預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護中的應(yīng)用

陶學(xué)俊

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

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預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護中的應(yīng)用

陶學(xué)俊

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)

摘要以湖南岳陽某高速公路路塹高邊坡工點為例，介紹邊坡防護設(shè)計思路、邊坡穩(wěn)定性計算、邊坡錨固計算流程和要點，包括錨固力、錨桿間距、錨桿長度和錨固角等，并提出施工和監(jiān)測方面的注意事項。邊坡錨固是一個系統(tǒng)工程，設(shè)計時應(yīng)對錨固方案的合理性、安全性和經(jīng)濟性進行綜合論證分析，選擇最佳方案，并需做好前期勘察和后期監(jiān)測工作。

關(guān)鍵詞高邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿錨固防護

路塹邊坡治理是公路和鐵路建設(shè)中比較常見的問題，但近年來依然頻見邊坡事故的發(fā)生，如何對邊坡穩(wěn)定性進行準(zhǔn)確分析并提出經(jīng)濟安全的加固方案，值得深入研究。邊坡錨固是一種發(fā)展中的加固措施，預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護工程中得到了大范圍的應(yīng)用，并取得良好的加固效果[1-5]。

1工程概況

1.1地形地貌及氣候條件

湖南岳陽某高速公路有一長達12 km的路段，地層主要由燕山期花崗巖構(gòu)成，地貌形態(tài)相對簡單，屬于構(gòu)造侵蝕、剝蝕地貌，大部分為低矮的圓緩狀丘陵山體和谷地。

項目所在地區(qū)處于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的地帶，其氣候為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。年平均降水量為1 200～1 300 mm，雨水多集中在3～8月，約占全年降雨量69%。

1.2工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查測繪及鉆探成果，場地內(nèi)分布的地層主要有第四系覆蓋層和燕山期花崗巖，地層巖性單一，構(gòu)造不發(fā)育，地質(zhì)條件簡單。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。域內(nèi)地震動峰值加速度為0.05 g，對應(yīng)中國地震烈度區(qū)劃圖的地震基本烈度為6度區(qū)。

本路段地表水主要為河流支流沖溝水，地表徑流量變化顯著，年際間豐、平、枯交替明顯，溪溝水位受降水量影響明顯，山洪對路基及構(gòu)筑物存在較強的沖刷作用。路線區(qū)地下水按照地下水賦存條件及運移特征可劃分為孔隙水和基巖裂隙水兩類。孔隙水主要賦存于河流階地的砂、卵石層、山坡，以及山間谷地坡積成因的粉土、砂土層中，以大氣降水及地表水補給為主。基巖裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙、層間裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中，以風(fēng)化裂隙含水為主，主要靠大氣降水通過松散堆積層間接補給或上層地下水的補給，部分基巖裸露的山體為降水直接補給。

本路段因挖方產(chǎn)生很多高邊坡，下面以K12+880～K13+120段左側(cè)的深路塹邊坡為例進行邊坡穩(wěn)定性分析和錨固設(shè)計。該段邊坡原地面坡度10°～15°，用地界有一定限制。

2邊坡穩(wěn)定性分析

本段邊坡受地形地貌限制，開挖高度較大，根據(jù)邊坡高度、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、排水措施、施工方法，并結(jié)合沿線區(qū)域既有邊坡綜合調(diào)查結(jié)果，采取臺階式邊坡。邊坡坡率：頂層邊坡坡率為1∶1.25，其他層邊坡坡率為1∶1.0。臺階式邊坡每隔8 m設(shè)一級平臺，平臺寬2 m。邊坡刷至自然山坡坡頂，最高達31 m。

取K12+980處的邊坡橫斷面為算例，進行穩(wěn)定性分析。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔提供的資料，各土層計算參數(shù)見表1。

表1　土層分布及計算參數(shù)

開挖后的人工邊坡計算模型如圖1所示，邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果見表2，其結(jié)果不滿足相應(yīng)規(guī)范要求，需對邊坡進行防護。

