順傾紅層邊坡錨固參數(shù)的優(yōu)化設計

張玉芳

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著我國山區(qū)鐵路事業(yè)的迅速發(fā)展，邊坡支護工程越來越多。由于錨桿強度高，能夠讓邊坡達到要求的安全度，如何通過錨桿提高邊坡的抗滑性也受到了業(yè)界的廣泛重視。采用錨桿加固邊坡時，須要將錨桿底端打入邊坡穩(wěn)定巖層，并通過錨桿的傳力機制提高邊坡的抗滑性能，錨固段長度、錨固角度、預應力大小等錨固參數(shù)及組合布置方式均能對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響［1-4］。由于邊坡巖體強度材料參數(shù)差異化嚴重，邊坡失穩(wěn)破壞的形式須具體工況具體分析，采用工程經(jīng)驗類比法可能影響到邊坡穩(wěn)定性分析的評價精度［5］。本文以一鐵路紅層邊坡工點為例，通過對錨固參數(shù)的優(yōu)化，對邊坡錨固性能進行研究。

1 工程概況

1.1 工程設計

該工點線路以隧道方式從山體中部穿過。隧道出口洞頂平臺上方仰坡為五級坡：第一級坡率1∶0.3，垂向高度4～6 m，坡頂平臺寬約2 m；第二級坡率1∶0.5，垂向高度4～6 m，坡頂平臺寬約2 m；第三級坡率1∶1，垂向高度約7 m，坡頂平臺寬約2 m；第四級坡率1∶1.5，垂向高度約8 m，坡頂為寬約2 m 緩坡平臺，平臺靠山側(cè)設有檢查通道及截水天溝；第五級坡率約1∶1，最大垂向高度約3 m，坡頂以上為緩坡耕地，如圖1所示。

圖1 隧道出口仰坡全貌

1.2 工程地質(zhì)

該工點所在區(qū)域?qū)贅嬙烨治g、剝蝕低中山地貌區(qū)，區(qū)域內(nèi)地形起伏較大，山高谷深，自然斜坡坡度40°～60°，局部較陡峭近直立。周邊多為林地并有少量旱地，總體植被覆蓋良好。表層覆蓋殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為泥巖，裂隙發(fā)育，巖體破碎，屬典型紅層地區(qū)。

該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L濕潤型山地氣候，高山地帶冬季長半年左右，春連夏無秋，氣候寒冷，風雪大，常有濃霧籠罩。區(qū)域內(nèi)年平均雨量在1 000～2 000 mm。周邊常流地表水系經(jīng)過，地下水以第四系松散孔隙水及基巖裂隙水為主。

2 邊坡病害評估

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該工點邊坡主要病害有4種。

病害1：隧道出口邊坡、仰坡均為巖質(zhì)邊坡，巖性為泥巖，抗風化能力弱，強風化層厚，遇水軟化嚴重，且發(fā)育兩組豎向貫通裂隙，易與近水平層面組合切割形成危巖體，在長期降雨入滲、風化等共同作用下易引發(fā)崩塌、淺表層溜坍等。

病害2：隧道洞頂上方第一至第三級坡最大高差近35 m，坡面掛網(wǎng)噴混凝土，施工質(zhì)量差，噴層厚度不足，且錨桿與鋼筋網(wǎng)未有效連接，防護能力弱，現(xiàn)場調(diào)查多處可見噴層剝落掉塊。

病害3：隧道洞頂仰坡第四級坡為土質(zhì)裸坡，覆蓋層厚度約1.5 m，在降雨地表水流沖刷作用下易發(fā)生淺表層溜坍。

病害4：隧道洞頂仰坡第五級坡為巖土二元邊坡，較陡，表層土體結(jié)構松散，下部基巖風化強烈，在降雨地表水流沖刷作用下易引發(fā)淺表層溜坍、垮塌，導致天溝堵塞。

