某路塹高邊坡預應力錨索框梁與抗滑樁設計

張 韋 華

(山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031)

在道路的修建中，由于開挖山體形成路基路塹高邊坡，現對超過30 m的高邊坡進行分析與綜合設計。擬采用預應力錨索框梁與抗滑樁的雙重措施，一起受力。充分利用雙重措施以加強對路塹高邊坡的加固。本文結合某路塹高邊坡的治理工程實例，介紹預應力錨索框梁與抗滑樁在滑坡治理中的設計與應用。

1 工程概況

1.1 地形地貌

場區屬于丘陵地貌，山體高大，形態復雜，山坡陡峭。線路切割的山體呈陡坡狀，山坡自然坡度25°～50°，局部陡坡陡坎，山坡局部為廢棄舊石場，坡體植被較為發育，主要為雜樹、灌木等；山坡底部附近村莊有鄉村公路通過，交通條件較好。

1.2 地層巖性

1.3 水文地質概況

場區位于山坡上部，地表無長年性水流，僅在雨季有短暫地表徑流；地下水由上部土層孔隙潛水和深部基巖裂隙水組成，含水量較小，其補給來源主要靠大氣降水的入滲補給，排泄基準面為山坡坡腳低洼處。本次勘察期間，鉆孔深度內測得地下水位埋深為18.60 m～20.40 m，高程為106.91 m～136.79 m，年水位變化幅度在1 m～2 m。

1.4 穩定性評價

該段路基開挖后，出露地層為強風化片麻巖，局部為雜填土、殘積砂質黏性土，因此該路塹邊坡主要為類土質邊坡為主，局部為土質邊坡。邊坡開挖后，將使山體的應力重新分布，坡腳會導致應力集中，在大氣降雨(尤其是突發性大暴雨)的作用下，孔隙水壓力會增大，邊坡自重增加，巖(土)體結構面的抗剪強度將顯著降低，可能由于坡腳應力集中和巖土強度不足而產生沿相對軟弱面(順向的節理面、風化界面)的坍塌滑動變形或圓弧形滑動變形，這對邊坡的穩定是不利的。建議以緩坡為宜，并采用必要的措施進行加固處理。

場地巖石節理裂隙極發育，主要見有3組：J1:55°∠68°，J2:140°∠36°，J3:303°∠44°，左側開挖坡面傾向約254°，右側開挖坡面傾向約74°，根據赤平投影圖分析，節理J1，J2與右側邊坡斜交，為斜交順向坡，對邊坡穩定較為不利。

2 邊坡變形機理分析及設計思路

2.1 邊坡變形機理

本區邊坡的穩定性主要由以下幾個因素控制：

1)線路以深挖方的形式通過，形成路塹高邊坡，因開挖方量較大導致地應力重新調整大，形成較大的松弛區，使路塹邊坡的安全穩定性大幅降低。

2)構成本邊坡主要由砂質黏性土和強風化片麻巖組成。巖土體強度低，加之巖體風化強烈。存在邊坡因自身強度不足產生失穩的可能。

3)邊坡開挖后，在水作用下容易沿不利結構面產生崩塌、滑坡等邊坡病害。

2.2 設計思路

1)該路段邊坡為破碎巖質邊坡，因山坡較陡，為避免剝山皮式開挖，采用陡開挖，強加固措施，坡腳采用抗滑樁收腳。

2)本著“固腳強腰”的理念，采用適當的加固防護措施，確保穩定的邊坡，同時注重邊坡美觀。

3)在工程中采用合理排水方案，疏導邊坡地下水及地表水，降低土體的含水量，增加路塹邊坡的安全穩定性。

3 邊坡的穩定安全性計算

該段邊坡最高約39.1 m，為二元結構邊坡，該邊坡上覆砂質黏性土；其下為全風化、強風化片麻巖及微～中風化片麻巖，本次計算選取了YK1+360右側斷面按折線滑動法進行穩定性分析。根據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范，邊坡穩定安全系數滿足表1規定的穩定安全系數要求。

表1 路塹邊坡穩定安全系數

路塹邊坡防護加固是依據路塹邊坡穩定程度與等級標準設計，本路段路塹邊坡是按照“一級邊坡工程”進行設計，總體防護加固工程設計方法如下：

1)對于穩定性差的邊坡，由于地質因素的不確定性和坡體結構的復雜性，加強其動態設計工作，根據其施工實際揭露地層情況和坡體結構，及時分析判斷，必要時調整防護或增補支擋加固工程措施，確保坡體穩定和結構安全。

