預應力錨索加固公路順層高邊坡方案研究

摘要 文章以沉積巖地區某高等級公路順層邊坡實例為依托，運用庫倫巖土軟件，結合勘察及抗剪強度指標反算，采用傳遞系數法，確定邊坡加固前后的穩定系數。同時結合項目特點，進行了改線避讓、軟弱結構面強度改良、力學平衡等多方案比選，最終確定采用預應力錨索框架結合截排水方案進行綜合治理，確保方案的安全性和經濟性，對類似項目具有一定的借鑒意義。

關鍵詞 順層高邊坡;傳遞系數法;預應力錨索

中圖分類號 TU435 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0157-03

0 引言

高等級公路進入山區和丘陵地區，受地形限制，高填深挖難以避免。高邊坡的數量多、高度大，一旦產生變形破壞，在施工期就會導致投資增加，延誤工期，運營期容易中斷交通，危害過往行人和車輛安全。沉積巖地區的順層高邊坡具有分布廣泛、作用機理復雜、地質選線時難以完全避讓、變形失穩后破壞力較大等特點，其穩定性分析評價、監測、預防和綜合治理等已引起廣大工程技術人員的高度重視[1]。

1 工程實例應用分析

1.1 項目概況

某高速公路沿山麓布設，采用挖方斷面形式通過。區域地質資料及工點勘探成果揭示，該段為典型的沉積巖地層，巖層傾向開挖坡面，傾角一般在20o左右，產狀不利邊坡穩定。此類坡體結構在開挖卸荷、暴雨等不利工況作用下，極易產生順層滑動，當有多個軟弱夾層時，會發生多層滑動，甚至誘發工程滑坡。

1.1.1 地形地貌

擬建項目工點地貌單元為低山，山體渾圓，植被茂盛，自然地面高程在185.35～220.57 m之間，高速公路切坡后，將形成近35 m左右的高邊坡。

1.1.2 地層巖性

根據鉆探揭露，該次勘察土層自上而下可分為四個工程地質大層，三個工程地質亞層。

（1）層粉質粘土：灰黃色，可塑狀，含鐵質銹斑，粉粒含量高、且夾少量碎石。無搖振反應，切面稍光滑，韌性中等，干強度中等，層厚0.9～7.0 m。

（2）層碎石土：雜色，稍密～中密，稍濕。碎石母巖成分主要為砂巖、灰巖碎塊等，可塑～硬塑狀粉質粘土及中密狀粉細砂充填。碎石常見粒徑5～20 cm不等，碎石含量約60%，呈棱角狀，土質不均勻，層厚1.50～6.2 m不等，局部缺失。

（3）層強風化泥質粉砂巖：黃褐色，母巖大部分已風化成細砂、粗砂狀，局部夾礫石，泥質膠結差，結構密實，遇水易軟化，敲擊易碎，局部夾原巖硬塊，鉆探時存在軟弱不均現象。屬極軟巖，極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚2.60～9.20 m。

（4）層中風化泥質粉砂巖：黃褐、微紅色，巖芯呈碎塊狀，裂隙發育，泥質結構，塊狀構造。巖芯碎塊強度較低，浸水易軟化。巖芯采取率75%左右。巖體較破碎，巖石堅硬程度分類為極軟巖，巖體基本質量等級為V級。該層未揭穿。

2 順層高邊坡穩定性分析及評價

2.1 穩定性分析方法的選定

根據地勘資料，該邊坡為典型的順傾層狀坡體結構，綜合采用工程類比法、計算法及赤平投影法等方法進行分析計算。其中工程類比法及赤平投影法主要用于邊坡穩定的定性分析;定量計算方法上主要選用直線、折線形破壞的傳遞系數法、Bishop條分法[2]。

