預應力錨索鋼軌樁在巖質邊坡病害治理中的應用

謝振安

(廣東和立土木工程有限公司，廣州 511400)

0 引言

微型樁自上世紀九十年代成功應用以來，由于其靈活、快速的施工手段，得以在邊坡病害處治特別是應急搶險中快速推廣。其中微型鋼軌樁因采用廢舊鋼軌截面大、剛度高，比鋼管、鋼筋等其他筋體抗滑能力更佳。微型鋼軌樁具有經濟環(huán)保、場地實用性強、樁位布置靈活、對巖土體擾動小等優(yōu)點，近年來大量應用于滑坡治理工程[1-2]。采用柔性預應力錨索與剛性的鋼軌樁相結合，使得樁與索協同受力，可有效提高鋼軌樁的加固效果。

粵東地區(qū)花崗巖分布廣泛，構造發(fā)育。潮漳高速公路路基挖方揭露花崗巖巖質邊坡較多，部分坡段揭露斷層破碎帶交錯，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富，容易在邊坡開挖防護過程中發(fā)生病害。本文以潮漳高速公路某病害工點為例，分析預應力錨索鋼軌樁在巖質邊坡病害治理中的應用。

1 工程概況

1.1 邊坡概況

該高邊坡位于地形起伏較大的丘陵區(qū)埡口，自然坡角最大約 35°，山體植被發(fā)育。坡體主要由可塑狀粉質粘土、強風化花崗巖、中風化花崗巖和下伏微風化花崗巖構成，局部存在中、微風化層狀較完整的硬質砂巖捕虜體。原設計為六級高邊坡，后緣山體高陡。設置坡率均為1:1，分級平臺寬度均為 2m。邊坡上部及坡腳采用錨桿加固，腰部兩級邊坡采用錨索加固，六級邊坡植草防護。邊坡最大坡高 60.65m，邊坡傾向約 50°。

1.2 病害及變更情況

當邊坡開挖至五級邊坡中下部時，第五級邊坡出現開裂垮塌，因此將四級坡平臺由原設計的2m加寬至6m，五、六級邊坡坡率由1:1調整為1:1.25，第五級邊坡錨桿長度由原設計的8m增長至 11.5m，第六級邊坡由綠化防護調整為8m錨桿加固。半年后，邊坡開挖至第三級邊坡中部時，邊坡塹頂出現貫通裂縫，邊坡四級坡面出現裂縫，故在第五、六級邊坡塹頂以上采用兩排錨墩進行預錨加固，四、五、六級邊坡采用錨索框架進行加固，三、四級邊坡增設仰斜排水孔。

在錨固工程實施過程中，邊坡開挖至一級邊坡中部時，邊坡塹頂出現多道貫通裂縫并下錯，塹頂下錯最大高度 80cm，部分預加固錨墩架空失效；四、五、六級邊坡出現開裂，部分邊坡的四、五、六級邊坡錨桿、錨索框架出現架空和下錯、錨頭掉落等失效情況，坡面和平臺截水溝變形開裂；三級邊坡仰斜排水孔出水量較大。邊坡已處于蠕動狀態(tài)，坡體形成了平均厚度約12m、最大厚度約25m、體積約為12萬m3的中型滑坡，主滑方向50°。

1.3 應急處理措施

坡腳增設高大反壓體進行臨時反壓，四級平臺設置注漿錨筋樁，三、四級錨索框梁往兩側延伸，對裂縫及時封閉及遮蓋。實施應急措施后，邊坡處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，但仍有滑動風險，需進一步加固。

1.4 邊坡監(jiān)測

2016年9月開始對該邊坡進行監(jiān)測，內容包括深孔位移監(jiān)測、地表位移監(jiān)測和邊坡錨索錨下應力檢測等。2017年5月中旬～6月中旬連續(xù)降雨后，發(fā)現各項監(jiān)測指標隨病害情況均出現較大的異常報警值，變化速率較大(表1)。隨著反壓體及部分應急措施的實施，邊坡變形趨于收斂狀態(tài)。

表1 2017年5～6月邊坡監(jiān)測異常情況

2 病害原因分析

2.1 地質環(huán)境

該邊坡構造發(fā)育，地質情況復雜。邊坡花崗巖侵入接觸帶且揭露捕虜體，并揭露有5道正斷層，巖體較破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，破碎帶強度較低。邊坡上部揭露全風化花崗巖、坡殘積土覆蓋層，巖體松散，親水性強，強度較低。邊坡揭露順向陡傾貫通結構面，對邊坡穩(wěn)定不利，也為地表水下滲提供通道，是導致邊坡失穩(wěn)的主要原因。

2.2 水的作用

邊坡后緣高陡匯水面積大，雨季持續(xù)強降雨，導致地表水通過正斷層及坡體裂隙大量入滲，降低邊坡強度，進一步降低滑面參數，是滑坡產生變形的主要誘發(fā)因素。

2.3 工程活動因素

邊坡開挖施工造成邊坡臨時應力調整，穩(wěn)定性進一步失衡；一、二級巖質邊坡爆破開挖施工導致張性裂隙力學指標進一步下降。

3 滑面分析與下滑力計算

3.1 滑面形態(tài)

滑面后緣為現有塹頂裂縫處。滑面剪出口為二級坡腳及一級坡頂揭露砂巖-花崗巖接觸帶及斷層巖軟弱帶。滑面角度為主控斷裂帶及主控構造面，傾向為NNE向，傾角約50°，與坡面小角度相交。四、五級平臺測斜孔測得的突變點與塹頂裂縫連線傾角約50°。四、五級平臺測斜孔鉆探過程中在相應位移突變點位置出現斷層破碎帶，坡腳揭露部分順傾低角度節(jié)理面。