2)對于不穩定的邊坡，即邊坡在正常工況下穩定安全系數小于1.0，必須增加支擋加固工程，或放緩邊坡坡率，以及采用刷坡放緩與支擋加固相結合處理，從而維持坡體穩定，確保邊坡穩定系數滿足規范規定兩種工況下的要求。對于欠穩定的邊坡，即邊坡在正常工況下穩定安全系數介于1.0～1.35之間，若不增設支擋加固工程，可以保持暫時穩定，但在考慮各種不利因素的作用下，將有邊坡失穩的可能，建議增補一定的支擋加固工程，或經刷坡放級處理，使邊坡穩定系數提高到1.35以上，并滿足其他兩種非正常工況下規范規定的穩定系數。

3)對于穩定的路塹邊坡，即邊坡在正常工況及其他兩種非正常工況下穩定安全系數滿足規范要求，一般無需增設額外支擋加固工程，即可維持坡體的總體穩定，必要時局部調整坡率設計或防護工程措施。

4)同時邊坡穩定性應考慮工程的特殊性，在隧道口邊坡可適當提高邊坡加固后的安全儲備。

本次采用巖土專業計算軟件進行邊坡模擬計算，分別對邊坡開挖后，自然工況、暴雨工況、邊坡加固后自然工況、路塹邊坡加固后的暴雨工況穩定安全性進行四項穩定性計算。巖土體的各項參數根據勘察時提供的室內土工試驗數據，同時結合地方巖土經驗確定。一般而言，暴雨工況下，不同巖土體強度指標進行折減，折減分別為10%～15%。

a.巖土體強度參數見表2。

表2 主斷面滑帶土參數

b.穩定性計算見表3。

表3 穩定性計算結果表

邊坡開挖及加固后，自然工況及暴雨工況見圖1～圖4。

邊坡加固后，在自然工況下，邊坡安全儲備系數1.36，大于1.35，滿足規范要求。

邊坡加固后，在暴雨工況下，邊坡安全儲備系數1.101，大于1.1，滿足規范要求。

4 抗滑樁結構計算分析

抗滑樁是將樁插入滑面以下的穩固地層內，用以支擋滑體的滑動力，起穩定邊坡的作用，平衡滑坡推力，適用于淺層和中厚層的滑坡，土方量小，是穩定滑坡的一種結構物。除邊坡加固及滑坡治理工程外，抗滑樁還可用于橋臺、隧道等加固工程。抗滑樁剪力包絡圖見圖5。彎矩包絡圖見圖6。

5 設計方案

設計采用六級邊坡方案；一級邊坡采用抗滑樁截面為2.0 m×2.5 m的樁板墻固腳收坡；二級采用預應力錨索框梁加固，框梁內采用掛網客土噴播；三級采用預應力錨索框梁加固，框梁內采用掛網客土噴播；四級采用錨索框架梁加固，框梁內采用掛網客土噴播；五級采用錨索框架梁加固，框梁內采用掛網客土噴播；六級采用掛網客土噴播。

5.1 邊坡坡形、坡率

1)邊坡各級的坡率具體如下：

一級：坡高14 m，為直立式；

二級：坡高8 m，坡率為1∶0.5；

三級：坡高8 m，坡率為1∶0.5；

四級：坡高8 m，坡率為1∶0.5；

五級：坡高8 m，坡率為1∶1；

六級：坡高不等，坡率為1∶1。

2)一、二、三、四、五級平臺寬2 m。

3)邊溝合并碎落臺寬2.8 m。防護加固工程立面圖見圖7。

5.2 邊坡加固防護措施設計

加固工程代表性橫斷面設計圖見圖8。

1)一級：YK1+328～YK1+450段采用樁板墻固腳收坡，邊坡高度14 m，抗滑樁截面為2.0 m×2.5 m，樁長16 m～28 m，樁間距6 m，樁頭布設4孔錨索，錨索長度31 m，錨固段長10 m。2)二級：YK1+340～YK1+395采用3排預應力錨索框梁加固，錨索長31 m，錨固段長10 m，間距4 m×3 m。框梁內采用掛網客土噴播。3)三級：YK1+342～YK1+395采用3排預應力錨索框梁加固，錨索長度分別為33 m，35 m，37 m，錨固段長10 m，間距4 m×3 m。框梁內采用掛網客土噴播。4)四級：YK1+354～YK1+389采用3排錨索框架梁加固，錨索長30 m，31.5 m，32.5 m，間距4 m×3 m，框梁內采用掛網客土噴播。5)五級：YK1+358.4～YK1+390采用3排錨索框架梁加固，錨索長30.5 m，31.5 m，33 m，間距4 m×3 m，框梁內采用掛網客土噴播。6)六級：YK1+370～YK1+380采用掛網客土噴播。

每級邊坡在適當位置設置檢查踏步，各級平臺采用C15素混凝土硬化。

5.3 排水設計

每級邊坡平臺上均設置平臺截水溝，各級平臺采用10 cm C15素混凝土硬化。全段路塹頂部開口線5 m外設置塹頂截水溝，用于塹頂擋水及排除平臺截水溝匯水。各級邊坡平臺大里程端設引流槽連通平臺截水溝與塹頂截水溝，排除坡面匯水，引流槽形式與塹頂截水溝一致。一級邊坡坡腳設置邊溝。均采用C20混凝土預制塊，厚0.19 m。

