限分析理論，通過建立嚴(yán)格的上、下限優(yōu)化模型，并以二次錐形規(guī)劃(SOCP)為計(jì)算內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)巖土極限分析問題的精確、穩(wěn)健、高效求解。軟件內(nèi)嵌網(wǎng)格自適應(yīng)迭代程序，可針對能耗密度對網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)迭代，極大地便利了對破壞模式的分析[4-7]。

為便于分析，做如下假定：計(jì)算模型為理想彈塑性模型，服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則及關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，各土層土體均質(zhì)。模型邊界為底部固結(jié)，兩側(cè)僅豎向自由。坡體覆蓋層上方為塊石土，下方為強(qiáng)風(fēng)化巖層，計(jì)算參數(shù)按表1取值。模擬的結(jié)果以安全系數(shù)及破壞模式形式給出。

加固前邊坡在天然狀態(tài)下安全系數(shù)為0.95，在暴雨?duì)顟B(tài)下安全系數(shù)為0.81。從安全系數(shù)數(shù)值上來看，與前文計(jì)算的安全系數(shù)相差不大，這也說明了分析模型的有效性。

加固前邊坡在天然狀態(tài)及暴雨?duì)顟B(tài)下的破壞模式見圖2。

圖2 加固前邊坡破壞模式

加固后邊坡在天然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.62，在暴雨?duì)顟B(tài)下安全系數(shù)為1.49。

加固后邊坡在天然狀態(tài)及暴雨?duì)顟B(tài)下的破壞模式見圖3。

圖3 加固后邊坡潛在滑裂面

從模擬結(jié)果來看，加固后邊坡在天然狀況下或暴雨?duì)顩r下，安全系數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，邊坡穩(wěn)定。模擬的加固后邊坡的潛在滑裂面與圖1中表示的實(shí)際滑裂面的位置及形狀相符。綜上所述，數(shù)值模擬分析表明，該加固方式合理可行。

5 施工工序及注意事項(xiàng)

路塹高邊坡施的施工，是一個(gè)破壞山體原有力學(xué)平衡又用支擋加固工程重新建立新的力學(xué)平衡的過程，施工方法與工藝極大影響邊坡的穩(wěn)定[8]。正確的施工順序?qū)Υ祟惗逊e體邊坡治理顯得尤為重要。

針對設(shè)計(jì)方案提出以下施工工序，以確保施工的安全。

1) 首先施工坡頂截面溝，排除坡面水，改善邊坡的水文條件。

2) 坡面排水施工完后再施工鋼管樁。

3) 鋼管樁施工完畢后再開挖邊坡。為避免開挖暴露時(shí)間過長，使邊坡松馳范圍變大，邊坡開挖一級(jí)后，及時(shí)采用花管注漿掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行防護(hù)，并施工深層透水管，排出坡體水，待排水防護(hù)完成后再進(jìn)行框架錨索施工?？蚣苠^索防護(hù)施工完成后，再開挖和支護(hù)下一級(jí)邊坡。

框架錨索及鋼花管鉆孔時(shí)，應(yīng)采用無水干鉆，禁止開水鉆進(jìn)，以確保錨固工程施工不惡化邊坡巖土工程地質(zhì)條件和保證孔壁的黏結(jié)性能。

考慮到該邊坡為類土質(zhì)邊坡，錨索預(yù)應(yīng)力易損失，故在施工完成后保留鋼絞線張拉段，以用于錨索的補(bǔ)償張拉，補(bǔ)償張拉的值根據(jù)錨索拉力的實(shí)測結(jié)果確定，補(bǔ)償張拉的時(shí)間一般為3個(gè)月。

6 結(jié)語

該工點(diǎn)按以上方案進(jìn)行施工，于2011年7月完成，在施工過程中，第四、五級(jí)邊坡由于塊石土較松散，邊坡發(fā)生了局部垮塌，采用掛網(wǎng)噴射混凝土及時(shí)封閉邊坡后，沒有影響到邊坡的整體穩(wěn)定。由于邊坡設(shè)計(jì)時(shí)各方面因素考慮得比較充分，預(yù)加固、加固方案都有正確的依據(jù)，并對加固后邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，再次驗(yàn)證了加固方案的合理可行性。且經(jīng)加固后，危險(xiǎn)性較大的堆積體邊坡開挖后得到了及時(shí)加固防護(hù)，施工得以順利完成。2011年10月，對錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失約30%，個(gè)別損失大于50%，故又重新進(jìn)行了補(bǔ)張拉?，F(xiàn)在工程已經(jīng)完成7年，經(jīng)歷多個(gè)雨季，經(jīng)觀察，未發(fā)現(xiàn)任何病害。通過該工點(diǎn)的設(shè)計(jì)，取得如下經(jīng)驗(yàn)。

1) 堆積體邊坡應(yīng)該采用分級(jí)支擋的方案，視其地形地貌、堆積體成分、堆積體厚度采用支擋為主、封水為輔的聯(lián)合支擋方法，必要時(shí)，可以對坡體進(jìn)行預(yù)加固。

2) 設(shè)計(jì)規(guī)范要求將錨索錨固在穩(wěn)定的巖層中，潛在滑動(dòng)面以下的堆積體、強(qiáng)風(fēng)化層也可以作為預(yù)應(yīng)力錨索的錨固端。設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)計(jì)算適當(dāng)加大錨孔、加長錨固段長度。

3) 對于以堆積體、強(qiáng)風(fēng)化層為錨固段的預(yù)應(yīng)力錨索，其預(yù)應(yīng)力有較大損失，可以通過后期補(bǔ)充張拉進(jìn)行處理。