錨索-鋼花管聯合處置在邊坡中的應用

李 雪 李 剛

（1.廣州市高速公路有限公司，廣東廣州 510200；2.鐵建港航局集團勘察設計院有限公司，廣東廣州510000）

注漿鋼花管由小直徑鋼管排樁發展而來，通過潛孔鉆或其他成孔設備在邊坡上成孔，放入開有小孔的鋼花管，壓入水泥漿，形成鋼管混凝土柱體。注漿過程中水泥漿滲透進入巖土體，提高巖土體C、Ф值，改善巖土體的物理力學性能，提高邊坡抗滑力。注漿后鋼花管永久留在邊坡中，鋼花管與水泥漿形成的鋼管混凝土柱體具有抗彎抗剪能力，提高邊坡穩定系數。在注漿鋼花管施工過程中，除成孔設備稍復雜以外其余設備均較小、較簡單、施工速度快、耗資少，能夠達到提高邊坡穩定性的目的，注漿鋼花管被廣泛應用于邊坡加固中。

在實際工程中，將注漿鋼花管與錨桿錨索相結合，如深汕高速AK261+900～AK262+054段高邊坡，貴州省晴隆至興義高速公路YK17+504～YK17+670右側挖方邊坡。本文所述錨索-注漿鋼花管聯合處置技術與前述兩邊坡治理技術的不同，上述兩治理方法沒有將錨索與注漿鋼花管相聯系。鋼花管頂部無約束，位移較大，抗彎能力受到嚴重影響。本文將注漿鋼花管與錨索聯合使用，減小注漿鋼花管頂部的位移，提高其抗彎能力。本文利用Midas計算廣東省某高速公路互通A匝道路堤邊坡治理方案，闡述錨索-注漿鋼花管聯合處置技術在邊坡治理中的應用及其設計理念、計算過程。

1 工程概況

廣東省某高速公路互通A匝道AK1+015～AK1+060路基為陡坡填方路基，設有四級邊坡。前三級邊坡每一級邊坡高約8 m，最后一級邊坡10 m，第一級邊坡坡率1∶1.5，后三級邊坡坡率1∶1.75。

路面施工完成后，路面出現兩條裂縫。裂縫1為弧形縱向裂縫樁號范圍AK1+036～AK1+057，貫穿兩側路肩，長約21 m、寬約1 cm。路面裂縫2樁號范圍AK1+010～AK1+036，位于距右側土路肩4.5 m處，裂縫長26 m、最大寬度0.8 cm。邊坡坡面防護骨架多處損壞，一級平臺排水溝與骨架交接處向外擠出約6～9 cm，二級平臺排水溝與骨架交接處向外擠出約12 cm，三級平臺排水溝與急流槽處向外擠出約16 cm，最后一級邊坡下擋土墻頂部向外傾斜4 cm。

2 分析計算

2.1 定性分析

根據邊坡破壞情況中擋土墻頂部向外傾斜4 cm，可以推斷滑坡剪出位置應位于擋土墻頂部以下一定深度，并非從擋土墻頂部剪出。根據路面裂縫可以清楚判斷滑坡的后緣位于裂縫1處。發現裂縫后，對裂縫進行監測，在對裂縫的監測中發現裂縫沒有繼續發展的跡象。根據裂縫監測情況可以判斷滑坡目前應處于欠穩定狀態，穩定系數位于1.0～1.05。滑面應是在填土與原地面的交界附近，邊坡坡面多處損壞可能是滑體上下位移不一致導致或滑坡存在多個滑面導致的。

2.2 定量分析

本工程定量分析借助有限元計算軟件MidasGTSNX。計算中假定土體為各向同性，是理想的彈塑性土體，本構采用摩爾-庫倫準則。支護前模型主要由全風化砂巖（原邊坡土層）、填土、擋土墻組成，支護后在支護前模型中加入鋼花管、錨索。

在發現該段路面出現裂縫、邊坡骨架損毀、擋土墻向外擠出變形后，對該邊坡進行補充勘察。根據補勘室內試驗資料，填土黏聚力C=21 kPa，內摩擦角Ф=14.441°，重度γ=18.5 kN·m。填土前原邊坡為全風化砂巖，黏聚力C=37 kPa，內摩擦角Ф=22°，重度γ=20 kN·m。

