預應力錨索加固公路順層高邊坡方案研究

摘要 文章以沉積巖地區(qū)某高等級公路順層邊坡實例為依托，運用庫倫巖土軟件，結合勘察及抗剪強度指標反算，采用傳遞系數(shù)法，確定邊坡加固前后的穩(wěn)定系數(shù)。同時結合項目特點，進行了改線避讓、軟弱結構面強度改良、力學平衡等多方案比選，最終確定采用預應力錨索框架結合截排水方案進行綜合治理，確保方案的安全性和經(jīng)濟性，對類似項目具有一定的借鑒意義。

關鍵詞 順層高邊坡;傳遞系數(shù)法;預應力錨索

中圖分類號 TU435 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0157-03

0 引言

高等級公路進入山區(qū)和丘陵地區(qū)，受地形限制，高填深挖難以避免。高邊坡的數(shù)量多、高度大，一旦產(chǎn)生變形破壞，在施工期就會導致投資增加，延誤工期，運營期容易中斷交通，危害過往行人和車輛安全。沉積巖地區(qū)的順層高邊坡具有分布廣泛、作用機理復雜、地質(zhì)選線時難以完全避讓、變形失穩(wěn)后破壞力較大等特點，其穩(wěn)定性分析評價、監(jiān)測、預防和綜合治理等已引起廣大工程技術人員的高度重視[1]。

1 工程實例應用分析

1.1 項目概況

某高速公路沿山麓布設，采用挖方斷面形式通過。區(qū)域地質(zhì)資料及工點勘探成果揭示，該段為典型的沉積巖地層，巖層傾向開挖坡面，傾角一般在20o左右，產(chǎn)狀不利邊坡穩(wěn)定。此類坡體結構在開挖卸荷、暴雨等不利工況作用下，極易產(chǎn)生順層滑動，當有多個軟弱夾層時，會發(fā)生多層滑動，甚至誘發(fā)工程滑坡。

1.1.1 地形地貌

擬建項目工點地貌單元為低山，山體渾圓，植被茂盛，自然地面高程在185.35～220.57 m之間，高速公路切坡后，將形成近35 m左右的高邊坡。

1.1.2 地層巖性

根據(jù)鉆探揭露，該次勘察土層自上而下可分為四個工程地質(zhì)大層，三個工程地質(zhì)亞層。

（1）層粉質(zhì)粘土：灰黃色，可塑狀，含鐵質(zhì)銹斑，粉粒含量高、且夾少量碎石。無搖振反應，切面稍光滑，韌性中等，干強度中等，層厚0.9～7.0 m。

（2）層碎石土：雜色，稍密～中密，稍濕。碎石母巖成分主要為砂巖、灰?guī)r碎塊等，可塑～硬塑狀粉質(zhì)粘土及中密狀粉細砂充填。碎石常見粒徑5～20 cm不等，碎石含量約60%，呈棱角狀，土質(zhì)不均勻，層厚1.50～6.2 m不等，局部缺失。

（3）層強風化泥質(zhì)粉砂巖：黃褐色，母巖大部分已風化成細砂、粗砂狀，局部夾礫石，泥質(zhì)膠結差，結構密實，遇水易軟化，敲擊易碎，局部夾原巖硬塊，鉆探時存在軟弱不均現(xiàn)象。屬極軟巖，極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。層厚2.60～9.20 m。

（4）層中風化泥質(zhì)粉砂巖：黃褐、微紅色，巖芯呈碎塊狀，裂隙發(fā)育，泥質(zhì)結構，塊狀構造。巖芯碎塊強度較低，浸水易軟化。巖芯采取率75%左右。巖體較破碎，巖石堅硬程度分類為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為V級。該層未揭穿。

2 順層高邊坡穩(wěn)定性分析及評價

2.1 穩(wěn)定性分析方法的選定

根據(jù)地勘資料，該邊坡為典型的順傾層狀坡體結構，綜合采用工程類比法、計算法及赤平投影法等方法進行分析計算。其中工程類比法及赤平投影法主要用于邊坡穩(wěn)定的定性分析;定量計算方法上主要選用直線、折線形破壞的傳遞系數(shù)法、Bishop條分法[2]。

