預(yù)應(yīng)力錨索鋼軌樁在巖質(zhì)邊坡病害治理中的應(yīng)用

謝振安

(廣東和立土木工程有限公司，廣州 511400)

0 引言

微型樁自上世紀(jì)九十年代成功應(yīng)用以來，由于其靈活、快速的施工手段，得以在邊坡病害處治特別是應(yīng)急搶險(xiǎn)中快速推廣。其中微型鋼軌樁因采用廢舊鋼軌截面大、剛度高，比鋼管、鋼筋等其他筋體抗滑能力更佳。微型鋼軌樁具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、場地實(shí)用性強(qiáng)、樁位布置靈活、對巖土體擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，近年來大量應(yīng)用于滑坡治理工程[1-2]。采用柔性預(yù)應(yīng)力錨索與剛性的鋼軌樁相結(jié)合，使得樁與索協(xié)同受力，可有效提高鋼軌樁的加固效果。

粵東地區(qū)花崗巖分布廣泛，構(gòu)造發(fā)育。潮漳高速公路路基挖方揭露花崗巖巖質(zhì)邊坡較多，部分坡段揭露斷層破碎帶交錯(cuò)，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富，容易在邊坡開挖防護(hù)過程中發(fā)生病害。本文以潮漳高速公路某病害工點(diǎn)為例，分析預(yù)應(yīng)力錨索鋼軌樁在巖質(zhì)邊坡病害治理中的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 邊坡概況

該高邊坡位于地形起伏較大的丘陵區(qū)埡口，自然坡角最大約 35°，山體植被發(fā)育。坡體主要由可塑狀粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖和下伏微風(fēng)化花崗巖構(gòu)成，局部存在中、微風(fēng)化層狀較完整的硬質(zhì)砂巖捕虜體。原設(shè)計(jì)為六級高邊坡，后緣山體高陡。設(shè)置坡率均為1:1，分級平臺(tái)寬度均為 2m。邊坡上部及坡腳采用錨桿加固，腰部兩級邊坡采用錨索加固，六級邊坡植草防護(hù)。邊坡最大坡高 60.65m，邊坡傾向約 50°。

1.2 病害及變更情況

當(dāng)邊坡開挖至五級邊坡中下部時(shí)，第五級邊坡出現(xiàn)開裂垮塌，因此將四級坡平臺(tái)由原設(shè)計(jì)的2m加寬至6m，五、六級邊坡坡率由1:1調(diào)整為1:1.25，第五級邊坡錨桿長度由原設(shè)計(jì)的8m增長至 11.5m，第六級邊坡由綠化防護(hù)調(diào)整為8m錨桿加固。半年后，邊坡開挖至第三級邊坡中部時(shí)，邊坡塹頂出現(xiàn)貫通裂縫，邊坡四級坡面出現(xiàn)裂縫，故在第五、六級邊坡塹頂以上采用兩排錨墩進(jìn)行預(yù)錨加固，四、五、六級邊坡采用錨索框架進(jìn)行加固，三、四級邊坡增設(shè)仰斜排水孔。

在錨固工程實(shí)施過程中，邊坡開挖至一級邊坡中部時(shí)，邊坡塹頂出現(xiàn)多道貫通裂縫并下錯(cuò)，塹頂下錯(cuò)最大高度 80cm，部分預(yù)加固錨墩架空失效；四、五、六級邊坡出現(xiàn)開裂，部分邊坡的四、五、六級邊坡錨桿、錨索框架出現(xiàn)架空和下錯(cuò)、錨頭掉落等失效情況，坡面和平臺(tái)截水溝變形開裂；三級邊坡仰斜排水孔出水量較大。邊坡已處于蠕動(dòng)狀態(tài)，坡體形成了平均厚度約12m、最大厚度約25m、體積約為12萬m3的中型滑坡，主滑方向50°。

1.3 應(yīng)急處理措施

坡腳增設(shè)高大反壓體進(jìn)行臨時(shí)反壓，四級平臺(tái)設(shè)置注漿錨筋樁，三、四級錨索框梁往兩側(cè)延伸，對裂縫及時(shí)封閉及遮蓋。實(shí)施應(yīng)急措施后，邊坡處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，但仍有滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步加固。