一級坡坡腳抗滑樁之間布設一排斜孔排水，排水孔填充硬塑透水管(φ110 mm)，內端頭用2層無紡布包裹。孔徑φ130 mm，間距6 m，孔深15 m。

5.4 加固防護結構設計

1)預應力錨索鉆孔直徑150 mm，標準抗拉強度為1 860 MPa的高強度、低松弛的普通預應力鋼絞線編制。錨索體采用6束φ15.24 mm，錨固段長10 m，框架梁錨索設計張拉力700 kN，抗滑樁錨索鎖定拉力為500 kN。采用二次注漿，灌注強度為M40的水泥漿，注漿壓力不小于1.0 MPa。

2)錨索框梁截面尺寸0.5 m×0.5 m，均采用C25混凝土澆筑，每片錨索的橫梁長為6 m，施工時橫梁間設置伸縮縫。

5.5 抗滑樁配筋計算

1)正彎矩鋼筋的計算。

最大正彎矩M=γ0γGMmax=1.0×1.0×41 000=41 000 kN·m。

截面有效高度h0=h-300=2 500-300=2 200 mm。

γS=1-0.5ξ=1-0.5×0.361 6=0.819；

縱筋采用束筋配筋，1束3根，實際選取90根鋼筋。呈三排布置，間距取200 mm。

驗算：a.b=2 000 mm時，鋼筋束間距(2 000-100×2-10×32×2)/9=128.9 mm，滿足TB 10025—2006規范對于縱筋間距要求。b.驗算配筋率。故滿足適筋配筋率要求。

2)負彎矩鋼筋的計算。

受荷段最大負彎矩Mmax=-9 000 kN·m。

最大負彎矩M=γ0γGMmax=1.0×1.0×9 000=9 000 kN·m。

截面有效高度h0=h-300=2 500-300=2 200 mm。

γS=1-0.5ξ=1-0.5×6.7×10-2=0.967；

3)斜截面抗剪計算。

剪力設計值Q=γ0γGQmax=1.0×1.0×7 000=7 000 kN·m。

Qmax=7 000 kN<0.25βfcbh0=0.25×1.0×14 300×2.0×2.2=15 730 kN (截面滿足要求)。

因為Q>0.7ftbh0=0.7×1 430×2.0×2.2=4 404.4 kN，故需按計算配置箍筋。設四肢箍筋，箍筋選用18鋼筋,箍筋面積箍筋間距為箍筋最小配筋率箍筋的配筋率滿足要求。

5.6 錨索格梁計算

JTG D30—2015公路路基設計規范5.5.5規定：在預應力錨桿體設計時，錨桿體截面積應按式(1)計算。錨桿預應力筋的張拉控制應力σcon應符合表5.5.5的規定。

(1)

其中，A為錨桿體截面積，m2;Pd為錨桿設計錨固力,kN;K1為預應力筋截面設計安全系數，按表4選取；Fptk為錨桿體材料抗拉強度標準值,kPa。

根據JTG D30—2015公路路基設計規范5.5.6規定，錨桿設計時安全系數的取值應符合表4的規定。

表4 預應力錨桿固體設計安全系數

根據規范規定本次設計計算參數為:

1)抗滑樁錨索。安全系數K1:2;錨桿設計錨固力Pd:500 kN;錨桿體材料抗拉強度標準值Fptk:1 860 000 kPa;根據式(1)，得錨桿體截面積A：0.000 54 m2;本次設計采用六束錨索, 錨索采用φ15.24 mm高強度、低松弛普通鋼絞線制作,則錨桿體截面積S:S=6πr2=6π×(0.015 24/2)2=0.001 1。根據S>A,故滿足要求。2)框格梁錨索。安全系數K1:2；錨桿設計錨固力Pd:700 kN；錨桿體材料抗拉強度標準值Fptk:1 860 000 kPa;根據式(1)得錨桿體截面積A：0.000 75 m2;本次設計采用六束錨索,錨索采用φ15.24 mm高強度、低松弛普通鋼絞線制作,則錨桿體截面積S:S=6πr2=6π×(0.015 24/2)2=0.001 1，根據S>A,故滿足要求。

6 結語

在道路路塹高邊坡設計過程中，采用預應力錨索框梁與抗滑樁雙重加固措施，加固后的高路塹邊坡能及時有效、因地制宜。特別是路塹較高，巖層較為破碎、地質復雜的情況。通過本項目的實際設計情況，為錨索、錨桿框架梁和抗滑樁聯合應用的支護體系在路基高邊坡滑坡治理中的設計計算分析,為類似工程提供有價值的設計參考。