2.2 巖土層主要物理力學指標

順層巖質(zhì)邊坡的抗剪強度指標的獲取一直是邊坡勘察的一個難題，同時也是影響穩(wěn)定性分析評價結果的決定性因素?，F(xiàn)場直剪試驗往往由于試驗點偏少，或者試驗點位的代表性不足，導致得出來的抗剪強度指標偏離實際，且費時費力、成本較高，一般工程很難實現(xiàn)。目前工程界通行做法是，在具體的工點勘察中做好邊坡結構面的現(xiàn)場調(diào)查工作的同時，現(xiàn)場確定結構面的軟、硬類型、結合程度及裂隙的發(fā)育程度，選取有代表性的巖石做抗壓試驗，同時進行相關的反演分析[3]。

力學反演分析的實質(zhì)是視邊坡將要滑動而尚未滑動的瞬間為極限平衡狀態(tài)，即穩(wěn)定系數(shù)Fs=1，列出極限平衡方程，求解出C值或值。

一般方程如下：

根據(jù)區(qū)域經(jīng)驗結合土工試驗成果，結合傳遞系數(shù)法反算，提供有關邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)見表1。

2.3 計算工況的選定

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》，邊坡穩(wěn)定一般應考慮以下三種工況[4-5]：

（1）正常工況：邊坡處于天然狀態(tài)下的工況。

（2）非正常工況Ⅰ：邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況。

（3）非正常工況Ⅱ：邊坡處于地震等荷載作用狀態(tài)下的工況[6]。

2.4 高邊坡典型斷面穩(wěn)定性分析

采用庫倫巖土軟件邊坡穩(wěn)定分析模塊進行計算（如圖1、圖2所示）。

2.4.1 加固前

下滑力總和：Fa=3 245.15 kN/m;

抗滑力總和：Fp=3 229.67 kN/m;

下滑力矩：Ma=104 377.26 kN·M/m;

抗滑力矩：Mp=103 332.58 kN·M/m;

安全系數(shù)：Fs=0.99<1.30。

根據(jù)計算可知，邊坡在未加固前，自然狀態(tài)下穩(wěn)定性不足，安全儲備不夠，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需對其進行加固，評價結論見表2。

2.4.2 邊坡加固方案的比選

公路工程中處理高邊坡常用的方案有改線避讓、削方減載、坡腳反壓、邊坡改良，力學平衡等方案。該項目因受地形和前后路段標高限制，無其他走廊帶用于改線，橋梁方案亦難以實施。

注漿方案可改善巖體結構面強度，但難以精確量化，同時該邊坡碎石土層較厚，強～中風化層裂隙發(fā)育，容易產(chǎn)生漏漿現(xiàn)象，注漿效果難以保證。

該段路線沿山腰布線，路基外側無反壓條件;同時因自然坡較陡，若設置過緩的坡率，則進一步將增大邊坡高度。因此，削方減載和坡腳反壓，亦不適用于該項目。

經(jīng)過上述定性比選分析，該項目較為適用的方案為力學平衡法，即通過設置支擋構造物，增大抗滑力，以平衡邊坡下滑力，提高整體穩(wěn)定性，確保安全。

2.4.3 加固后（見圖3）

滑面上下滑力的總和：Fa=2 451.77 kN/m;

滑面上抗滑力的總和：Fp=2 768.55 kN/m;

下滑力矩：Ma=100 046.25 kN·M/m;

抗滑力矩：Mp=132 061.05 kN·M/m;

安全系數(shù)：Fs=1.32>1.30。

3 邊坡綜合治理方案

預應力錨索主要是利用高強度鋼絞線的抗拉性能，采用千斤頂對其進行張拉鎖定后，再結合地梁、錨墩或框架梁等反力裝置，對坡面進行預加固，對坡體主動施加抗滑力，進而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。預應力錨索框架以其布設靈活，受力加固機理明確，特別適用于坡體表面松散、潛在滑面較深的高邊坡加固[7]。