3 邊坡錨固設計優(yōu)化研究

3.1 邊坡支護方案設計

邊坡病害主要是由隧道出口、仰坡和沖溝附近發(fā)生溜坍所致。因此在設計治理方案時主要從以下兩方面入手：①拆除隧道上方第五級仰坡既有天溝外溝幫后新設一道C25混凝土擋墻，兼做該段天溝外溝幫。墻身自溝底以上設一排泄水孔。②清除隧道出口左側(cè)第二級坡及正上方第四級坡坡面松散覆蓋層，而后對隧道出口左側(cè)邊坡、右側(cè)邊坡及正上方仰坡均采用HRB400 螺紋鋼筋潛孔鉆錨桿掛網(wǎng)噴C25 混凝土進行封閉加固。

為了更好地發(fā)揮邊坡支護的加固性能，一共設計了4種錨桿設置方案，通過FLAC 3D軟件進行模擬，對比得到最優(yōu)的錨桿施工設計。

方案1：第1至第12排錨桿長度均為7.5 m。

方案2：第1至第12排錨桿長度均為9 m。

方案3：自坡腳以上第1至第5排錨桿長度為12 m，第6 至第7 排錨桿長度為9 m，第8 至第12 排錨桿長度為6 m。

方案4：第1至第12排錨桿長度均為12 m。

3.2 計算模型的建立與參數(shù)確定

3.2.1 模型邊界及監(jiān)測設置

圖2 數(shù)值計算模型

計算模型如圖2所示。模型底部與側(cè)面采用固定約束，頂部不施加約束。采用摩爾庫倫強度準則。錨桿采用cable 單元模擬，在邊坡中布置5 排豎向位移監(jiān)測點，用以監(jiān)測邊坡深部位移。

3.2.2 數(shù)值計算流程設計

1）根據(jù)工程地質(zhì)研判結(jié)果進行數(shù)值建模、參數(shù)賦值、試算。

2）根據(jù)現(xiàn)場邊坡實況進行參數(shù)修正，確定準確的模型和參數(shù)。

3）工點所在區(qū)域降雨量大，且紅層軟巖具有遇水易崩解的特性，在暴雨或持續(xù)強降雨的情況下危險性更大，因此選取降雨工況對4 種方案進行模擬。將土體含水率接近飽和時的土體參數(shù)作為反映降雨條件下的工況設計［6］。

3.2.3 模型參數(shù)

修正后得到邊坡斷面粉質(zhì)黏土及泥巖層的物理力學參數(shù)，見表1。

表1 邊坡斷面地層物理力學參數(shù)

3.3 計算結(jié)果

采用FLAC 3D 軟件計算模型的穩(wěn)定系數(shù)，得到自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.99。《滑坡的分析與防治》［7］中規(guī)定穩(wěn)定系數(shù)0.95～1.00 的滑坡屬于滑動階段，其特點為沿后緣張拉裂縫發(fā)育滑壁，兩側(cè)的剪切裂縫已在撕開后產(chǎn)生明顯的相對位移等，與現(xiàn)場勘察情況較為一致。

通過對4 種不同錨桿設計方案的數(shù)值計算分析，研究不同錨固深度對邊坡的變形和塑性區(qū)的影響。

3.3.1 方案1

方案1 邊坡不同位置的位移見圖3。可知：①粉質(zhì)黏土地層發(fā)生明顯位移，其中第一級坡和第二級坡處位移最為明顯，最大位移分別為816，696 mm。雨水入滲坡體后，導致坡體內(nèi)部巖土性質(zhì)改變，邊坡呈向下蠕動的趨勢，下滑力不斷增大；7.5 m 錨桿提供抗滑力后，下滑力仍然較大，導致邊坡位移也不斷增大。7.5 m 的錨桿未能有效地控制邊坡位移。②邊坡位移主要發(fā)生在土巖交界面以上，交界面處其位移變化最為明顯，在交界面以上土體位移不斷增大直至地表。

圖3 方案1邊坡不同位置的位移

邊坡表面受到拉應力破壞的影響較大（圖4），在土巖交界面處表層土體和下部剪出口受到剪應力破壞的影響較大。總體來說，7.5 m 錨桿提供的抗滑力較弱，對邊坡的防護效果有限，邊坡破壞較為嚴重。7.5 m的錨桿防護未能使邊坡達到最佳防護效果。

