預(yù)應(yīng)力錨索框架梁在路基高邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

何志俊

（山西省交通開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著山西省高速公路骨架網(wǎng)的建成，高速公路運(yùn)營期所面臨的地質(zhì)災(zāi)害問題也日益凸顯[1]。運(yùn)營期邊坡地質(zhì)災(zāi)害治理的思路主要有[2-3]：降低水的不利影響；改善邊坡的力學(xué)平衡；增強(qiáng)軟弱結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)等。相應(yīng)的治理方案主要包括防排水、卸載、擋墻護(hù)腳、抗滑樁、錨索（桿）支護(hù)等。由于預(yù)應(yīng)力錨索框架支護(hù)是一種邊坡原位加固結(jié)構(gòu)，不僅可以提高邊坡巖土體的整體性、改善結(jié)構(gòu)受力條件和巖土體的強(qiáng)度、減小邊坡巖土體的變形，使巖土體達(dá)到要求的穩(wěn)定安全度，且該技術(shù)目前相對成熟，因此被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜巖土體邊坡治理中[4-5]。

針對運(yùn)營期高速公路某段路基高邊坡地質(zhì)災(zāi)害，探索適用于該邊坡工程地質(zhì)條件的預(yù)應(yīng)力錨索框架支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

G1812滄榆高速公路忻保段運(yùn)營期間某段路基上邊坡坡面噴錨防護(hù)空鼓開裂，一級坡護(hù)面墻錯(cuò)斷開裂、脫落，坡頂出現(xiàn)張拉裂縫，長度約300 m，以上特征均表明該段邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有滑坡趨勢。該段邊坡位于山西省忻州市靜樂縣境內(nèi)，大體呈東西走向，屬于陰坡，邊坡共4級，坡率1∶0.5 ～1∶0.75，總高度約45 m。邊坡現(xiàn)有防護(hù)結(jié)構(gòu)為：一級邊坡為漿砌片石護(hù)面墻防護(hù)，二、三、四級邊坡全部采用噴錨進(jìn)行防護(hù)。

圖1 坡頂張拉裂縫

2 不良地質(zhì)特征形成機(jī)理分析

2.1 地質(zhì)地形因素

該段邊坡微地貌為黃土峁、緩坡、沖溝，邊坡頂部地形平緩、植被茂密，受公路切坡影響，改變了原有的自然排水系統(tǒng)，降低了排水效果，垂直下滲量增加，加之邊坡屬光照較弱的陰坡面，水份蒸發(fā)速度緩慢，地表水下滲后主要通過滲透排泄，長期在邊坡巖土體中賦存。邊坡未設(shè)置截水溝，坡頂覆蓋薄層濕陷性粉土，受大氣降水沖蝕、潛蝕形成裂縫、落水洞等水流通道，水流沿通道下滲并通過基巖裂隙滲入下一級邊坡。邊坡巖性為砂巖泥巖互層，邊坡中泥巖屬軟質(zhì)巖，為隔水層，遇水后泥化變軟變滑，從而為不良地質(zhì)的形成創(chuàng)造了條件。

2.2 滑坡條件分析

邊坡地層主要為二疊系P2s砂、泥巖結(jié)構(gòu)，兩種巖性差異風(fēng)化明顯，砂巖呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，泥巖全風(fēng)化呈土狀，且傾角較大。巖層產(chǎn)狀340°∠40°，巖層傾向與坡向相同，且?guī)r層產(chǎn)出狀態(tài)與路線斜交。砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，坡面滲水及砂巖裂隙水沿砂巖節(jié)理裂隙通道下滲，在泥巖層形成隔水層，泥巖遇水易軟化變軟，邊坡在巖體重力及傾角作用下有滑坡的隱患。

2.3 邊坡排水設(shè)施

邊坡頂部未設(shè)置截水溝，地形平緩，邊坡頂部覆蓋薄層濕陷性粉土，受大氣降水沖蝕、潛蝕形成裂縫、落水洞等水流通道。邊坡平臺排水溝不連續(xù)，且為漿砌片石施工工藝，經(jīng)多年運(yùn)營，砌體砂漿脫落嚴(yán)重，砌體開裂，水流沿片石間裂縫下滲，在邊坡防護(hù)層后形成沖蝕溝槽，從而造成局部防護(hù)坍塌。

綜上所述，該段邊坡產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害隱患原因?yàn)椋哼吰鹿こ痰刭|(zhì)條件差為內(nèi)因，背陰坡水毀為誘因。

3 錨索框架梁技術(shù)在滑坡段的應(yīng)用

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)計(jì)算

根據(jù)坡頂張拉裂縫及一級坡護(hù)面墻錯(cuò)斷口，通過計(jì)算分析可知邊坡深處存在一潛在滑面，潛在滑面埋深13～25 m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場地形、地質(zhì)條件，繪制該邊坡1號地質(zhì)剖面示意圖，如圖2所示，圖中顯示松動變形巖體的穩(wěn)定性較差，是剖面中最明顯滑面即為松動變形巖體的底界。而深處的潛在滑面為順層滑坡，規(guī)模大，危險(xiǎn)性較大。

