路基高邊坡錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)

鮮超 XIAN Chao；王朝齊 WANG Chao-qi

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100000）

0 引言

我國高速公路交通建設(shè)里程長、規(guī)模大和投資大，在近幾年飛速發(fā)展，備受人們的關(guān)注。隨著國家西部大開發(fā)的持續(xù)深入，對交通的要求越來越高，為了適應日益增長的交通量，不斷增大的行車密度，以及高速公路、一級公路等高等級公路沿線工程建設(shè)的需要，我們必須對既有高速公路、一級公路進行改造。河北地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼，交通、水利、市政等項目建設(shè)取得了顯著成就[1-2]。我國地質(zhì)條件復雜，加之人類工程活動影響，使得我國公路高邊坡地質(zhì)災害頻發(fā)。由于其中滑坡、崩塌等地質(zhì)災害一直是我國公路建設(shè)中的一個重大工程難題。因此，需要保證既有道路的行車安全、暢通和提高通行能力[3]。如何對高邊坡進行支護設(shè)計和施工已成為高速公路建設(shè)的重要課題之一。目前國內(nèi)的高速公路邊坡工程主要采用預應力錨桿、錨索、抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)進行加固和穩(wěn)定處理，但傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)受環(huán)境、氣候等因素影響較大，支護效果不能滿足要求[4-5]。

錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)就是針對既有道路安全保障能力差，特別是在我國一些山區(qū)或多雨地區(qū)公路高邊坡工程中經(jīng)常出現(xiàn)山體滑坡、滑移等地質(zhì)災害的情況而研發(fā)出來的。該技術(shù)以錨桿為主要支護結(jié)構(gòu)，能夠有效地防止邊坡滑動變形和滑坡等地質(zhì)災害發(fā)生[6]。錨桿組合支護技術(shù)適用于各種土質(zhì)、多種坡度、多種環(huán)境條件下的巖質(zhì)和土坡等各種類型的邊坡工程，尤其是對高邊坡、大坡道工程具有較好的效果[7-8]。該技術(shù)以其在山區(qū)復雜地質(zhì)條件下施工進度快、工程質(zhì)量好、工程成本低和安全性能高等優(yōu)點而成為我國山區(qū)公路高邊坡加固改造的首選措施之一。本研究提出了一種新型的路基高邊坡錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)，并應用于某高速公路路基高邊坡工程中。

1 錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)研究

1.1 路基高邊坡穩(wěn)定性計算

在路基高邊坡穩(wěn)定性計算中，傳統(tǒng)的施工技術(shù)中主要使用的是有限單元法和數(shù)值分析方法，這兩種計算方法在實際使用的過程中計算速度快，能夠彌補極限平衡法和有限單元法的不足。由于采用了可靠度理論進行邊坡穩(wěn)定性驗算，可以使計算結(jié)果更加符合實際情況[9]。在實際工程中，邊坡穩(wěn)定主要考慮以下幾個方面：第一、天然狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性。天然狀態(tài)下的邊坡不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，只需要考慮邊坡自身重力作用下的穩(wěn)定[10-12]。第二、地震作用下的邊坡穩(wěn)定。當?shù)卣鸢l(fā)生時，地震波以上百公里每秒的速度進行傳播，速度快，強度大，嚴重影像路基高邊坡的穩(wěn)定性。當遇到極端的暴雨天氣時，也容易導致邊坡失穩(wěn)破壞。針對以上考慮，對邊坡穩(wěn)定性進行計算，使用圓弧法模擬路基高邊坡的滑移狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)如下：

上式中，存在：

其中，Ks為邊坡穩(wěn)定系數(shù)，Gi為第i 計算條塊的單位巖土體的重量，Gbi表示第i 滑體地表建筑的單位寬度，pwi表示第i 條塊的動水壓力，ai表示巖土體內(nèi)摩擦角標準值，θi表示地面傾角，Ri表示滑體的抗滑力。

在高邊坡設(shè)計中需要考慮的因素比較多，既要考慮其整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)性，還要考慮其地震作用、降雨作用等影響因素。在計算時需要從多個方面進行綜合考慮，才能保證邊坡穩(wěn)定[13]。對于不同的邊坡巖體情況、坡體結(jié)構(gòu)類型、坡體坡度和坡體高度等都會對邊坡穩(wěn)定系數(shù)產(chǎn)生不同程度的影響。另外，邊坡巖土體參數(shù)和土性參數(shù)等都會對邊坡穩(wěn)定系數(shù)產(chǎn)生一定影響。因此，在對邊坡進行穩(wěn)定性計算時要綜合考慮各方面因素來確定計算方法和計算參數(shù)。