根據路面兩條裂縫位置以及裂縫段路基斷面圖，本次計算斷面選取最危險的斷面AK0+040斷面，計算方法采用強度折減法計算邊坡穩定系數。

填土后支護前潛在滑移面如圖1所示。

圖1 填土后支護前潛在滑移面

由圖1可知，滑帶上部分在填土與原邊坡交界面附近，下部分逐漸靠近擋土墻頂部，滑帶最低處在擋土墻頂部以下約2 m處，穩定系數為1.021 1，與定性分析基本一致，模型參數取值合理。計算結果中穩定系數與實際情況不符，可通過調整參數取值，使其符合實際情況。穩定系數小于1，表示參數取值低于實際值，應調大參數取值[1]。

3 處置方案擬定及計算

本工程中滑坡推力依靠鋼花管注漿后形成的微型樁與錨索共同承擔。邊坡范圍內土路肩布設一排鋼花管注漿，第一、三級邊坡平臺布置3排鋼花管。橫縱向間距均為1.0 m，管底進入原地面8 m，在第一、三級邊坡平臺鋼花管頂部設置錨索地梁。

原路基填土密實度不夠，處置方案中為了減小路面沉降，增加行車舒適度，在路面范圍內正三角形布置注漿孔，間距為3 m，用于填充路基填料之間的空隙。路面范圍內鋼花管注漿主要是為了填充路基填料之間的空隙，在模型中未考慮路面范圍內的鋼花管，可作為安全儲備。鋼花管注漿后提高巖土體的C、Ф值改善巖土體的物理力學性能，提高邊坡抗滑力。邊坡抗滑力的提高幅度未知，故在模型中未進行考慮，將其作為安全儲備。

鋼花管注漿后與混凝土形成一個直徑為鉆孔直徑大小，里面插有鋼管的混凝土柱體，模型中注漿鋼花管用梁單元進行模擬，錨索使用植入式桁架單元模擬。

采用強度折減法計算施工支護結構后邊坡潛在滑移面，如圖2所示。

圖2 支護后邊坡潛在滑移面

由圖2可知，在土路肩、第一、三級邊坡施工鋼花管注漿以及錨索后在鋼管混凝土柱、錨索不失效的情況下，邊坡穩定系數為1.350 4，大于規范要求的安全系數1.35，施工支護結構后無明顯潛在滑移面，說明支護成功。

4 鋼花管選型

根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010），沿周邊均勻配置縱向普通鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構件。

（1）計算正截面受彎承載力。

式中：A——圓形截面面積，在本工程中為鉆孔截面面積；As——全部縱向普通鋼筋的截面面積，在本工程中為鋼花管截面面積；fc——漿體彎曲抗壓強度設計值，本研究取19.1 MPa；fy——鋼管抗拉強度設計值，取310 MPa；r——圓形截面半徑，取75 mm；rs——鋼管截面重心所在圓周半徑，取70 mm；α——受壓區截面面積的在圓心角（rad）與2π的比值；αt——受拉鋼管截面面積與全部鋼管面積比值。

取軸向力設計值N=0，Nei以彎矩設計值M代替。

鋼管直徑140 mm、壁厚8 mm，代入公式可得α=0.365 7、αt=0.518 6，鋼花管的受彎承載力Mu=47.20 kN·m，大于最大彎矩46.6 kN·m。

（2）錨索配筋及錨固長度計算。

根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）錨桿鋼筋截面面積應滿足：

錨桿錨固段長度、錨桿桿體與錨固砂漿間的錨固長度應滿足：

式中：Kb、K——錨桿的抗拉安全系數，根據規范進行取值；Nak——錨桿軸力，本工程為443 kN；As——鋼筋截面面積；fy——鋼筋抗拉強度，本工程選用直徑15.2 mm、抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線；fbki——錨體與巖土層黏結強度；fbk——鋼筋與錨體水泥砂漿的黏結強度。

本工程中錨固體與土層黏結強度，按照中密碎石土取值為200 kPa，灌漿材料選用M30砂漿，鋼筋與水泥砂漿黏結強度為2.4 MPa，錨孔直徑150 mm。

經過計算，選用7根15.2 mm、強度1 860 MPa鋼絞線，錨固長度取10 m滿足要求。

5 結語

該高速通車后運行安全，尚未發生邊坡失穩情況，說明邊坡在一、三級邊坡平臺設置豎向注漿鋼花管以及在鋼花管頂部設置錨索的處置方案滿足工程需要。邊坡穩定系數大于規范要求安全系數1.35，說明該處置方案符合規范要求。鋼花管與錨索聯合使用，減小注漿鋼花管頂部的位移，提高其抗彎能力，錨索與鋼花管的聯合使用效果優于單獨使用鋼花管注漿。