1.4 邊坡監(jiān)測

2016年9月開始對該邊坡進(jìn)行監(jiān)測，內(nèi)容包括深孔位移監(jiān)測、地表位移監(jiān)測和邊坡錨索錨下應(yīng)力檢測等。2017年5月中旬～6月中旬連續(xù)降雨后，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)隨病害情況均出現(xiàn)較大的異常報(bào)警值，變化速率較大(表1)。隨著反壓體及部分應(yīng)急措施的實(shí)施，邊坡變形趨于收斂狀態(tài)。

表1 2017年5～6月邊坡監(jiān)測異常情況

2 病害原因分析

2.1 地質(zhì)環(huán)境

該邊坡構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)情況復(fù)雜。邊坡花崗巖侵入接觸帶且揭露捕虜體，并揭露有5道正斷層，巖體較破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，破碎帶強(qiáng)度較低。邊坡上部揭露全風(fēng)化花崗巖、坡殘積土覆蓋層，巖體松散，親水性強(qiáng)，強(qiáng)度較低。邊坡揭露順向陡傾貫通結(jié)構(gòu)面，對邊坡穩(wěn)定不利，也為地表水下滲提供通道，是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因。

2.2 水的作用

邊坡后緣高陡匯水面積大，雨季持續(xù)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致地表水通過正斷層及坡體裂隙大量入滲，降低邊坡強(qiáng)度，進(jìn)一步降低滑面參數(shù)，是滑坡產(chǎn)生變形的主要誘發(fā)因素。

2.3 工程活動(dòng)因素

邊坡開挖施工造成邊坡臨時(shí)應(yīng)力調(diào)整，穩(wěn)定性進(jìn)一步失衡；一、二級巖質(zhì)邊坡爆破開挖施工導(dǎo)致張性裂隙力學(xué)指標(biāo)進(jìn)一步下降。

3 滑面分析與下滑力計(jì)算

3.1 滑面形態(tài)

滑面后緣為現(xiàn)有塹頂裂縫處?；婕舫隹跒槎壠履_及一級坡頂揭露砂巖-花崗巖接觸帶及斷層巖軟弱帶?；娼嵌葹橹骺?cái)嗔褞Ъ爸骺貥?gòu)造面，傾向?yàn)镹NE向，傾角約50°，與坡面小角度相交。四、五級平臺(tái)測斜孔測得的突變點(diǎn)與塹頂裂縫連線傾角約50°。四、五級平臺(tái)測斜孔鉆探過程中在相應(yīng)位移突變點(diǎn)位置出現(xiàn)斷層破碎帶，坡腳揭露部分順傾低角度節(jié)理面。

邊坡滑面后緣位于現(xiàn)有塹頂裂縫處，后緣滑面角度50°，前緣滑面角度10°～15°，現(xiàn)有滑面剪出口在二級坡腳至一級坡頂處，滑體最大厚度約25m。

3.2 參數(shù)反算及下滑力

考慮邊坡處于蠕動(dòng)狀態(tài)的病害情況，假定邊坡整體安全系數(shù)為0.95，反算滑面參數(shù)?？紤]到坡體富水，滑坡滑體重度γ=25kN/m3，反算結(jié)果如下：滑面后緣粘聚力C=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=20°；主滑段粘聚力C=20 kPa，內(nèi)摩擦角φ=21°。根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，邊坡主滑段下滑力約為2 800kN/m。

圖1 主滑面

4 病害治理思路及方案比選

該高邊坡病害較復(fù)雜，且無卸載放坡條件，現(xiàn)有滑面下滑力大，潛在滑面較深。病害治理的重點(diǎn)是加強(qiáng)現(xiàn)有滑面(斷層破碎帶)的加固，兼顧由于花崗巖俘虜?shù)纳皫r不整合接觸面形成的潛在滑面。因邊坡主滑段下滑力較大，且主滑段角度較大，采用常規(guī)的錨索框梁加固時(shí)，錨索體剪切受力或附加應(yīng)力較大，加固效果不佳，且錨固力也不夠。由此擬定3個(gè)加固方案進(jìn)行比選：

(1)方案一(鋼軌樁方案)：二、三級邊坡設(shè)置多排鋼軌樁加固，邊坡腰部及頂部采用錨索十字架加固，防止滑坡冒頂。

(2)方案二(抗滑樁方案)：二級平臺(tái)設(shè)置一排2×3m的抗滑方樁加固，邊坡坡腰部及頂部采用錨索十字架加固，防止滑坡冒頂。

(3)方案三(放坡方案)：四級平臺(tái)加寬至25m進(jìn)行減載，五～九級邊坡坡率均為1:1，平臺(tái)寬度均為2m，最大坡高為10m，坡面采用錨索格梁進(jìn)行加固。