根據(jù)對該高邊坡工點坡體結構調(diào)查及穩(wěn)定性分析，該段邊坡最終采用坡面框架錨桿（索）結合框格內(nèi)植生袋綠化并輔以坡頂、坡面截排水的措施進行綜合處理。

3.1 錨索框架

該項目因潛在滑面較深，邊坡剩余下滑力較大，路線位于山腰布線，邊坡一旦變形，極易誘發(fā)上、下邊坡進一步失穩(wěn)破壞，甚至誘發(fā)地質(zhì)災害。傳統(tǒng)砂漿錨桿難以穿透滑體，形成有效加固，須采用錨索方案。經(jīng)計算，錨索長度為20～25 m，其中自由段10 m，錨固段10～15 m，穿過滑動面錨固在穩(wěn)定的巖層中。錨索長度及錨固力計算見表3。

因坡體表層主要為粉質(zhì)粘土和碎石土，須設置框架梁作為反力裝置，形成整體?？蚣芰河韶Q肋和橫梁連接而成，錨索鎖固在豎肋和橫梁交叉節(jié)點處，根據(jù)計算剩余下滑力的大小，確定單孔錨索的錨固力。錨索錨固力設計值一般為500～700 kN，每束錨索由5～7根鋼絞線制成，總長25 m左右，其中自由段長度10 m，錨固段長10～15 m左右。錨索下傾角20°左右，豎肋橫梁的截面尺寸為60 cm×60 cm，豎肋橫向間距一般為3 m，采用C30混凝土現(xiàn)澆。

3.2 植生袋綠化

為美化路容，邊坡框架內(nèi)可采用人工碼放植生袋綠化。植生袋是一種類似用編織袋的袋子，由無紡布、植物種子、肥料和編織網(wǎng)組成。將種植土、砂和有機（無機）肥料等綠化基質(zhì)，經(jīng)人工拌合后，在現(xiàn)場施工裝入袋內(nèi)?？筛鶕?jù)現(xiàn)場邊坡的骨架條件靈活設置其規(guī)格，運輸便利，施工快捷，見效快。

3.3 排水工程

邊坡地表水和地下水的活動是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，有時甚至是控制性因素。因此，邊坡的截排水設計與支擋加固工程同等重要。

邊坡的截排水系統(tǒng)可分為地表排水和地下排水兩部分，地表排水的常用措施為坡頂截水溝、平臺截水溝、急流槽等，其主要作用是對地表徑流進行攔截。

地下排水系統(tǒng)主要可采用仰斜式排水孔、支撐滲溝、截水隧洞等。

根據(jù)對該邊坡進行穩(wěn)定性分析，邊坡主要沿層理面產(chǎn)生直線或折線滑動，當?shù)亟涤炅枯^豐富，因此地下排水措施主要采用仰斜式排水孔方案。

同時，該段邊坡坡口線外側匯水面積大，匯水對邊坡坡面易產(chǎn)生沖刷，在開挖坡口線以外5 m外設環(huán)形坡頂截水溝，端部引入邊溝，地形較陡時可采用急流槽。

4 結語

沉積巖地層中，因公路建設人工切坡易產(chǎn)生順層高邊坡，順層高邊坡的滑動往往具有多層多級的特點，經(jīng)常會出現(xiàn)深淺不一的多層滑動面。一旦開挖或加固不當，易誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災害，處置難度大，治理費用高[8]。

預應力錨索因其受力明確，布設靈活，亦可結合抗滑樁、地梁、墊墩等構件共同受荷等特點，在高邊坡加固及滑坡治理中應用廣泛。

該文針對某公路高邊坡工程實例，結合工程地質(zhì)勘察，選擇典型開挖斷面，采用庫倫巖土軟件，計算了加固前后的穩(wěn)定系數(shù)、錨固段長度、錨固力大小等設計參數(shù)，計算結果與現(xiàn)場邊坡狀況吻合度較好，可為后期類似項目提供參考。

參考文獻

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