圖4 方案1邊坡塑性區(qū)

3.3.2 方案2

方案2邊坡不同位置的位移見圖5。可知：第一級坡和第二級坡處位移最為明顯，土體最大位移分別為542，431 mm。9 m 錨桿提供抗滑力后，下滑力仍然相對較大，導致邊坡位移也不斷增大，9 m 的錨桿防護未能有效地控制邊坡位移。邊坡深部位移模式未發(fā)生改變。

圖5 方案2邊坡不同位置的位移

方案2 邊坡塑性區(qū)見圖6。邊坡表面零星區(qū)域受到拉應力破壞，下部剪出口受到的剪應力破壞影響較大，土巖交界面處未受剪應力影響。9 m 的錨桿防護確實能夠有效地減小邊坡的下滑力，增大邊坡的抗滑力，但下部剪出口仍受到影響，9 m 的錨桿防護同樣未能使邊坡達到最佳防護效果。

圖6 方案2邊坡塑性區(qū)

3.3.3 方案3

方案3邊坡不同位置的位移見圖7。可知：第二級坡處位移最為明顯，最大位移為386 mm。隨著邊坡向下蠕動，下滑力不斷增大。由于伴隨下滑力不斷增大其錨桿錨固設計長度也在不斷增長，使得下滑力大小始終保持穩(wěn)定，邊坡位移也始終控制在200～400 mm，有效地控制了邊坡位移。邊坡深部位移模式并未發(fā)生改變。

圖7 方案3邊坡不同位置的位移

邊坡表面零星區(qū)域受到拉應力破壞，未受到剪應力影響，邊坡塑性區(qū)狀態(tài)良好。通過改變錨桿的錨固深度，確實能夠有效地減小邊坡的下滑力，增大邊坡的抗滑力，維持邊坡的穩(wěn)定。不同深度錨桿混合防護使邊坡達到最佳防護效果，見圖8。

圖8 方案3邊坡塑性區(qū)

3.3.4 方案4

方案4邊坡不同位置的位移見圖9。可知：第二級坡處位移明顯，土體最大位移為290 mm。隨著下滑力不斷增大，12 m 錨桿提供抗滑力后，下滑力大幅度減小，位移60～300 mm，12 m 的錨桿能有效地控制邊坡變形。邊坡深部位移模式同樣未發(fā)生改變。

邊坡未受到拉應力和剪應力影響發(fā)生破壞，邊坡塑性區(qū)狀態(tài)良好。12 m 的錨桿能夠有效地減小邊坡的下滑力，增大邊坡的抗滑力，維持邊坡的穩(wěn)定。12 m的錨桿使邊坡達到最佳防護效果，見圖10。

圖9 方案4邊坡不同位置的位移

圖10 方案4邊坡塑性區(qū)

3.4 邊坡錨固措施優(yōu)化

4 種方案錨固效果見表2。可知：方案1 和方案2防護效果并不理想，方案3 和方案4 防護效果較為理想。但結(jié)合其經(jīng)濟性考慮，方案3 為最優(yōu)邊坡加固處理方案。

表2 4種方案錨固效果

4 結(jié)論

1）按照自坡腳以上第1 至第5 排錨桿長度為12 m，第6 至第7 排錨桿長度為9 m，第8 至第12 排錨桿長度為6 m 的方案進行錨桿施工時，邊坡最大位移和塑性區(qū)均處在較為理想的狀態(tài)，能夠使邊坡的加固性能達到最大。該方案為最優(yōu)邊坡加固處理方案。

2）在進行邊坡錨桿防護設計時，錨桿支護對改善邊坡整體性有良好作用。在下滑力大的地方適當增加錨桿的錨固深度，在下滑力較小的地方適當減小錨桿錨固深度，這樣既能更好地發(fā)揮邊坡的加固性能，又能保證施工的經(jīng)濟性。