1.2 設(shè)計錨桿組合支護模型

在對邊坡進行錨桿加固之前，要先對邊坡進行穩(wěn)定性計算，以此確定錨桿的數(shù)量、間距和傾角。其次，根據(jù)設(shè)計要求對錨桿的材料進行選擇。對于高邊坡，在選擇錨桿時，可以優(yōu)先選用鋼筋錨桿和鋼鉸線錨桿，并且要對其長度、直徑以及抗拉強度進行合理計算[14]。再次，確定預應力的大小。最后，在對錨桿的布置方式進行設(shè)計時，應該結(jié)合巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)特征、土體性質(zhì)以及坡面形態(tài)等因素來確定。本文采用MC 模型來描述土體和延時的剪切破壞，如圖1 所示。

圖1 MC 模型示意圖

圖1 中，在確定了支護方式之后，屈服函數(shù)從A 到B的破壞包絡(luò)線表示為：

上式中，σ1、σ3表示不同面上的主應力，c 為粘聚力，N?表示彈性增量。應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行合理設(shè)計。主要包括以下幾個方面：首先要對錨桿的排距以及長度進行確定，并且要保證其錨固深度和間距都能滿足要求。要根據(jù)現(xiàn)場實際情況對錨桿的傾角進行合理設(shè)計，采用分段式加固方案進行設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，需要考慮到邊坡坡面的坡度以及地質(zhì)條件等因素。在施工前還應該對預應力錨桿進行試壓。對于邊坡部分來說，在進行加固之前首先要對坡面進行處理，這樣才能保證后期加固的效果；其次是在坡面上鋪設(shè)砂礫墊層來增加邊坡的穩(wěn)定性；最后還要設(shè)置排水孔和泄水孔等設(shè)施來排除坡體內(nèi)多余的水。在對邊坡進行加固之后還應該在坡面上設(shè)置排水系統(tǒng)以及泄水孔等設(shè)施。如果坡面有過多的水流或者是地下水源通過的話，那么就應該及時排除這些積水；另外，在邊坡加固完成之后還需要對坡面進行灑水養(yǎng)護工作。

為了防止邊坡在受到外部荷載的時候產(chǎn)生變形現(xiàn)象，還應該在邊坡上部設(shè)置一定數(shù)量的護坡措施。一般情況下采用擋墻等防護設(shè)施來達到這個目的。如果是一些較為復雜的巖質(zhì)邊坡工程的話，那么可以采用錨桿支護和混凝土擋墻等防護措施來實現(xiàn)防護目的。

1.3 錨桿框架梁支護防滑移施工

錨桿框架梁施工前，應按設(shè)計要求對錨桿框架梁進行復核，并做好標記[15]。防滑移施工技術(shù)如圖2 所示。

圖2 防滑移施工技術(shù)

根據(jù)路基高邊坡工程的特點，選擇錨桿框架梁類型作為合適的解決方案。錨桿框架梁具有良好的承載能力和穩(wěn)定性，能夠有效地抵抗邊坡的滑坡和塌方等地質(zhì)災害，并提供可靠的支撐和固定。根據(jù)實際情況，邊坡高度為20m。采用1∶1.5 的邊坡坡度來平衡邊坡的穩(wěn)定性和美觀性。根據(jù)工程要求，每一層邊坡設(shè)定錨桿數(shù)量為20 根，錨桿的間距為2m?？偣残枰O(shè)置10 層錨桿。選擇直徑為25mm 的鋼筋作為錨桿材料，并將其埋入邊坡內(nèi)部至少6m 深度，以確保牢固的固定效果。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，框架梁的尺寸為1.2m 高、0.8m 寬，使用優(yōu)質(zhì)的混凝土材料進行施工。在框架梁上預留適當?shù)目锥?，通過螺栓將錨桿牢固地連接到框架梁上，以提供穩(wěn)定的支撐作用。

至此完成路基高邊坡錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)的設(shè)計。

2 工程實例分析

2.1 工程背景

以河北省承德市某高速公路中某施工合同段建設(shè)工程為研究對象，項目地處承德市下轄境內(nèi)村鎮(zhèn)，總體里程較長且地勢陡峭。所處區(qū)域路塹區(qū)出露巖層為震旦系白云質(zhì)灰?guī)r（Z2t），巖層面產(chǎn)狀130∠39°，受構(gòu)造影響，節(jié)理裂較發(fā)育，巖芯表面溶蝕現(xiàn)象較明顯。路塹區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地貌，山體自然坡度較陡。項目內(nèi)斜坡高程范圍641.6～720.3m，相對高差約為78.7m，整體地形坡度23°～45°，延伸寬度為3～8m，存在一定安全隱患。

2.2 工程參數(shù)