圖2 該邊坡1號剖面示意圖

在充分進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，對滑坡下滑力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合滑坡體的規(guī)模、成因、下滑力確定采用預(yù)應(yīng)力錨索與框架梁支護(hù)結(jié)構(gòu)，輔以截排水處置措施，確保坡體長期穩(wěn)定，計(jì)算書見表1。根據(jù)計(jì)算書提供的參數(shù)，確定錨索最佳參數(shù)：錨索選用4束12.5 mm高強(qiáng)度低松弛無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，入射角度15°，錨索長度18～30 m，其余參數(shù)根據(jù)計(jì)算結(jié)果并參照規(guī)范執(zhí)行，錨索結(jié)構(gòu)如圖3所示。經(jīng)計(jì)算該設(shè)計(jì)方案在暴雨工況下安全系數(shù)K=1.24，因此安全系數(shù)在各工況下均可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 錨索框架法向投影圖（單位：cm）

表1 錨索設(shè)計(jì)計(jì)算書

3.2 邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架設(shè)計(jì)

施工前先對邊坡進(jìn)行修整，確保每級邊坡高度8 m，坡率采用1∶0.75，平臺寬2 m，每級邊坡均采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，每孔錨索采用4束15.2 mm低松弛鋼絞，每孔錨索設(shè)計(jì)拉力620 kN，錨孔與邊坡入射角為15°。由于單獨(dú)使用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行邊坡加固，錨索拉力過大會引起表層坡體的變形，甚至破壞，而坡體的變形又會導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力的損失，從而減弱預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)效果。采用預(yù)應(yīng)力錨索與框架梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，框架梁不僅起表層固坡作用，還有傳力、散力作用，支護(hù)效果更加安全穩(wěn)定。框架梁采用4 m×3 m鋼筋混凝土澆筑，截面尺寸0.4 m×0.4 m，如圖3所示。

3.3 預(yù)應(yīng)力錨索框架梁復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化

研究區(qū)邊坡地質(zhì)條件為易風(fēng)化的砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，錨索施加預(yù)應(yīng)力后即便有框架梁散力也可能會面臨局部出現(xiàn)松弛的現(xiàn)象，為了進(jìn)一步提高支護(hù)安全余量，將預(yù)應(yīng)力錨索框架支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為預(yù)應(yīng)力錨索+框架梁+錨固柱結(jié)構(gòu)，錨索構(gòu)造圖如圖4所示，即在充分清除表面松動變形巖體后，在框架節(jié)點(diǎn)即錨頭位置沿鉆孔走向深挖1.5 m，直徑300 mm，回填C30混凝土形成錨固柱后方可進(jìn)行框架節(jié)點(diǎn)施工，錨固柱與框架梁聯(lián)合使用，共同起作用。優(yōu)化后的框架梁與坡面的有效接觸面積更大，且錨固柱坐落于更加堅(jiān)硬的巖層上，故錨索變形能得到很好的限制。

圖4 4 m×3 m錨索構(gòu)造圖（比例：1∶100）（單位：cm）

3.4 錨索框架施工工藝流程

坡面清理→錨索孔測量放線→鉆機(jī)就位→鉆孔（孔直徑150 mm）→錨孔清理→孔口擴(kuò)孔（孔直徑300 mm）→錨索體制作及安裝→錨固注漿→錨固柱施工→框架梁制作→錨索張拉及鎖定、封錨。

3.5 加固效果評價(jià)

經(jīng)計(jì)算該邊坡加固后安全系數(shù)為1.40，滿足規(guī)范要求。且工程施工完畢后，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明邊坡最大位移量為3.1 mm，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，加固效果良好。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該治理邊坡的長期預(yù)應(yīng)力損失均在5%以內(nèi)，且在2～3個(gè)月內(nèi)全部完成?？蚣芩艿耐量沽ψ兓苄　腻^索拉力和土抗力長期監(jiān)測的結(jié)果來看，預(yù)應(yīng)力錨索框架處于長期、有效的工作狀態(tài)之中。該邊坡施工結(jié)束已接近兩年，經(jīng)過兩個(gè)雨季的考驗(yàn)，坡體無任何變形跡象，表明預(yù)應(yīng)力錨索框架對該段高邊坡的穩(wěn)定能起到長期、有效的作用。

4 結(jié)論

a）本文以G1812滄榆高速公路忻保段某路基上邊坡地質(zhì)災(zāi)害為例，分析并確定了該段邊坡不良地質(zhì)現(xiàn)象是由巖土體力學(xué)特性、地層巖性等內(nèi)因和背陰坡、地形、排水等誘因共同作用的結(jié)果。

b）結(jié)合滑坡體的規(guī)模、成因、下滑力確定該段邊坡處治方案為預(yù)應(yīng)力錨索與框架梁加固。并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，方案優(yōu)化為預(yù)應(yīng)力錨索+框架梁+錨固柱加固的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該方案不僅能夠合理地改善結(jié)構(gòu)的受力條件，并且能夠充分地利用材料本身的強(qiáng)度特性，支護(hù)效果更加安全穩(wěn)定，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。