圖1　開挖后的人工邊坡計算模型

計算方法瑞典法Bishop法Janbu法安全系數(shù)值0.9631.0971.025

3邊坡錨固設(shè)計

根據(jù)該段邊坡地形特點、地質(zhì)情況以及用地限制條件，對抗滑擋墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨桿框架等路基防護和支擋方案作經(jīng)濟技術(shù)分析比較后，采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架并結(jié)合排水措施對該路塹高邊坡進行加固。

3.1錨固力計算

在對錨固邊坡進行穩(wěn)定性計算時，需要將錨固作用力簡化。有兩種簡化的方式，一是將錨力簡化為作用于滑面上的一個集中力，二是將錨力簡化為作用于坡面上的一個集中力。為安全起見，一般采用兩種方法計算結(jié)果的較小值，錨固作用力的簡化如圖2所示[6-8]。

圖2　錨固作用力的簡化

邊坡加固力按公式(1)進行計算

(1)

式中T——錨桿設(shè)計錨固力/kN；

E——邊坡下滑力/kN；

α——錨桿與滑動面相交處的滑動面傾角/(°)；

β——錨桿與水平面的夾角/(°)；

φ——滑動面內(nèi)摩擦角/(°)。

根據(jù)公式(1)，算得該單位厚度邊坡所需的錨固力為732 kN。

3.2預(yù)應(yīng)力錨桿間距

當(dāng)錨桿的水平間距和垂直間距設(shè)置過小時，容易產(chǎn)生群錨效應(yīng)，導(dǎo)致錨固力降低；當(dāng)設(shè)置過大時，容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象(因為單根錨桿承載力過大)。錨桿的水平間距和垂直間距一般應(yīng)控制在1.5 m至4.0 m之間。在本邊坡錨固中，水平間距為3.0 m，垂直間距為4.0 m。

3.3預(yù)應(yīng)力錨桿長度

預(yù)應(yīng)力錨桿總長度主要包括錨固段長度和自由段長度。

錨固體的承載能力一般由三部分控制：地層與注漿體的粘結(jié)強度、注漿體與錨桿體的粘結(jié)強度以及錨桿強度，設(shè)計時取三者小值。

地層與注漿體的粘結(jié)長度按公式(2)進行計算

(2)

式中La——地層與注漿體的粘結(jié)長度/m；

K——預(yù)應(yīng)力錨桿錨固體設(shè)計安全系數(shù)；

ζa——地層和錨固體粘結(jié)工作條件系數(shù)，永久性錨桿取1.0；

da——錨固段鉆孔直徑/m；

fa——地層與注漿體的粘結(jié)強度/kPa；

其余符號意義同前。

注漿體與錨桿體的粘結(jié)長度按公式(3)進行計算

(3)

式中Lb——注漿體與錨桿體的粘結(jié)長度/m；

ζb——砂漿和錨固體粘結(jié)工作條件系數(shù)，永久性錨桿取0.6；

db——錨桿體材料直徑/m；

fb——注漿體與錨桿體的粘結(jié)強度/kPa；

n——錨桿體根數(shù)。

其余符號意義同前。

確定錨桿錨固段長度時，分別對錨桿粘結(jié)長度La和Lb進行計算，并取兩者中的大值。本工點邊坡取10 m。

一般由穩(wěn)定地層界面決定錨桿自由段的長度，在本邊坡中自由段伸入滑動面的長度為不小于1 m。

3.4預(yù)應(yīng)力錨桿錨固角

錨桿布設(shè)方向在邊坡預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計中非常關(guān)鍵。理論上講，逆滑動方向布設(shè)是最佳的布設(shè)角度，但實際施工時因受到現(xiàn)場條件等限制，只能按照一定方向布設(shè)。為了達到比較有效的加固效果，應(yīng)盡可能選擇比較合適的錨固角度。本邊坡在設(shè)計時經(jīng)過綜合經(jīng)濟比選，錨桿錨固角取與水平面呈20°夾角下傾。

3.5邊坡設(shè)計結(jié)果

邊坡工點斷面K12+980最終設(shè)計如下：

第一、二、三級邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架加固，設(shè)置2排，設(shè)計錨固力450 kN。第一級邊坡第一排錨桿長16 m，第二排錨桿長18 m。第二級邊坡第一排錨桿長20 m，第二排錨桿長22 m。第三級邊坡第一排錨桿長20 m，第二排錨桿長20 m。