在實際路基的防滑施工過程中，傳統(tǒng)的錨固方式無法滿足支撐需求，因此應充分的考慮到支護的各項參數(shù)，具體如下：

①錨桿長度：以鉆機直徑30mm 為例，綜合考慮到拉斷力、摩擦力、間排距等因素，最終選取規(guī)格為2.5m。

②錨桿直徑：根據(jù)現(xiàn)場的施工環(huán)境條件進行選擇，且要保證鉆孔桿體差值，確定直徑長度為22mm。

③預緊力：要求預緊力在屈服荷載45%以上，保證整體的承載能力，設(shè)定為65kN。

④金屬網(wǎng)噴：按照實際需求設(shè)置金屬網(wǎng)片規(guī)格和連接方式，噴層厚度進行調(diào)整，保證巖體位置的穩(wěn)固。

在不同支護項目中由于環(huán)境因素的不同，可根據(jù)實際情況進行各項參數(shù)的調(diào)整，確保施工和運行的安全穩(wěn)定。

2.3 防滑移性能分析

在工程進行前需要布控觀測站，用于記錄表面位移，形變程度和錨索受力狀態(tài)等，在坡面一側(cè)布置5 處不同點位，進行標記作為觀測目標，每處錨桿位置配有測力計裝置，每日對各項數(shù)據(jù)進行觀察記錄。分析各處活動狀態(tài)和變化規(guī)律，判斷錨桿框架的應用效果，也為后續(xù)設(shè)計施工修改提供相應的參考依據(jù)，觀測示意圖見圖3。

圖3 邊坡模型示意圖

錨桿防護在整體施工過程中相對簡單便捷，但是效果顯著，是防滑移的重要手段。

按照上述方式方法進行觀測，對收集到的數(shù)據(jù)信息進行整理分析結(jié)果如下：

由圖4 圖5 可以看出，抽取的觀測點A、C、E 在項目初期形變較為明顯，隨著時間的推移，形變速率呈現(xiàn)下降趨勢，最后逐漸保持穩(wěn)定。

圖4 位移速度變化曲線

圖5 位移累計變化曲線

錨桿C 點最大的形變速率可以達到21mm/d，結(jié)合周邊環(huán)境了解到此時處于回風較大階段。及時在形變嚴重的初期三處平均形變?nèi)匀豢梢钥刂圃?4mm/d 以內(nèi)。一月內(nèi)整體的平均累計變化量為106.8mm。

圖5 中曲線在時間在19d 之后趨于相對平衡，形變速率較小，路基高邊坡達到穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖6 可以看出錨桿不同位置的荷載分布并不均勻，從整體曲線變化趨勢表現(xiàn)判斷出中間位置為最大的承重點，兩側(cè)相對較小。伴隨著時間的延長錨桿受力也在逐漸增加，起到有效的防護作用。

圖6 錨桿B 應變力變化曲線

在圖7 中埋設(shè)21 天時，應力曲線變化加劇，而其他時段受力平緩穩(wěn)定，表明此處可能遭受撞擊，失去保護作用，應及時處理恢復支護效果。

圖7 錨桿D 應變力變化曲線

圖8 選取了不同預埋時間錨固力變化曲線，可以看出在同一時段，隨著錨桿位置深度的增加，錨固力呈現(xiàn)下降趨勢，錨桿頂部受拉力較大，而錨桿深度形變較小，整體平衡穩(wěn)定，達到持續(xù)支護作用，本文設(shè)計施工技術(shù)可以有效的控制路基高邊坡的移滑。

圖8 錨桿不同深度錨固力

3 結(jié)束語

近年來，錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)得到了快速發(fā)展，它不僅能夠有效地控制高邊坡變形破壞，而且還能大大提高施工效率和質(zhì)量，節(jié)省工程造價。因此，在我國山區(qū)高邊坡加固工程中廣泛采用錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)進行治理，具有重要的現(xiàn)實意義。錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)雖然不是一項獨立的技術(shù)，但它和其他一些技術(shù)方法如擋土墻、錨固樁等綜合應用能夠較好地解決不同土質(zhì)邊坡的加固問題。同時，由于錨桿的固定性較強，所以它還能夠在一定程度上提高邊坡的穩(wěn)定性，有效地解決了邊坡滑移現(xiàn)象。尤其是在我國一些山區(qū)或多雨地區(qū)，由于受到自然環(huán)境、地質(zhì)條件及施工工藝等因素的限制，采用錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)來加固高邊坡是非常有效的措施之一。另外，采用錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)還能夠提高邊坡工程質(zhì)量，使之更好地適應高等級公路的需要?？傊?，隨著錨桿組合支護防滑移施工技術(shù)在我國山區(qū)或多雨地區(qū)高邊坡加固改造工程中的廣泛應用，將會對我國公路交通事業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。