以上三個(gè)方案的比選情況見表2。

表2 邊坡加固方案比選

該工點(diǎn)后緣較高，放坡方案會(huì)大大加高邊坡的高度，且征地問題難以解決，宜采用樁錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。但采用傳統(tǒng)抗滑樁施工周期長，施工難度大，在硬質(zhì)巖富水邊坡采用爆破成孔或人工挖孔風(fēng)險(xiǎn)較大，對邊坡擾動(dòng)較大。通過各方面比選，決定采用鋼軌樁加固方案。

為進(jìn)一步優(yōu)化鋼軌樁受力結(jié)構(gòu)，提高加固效果，采用鋼筋混凝土格梁將鋼軌樁連接，并在樁頂增設(shè)錨索十字架，使預(yù)應(yīng)力錨索與鋼軌群樁共同受力。當(dāng)滑坡體發(fā)生變形時(shí)，位于樁體后部的錨索受到滑坡的下滑力作用時(shí)，增力的預(yù)應(yīng)力同時(shí)將增加的額外預(yù)應(yīng)力傳遞到錨索的反力結(jié)構(gòu)抗滑樁，使錨索與抗滑樁協(xié)調(diào)共同支擋滑坡的下滑力，提高鋼軌樁的抗滑力。

5 加固措施及加固效果

5.1 加固措施

二級、三級平臺(tái)分別設(shè)置3排、2排鋼軌樁，鋼軌樁長度25m、30m，橫向間距 2m，縱向間距 1m，鉆孔直徑300mm。鋼軌采用60kg鋼軌，樁頂采用砼地格梁連接，格梁尺寸 30cm×30cm。樁頂格梁與上一級坡腳錨索十字架連成整體(圖2)。

圖2 鋼軌樁結(jié)構(gòu)

一級坡面采用錨桿格梁防護(hù)，錨桿長度11.5m；二級坡面采用預(yù)應(yīng)力錨索框梁防護(hù)，錨索長度40m；三級、四級、五級坡面在原有錨索框架基礎(chǔ)上，增設(shè)錨索十字架，錨索長度40～48m。一、二級坡腳設(shè)置斜孔排水，間距6m，斜孔長度30m，加強(qiáng)深層地下排水；塹頂外20m處增設(shè)塹頂截水溝，加強(qiáng)上部自然邊坡匯水的截排(圖3)。

圖3 病害處置

5.2 加固效果

病害治理措施在2017年12月前順利完成，保障了潮漳高速公路按時(shí)通車。加固措施完成后，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。通車后的2018～2020年，對該邊坡進(jìn)行長期工后監(jiān)測，共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測斷面，13個(gè)孔做深孔位移監(jiān)測。根據(jù)2020年監(jiān)測結(jié)果顯示，深孔位移監(jiān)測年度累計(jì)最大位移值7.40mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量較小，位移曲線未見明顯拐點(diǎn)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.3 推廣應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力錨索鋼軌樁方案在潮漳高速公路成功實(shí)施后，隨后在廣東省仁博高速公路一復(fù)雜地質(zhì)條件的六級邊坡滑坡治理工程中的應(yīng)用表明，效果良好[3]。

6 結(jié)語

(1)對于受復(fù)雜構(gòu)造影響的巖質(zhì)邊坡滑坡病害，在分析清楚病害原因及滑面形態(tài)后，宜采用樁錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，同時(shí)加強(qiáng)地下水的疏排。

(2)采用微型鋼軌樁的加固模式相比傳統(tǒng)抗滑樁，具有施工工藝簡單、施工時(shí)間短，造價(jià)較低的優(yōu)勢，在巖質(zhì)邊坡中，能較好地發(fā)揮錨固力。

(3)鋼軌樁以多排、小間距連續(xù)布設(shè)，樁頂采用格梁連接，并在樁頂?shù)穆?lián)接結(jié)構(gòu)中設(shè)置錨索，形成微型錨索樁。此時(shí)由于錨索的主動(dòng)受力特性，大大改善了微型型的長細(xì)比偏弱的問題，也為錨索提供了良好的反力結(jié)構(gòu)，可有效地提高鋼軌樁的抗滑作用。