邊坡滑面后緣位于現有塹頂裂縫處，后緣滑面角度50°，前緣滑面角度10°～15°，現有滑面剪出口在二級坡腳至一級坡頂處，滑體最大厚度約25m。

3.2 參數反算及下滑力

考慮邊坡處于蠕動狀態(tài)的病害情況，假定邊坡整體安全系數為0.95，反算滑面參數。考慮到坡體富水，滑坡滑體重度γ=25kN/m3，反算結果如下：滑面后緣粘聚力C=10 kPa，內摩擦角φ=20°；主滑段粘聚力C=20 kPa，內摩擦角φ=21°。根據路基設計規(guī)范安全系數進行計算，邊坡主滑段下滑力約為2 800kN/m。

圖1 主滑面

4 病害治理思路及方案比選

該高邊坡病害較復雜，且無卸載放坡條件，現有滑面下滑力大，潛在滑面較深。病害治理的重點是加強現有滑面(斷層破碎帶)的加固，兼顧由于花崗巖俘虜的砂巖不整合接觸面形成的潛在滑面。因邊坡主滑段下滑力較大，且主滑段角度較大，采用常規(guī)的錨索框梁加固時，錨索體剪切受力或附加應力較大，加固效果不佳，且錨固力也不夠。由此擬定3個加固方案進行比選：

(1)方案一(鋼軌樁方案)：二、三級邊坡設置多排鋼軌樁加固，邊坡腰部及頂部采用錨索十字架加固，防止滑坡冒頂。

(2)方案二(抗滑樁方案)：二級平臺設置一排2×3m的抗滑方樁加固，邊坡坡腰部及頂部采用錨索十字架加固，防止滑坡冒頂。

(3)方案三(放坡方案)：四級平臺加寬至25m進行減載，五～九級邊坡坡率均為1:1，平臺寬度均為2m，最大坡高為10m，坡面采用錨索格梁進行加固。

以上三個方案的比選情況見表2。

表2 邊坡加固方案比選

該工點后緣較高，放坡方案會大大加高邊坡的高度，且征地問題難以解決，宜采用樁錨結構進行加固。但采用傳統(tǒng)抗滑樁施工周期長，施工難度大，在硬質巖富水邊坡采用爆破成孔或人工挖孔風險較大，對邊坡擾動較大。通過各方面比選，決定采用鋼軌樁加固方案。

為進一步優(yōu)化鋼軌樁受力結構，提高加固效果，采用鋼筋混凝土格梁將鋼軌樁連接，并在樁頂增設錨索十字架，使預應力錨索與鋼軌群樁共同受力。當滑坡體發(fā)生變形時，位于樁體后部的錨索受到滑坡的下滑力作用時，增力的預應力同時將增加的額外預應力傳遞到錨索的反力結構抗滑樁，使錨索與抗滑樁協調共同支擋滑坡的下滑力，提高鋼軌樁的抗滑力。

5 加固措施及加固效果

5.1 加固措施

二級、三級平臺分別設置3排、2排鋼軌樁，鋼軌樁長度25m、30m，橫向間距 2m，縱向間距 1m，鉆孔直徑300mm。鋼軌采用60kg鋼軌，樁頂采用砼地格梁連接，格梁尺寸 30cm×30cm。樁頂格梁與上一級坡腳錨索十字架連成整體(圖2)。

圖2 鋼軌樁結構

一級坡面采用錨桿格梁防護，錨桿長度11.5m；二級坡面采用預應力錨索框梁防護，錨索長度40m；三級、四級、五級坡面在原有錨索框架基礎上，增設錨索十字架，錨索長度40～48m。一、二級坡腳設置斜孔排水，間距6m，斜孔長度30m，加強深層地下排水；塹頂外20m處增設塹頂截水溝，加強上部自然邊坡匯水的截排(圖3)。

圖3 病害處置

5.2 加固效果

病害治理措施在2017年12月前順利完成，保障了潮漳高速公路按時通車。加固措施完成后，各項監(jiān)測數據趨于穩(wěn)定。通車后的2018～2020年，對該邊坡進行長期工后監(jiān)測，共布設4個監(jiān)測斷面，13個孔做深孔位移監(jiān)測。根據2020年監(jiān)測結果顯示，深孔位移監(jiān)測年度累計最大位移值7.40mm，監(jiān)測數據變化量較小，位移曲線未見明顯拐點，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.3 推廣應用

預應力錨索鋼軌樁方案在潮漳高速公路成功實施后，隨后在廣東省仁博高速公路一復雜地質條件的六級邊坡滑坡治理工程中的應用表明，效果良好[3]。

6 結語

(1)對于受復雜構造影響的巖質邊坡滑坡病害，在分析清楚病害原因及滑面形態(tài)后，宜采用樁錨結構進行加工，同時加強地下水的疏排。

(2)采用微型鋼軌樁的加固模式相比傳統(tǒng)抗滑樁，具有施工工藝簡單、施工時間短，造價較低的優(yōu)勢，在巖質邊坡中，能較好地發(fā)揮錨固力。

(3)鋼軌樁以多排、小間距連續(xù)布設，樁頂采用格梁連接，并在樁頂的聯接結構中設置錨索，形成微型錨索樁。此時由于錨索的主動受力特性，大大改善了微型型的長細比偏弱的問題，也為錨索提供了良好的反力結構，可有效地提高鋼軌樁的抗滑作用。