路塹邊坡錨固結(jié)果如圖3所示。

圖3　路塹邊坡錨固結(jié)果(單位：m)

3.6條分法土條應(yīng)力

用條分法對錨固邊坡滑動面應(yīng)力進行計算，土條底部法向力曲線和切向力曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4　土條底部法向力曲線

圖5　土條底部切向力曲線

3.7坡面防護和排水措施

為保證邊坡開挖及運營工程中坡面穩(wěn)定，防止雨水沖刷及坡面松弛，改善美化坡面景觀，采取骨架護坡及錨桿框架內(nèi)厚層基材噴射植被防護等工程措施。

本段邊坡坡體地下水發(fā)育，設(shè)計采用仰斜排水孔引排地下水。路塹頂5 m外設(shè)置截水溝，將地表水引入邊溝中。

4施工和監(jiān)測

4.1施工注意事項

(1)土石方工程

對于設(shè)有錨固工程的路塹高邊坡土石方工程開挖，在進行下一級邊坡的土石方開挖前，需等到上一級邊坡全部實施完錨固工程且產(chǎn)生加固力，按照由上而下的開挖施工順序逐級進行開挖和加固，這樣才能保證邊坡體的穩(wěn)定和錨固結(jié)構(gòu)的安全。

對于石方邊坡開挖，為了盡量減少爆破施工產(chǎn)生的巖體結(jié)構(gòu)破壞，接近路塹邊坡工程部位嚴(yán)禁采用大爆破，在距離設(shè)計坡面一定范圍內(nèi)采用光面控制爆破，一般通過爆破震動影響監(jiān)測的結(jié)果確定具體范圍。

(2)錨桿施工[9-10]

鉆孔鉆進過程中禁止水沖，在鉆進過程中如果遇到嚴(yán)重坍孔，應(yīng)立即停鉆并進行灌漿固壁處理，灌漿36 h后再掃孔鉆進。錨孔內(nèi)灌注M30水泥砂漿，水灰比和灰砂比具體值應(yīng)通過試驗確定，必要時可適當(dāng)增加外加劑。錨桿注漿應(yīng)采用孔底返漿法進行注漿。

4.2邊坡監(jiān)測要點

監(jiān)測有兩種，一種是施工期監(jiān)測，另一種是運行期監(jiān)測。施工過程中，開挖和降雨等因素會影響其實施效果，進行邊坡監(jiān)測有利于掌握邊坡變形特點以及影響程度，從而檢驗施工質(zhì)量以及邊坡治理的效果。

在本預(yù)應(yīng)力錨固工程中，各階段的監(jiān)測主要有兩項內(nèi)容：一是錨桿體本身的監(jiān)測，另一項是對錨固對象即深路塹邊坡的監(jiān)測。監(jiān)測具體項目主要包括地表變形監(jiān)測、深孔位移監(jiān)測等。監(jiān)測工作時間主要為施工期和公路營運初期，邊坡開挖和雨季時相應(yīng)加密監(jiān)測次數(shù)。

該邊坡已完成施工一年，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力錨桿在該邊坡防護中得到了較好的應(yīng)用。

5結(jié)論

邊坡防護時，應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析資料，鑒別邊坡的破壞模式，確定邊坡不穩(wěn)定程度及范圍，對錨固方案的合理性、安全性和經(jīng)濟性進行綜合論證分析。通過采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架對本路段路塹高邊坡進行加固，有效防止了邊坡失穩(wěn)破壞，取得了較好效果。邊坡錨固是一個系統(tǒng)工程，設(shè)計時需對邊坡進行穩(wěn)定性分析和加固方案計算比較，另外還需做好前期勘察及后期監(jiān)測工作。

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收稿日期：2016-03-07

作者簡介：陶學(xué)俊(1984—)，男，2009年畢業(yè)于河海大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0040-03

中圖分類號：TU753.8

文獻標(biāo)識碼：B

The Application of Prestressed Anchor in Cutting Slope Protection

TAO Xuejun