2.2 巖土層主要物理力學指標

順層巖質邊坡的抗剪強度指標的獲取一直是邊坡勘察的一個難題，同時也是影響穩定性分析評價結果的決定性因素。現場直剪試驗往往由于試驗點偏少，或者試驗點位的代表性不足，導致得出來的抗剪強度指標偏離實際，且費時費力、成本較高，一般工程很難實現。目前工程界通行做法是，在具體的工點勘察中做好邊坡結構面的現場調查工作的同時，現場確定結構面的軟、硬類型、結合程度及裂隙的發育程度，選取有代表性的巖石做抗壓試驗，同時進行相關的反演分析[3]。

力學反演分析的實質是視邊坡將要滑動而尚未滑動的瞬間為極限平衡狀態，即穩定系數Fs=1，列出極限平衡方程，求解出C值或值。

一般方程如下：

根據區域經驗結合土工試驗成果，結合傳遞系數法反算，提供有關邊坡穩定性計算參數見表1。

2.3 計算工況的選定

根據《公路路基設計規范》，邊坡穩定一般應考慮以下三種工況[4-5]：

（1）正常工況：邊坡處于天然狀態下的工況。

（2）非正常工況Ⅰ：邊坡處于暴雨或連續降雨狀態下的工況。

（3）非正常工況Ⅱ：邊坡處于地震等荷載作用狀態下的工況[6]。

2.4 高邊坡典型斷面穩定性分析

采用庫倫巖土軟件邊坡穩定分析模塊進行計算（如圖1、圖2所示）。

2.4.1 加固前

下滑力總和：Fa=3 245.15 kN/m;

抗滑力總和：Fp=3 229.67 kN/m;

下滑力矩：Ma=104 377.26 kN·M/m;

抗滑力矩：Mp=103 332.58 kN·M/m;

安全系數：Fs=0.99<1.30。

根據計算可知，邊坡在未加固前，自然狀態下穩定性不足，安全儲備不夠，處于欠穩定狀態，需對其進行加固，評價結論見表2。

2.4.2 邊坡加固方案的比選

公路工程中處理高邊坡常用的方案有改線避讓、削方減載、坡腳反壓、邊坡改良，力學平衡等方案。該項目因受地形和前后路段標高限制，無其他走廊帶用于改線，橋梁方案亦難以實施。

注漿方案可改善巖體結構面強度，但難以精確量化，同時該邊坡碎石土層較厚，強～中風化層裂隙發育，容易產生漏漿現象，注漿效果難以保證。

該段路線沿山腰布線，路基外側無反壓條件;同時因自然坡較陡，若設置過緩的坡率，則進一步將增大邊坡高度。因此，削方減載和坡腳反壓，亦不適用于該項目。

經過上述定性比選分析，該項目較為適用的方案為力學平衡法，即通過設置支擋構造物，增大抗滑力，以平衡邊坡下滑力，提高整體穩定性，確保安全。

2.4.3 加固后（見圖3）

滑面上下滑力的總和：Fa=2 451.77 kN/m;

滑面上抗滑力的總和：Fp=2 768.55 kN/m;

下滑力矩：Ma=100 046.25 kN·M/m;

抗滑力矩：Mp=132 061.05 kN·M/m;

安全系數：Fs=1.32>1.30。

3 邊坡綜合治理方案

預應力錨索主要是利用高強度鋼絞線的抗拉性能，采用千斤頂對其進行張拉鎖定后，再結合地梁、錨墩或框架梁等反力裝置，對坡面進行預加固，對坡體主動施加抗滑力，進而提高邊坡的整體穩定性。預應力錨索框架以其布設靈活，受力加固機理明確，特別適用于坡體表面松散、潛在滑面較深的高邊坡加固[7]。

根據對該高邊坡工點坡體結構調查及穩定性分析，該段邊坡最終采用坡面框架錨桿（索）結合框格內植生袋綠化并輔以坡頂、坡面截排水的措施進行綜合處理。

3.1 錨索框架

該項目因潛在滑面較深，邊坡剩余下滑力較大，路線位于山腰布線，邊坡一旦變形，極易誘發上、下邊坡進一步失穩破壞，甚至誘發地質災害。傳統砂漿錨桿難以穿透滑體，形成有效加固，須采用錨索方案。經計算，錨索長度為20～25 m，其中自由段10 m，錨固段10～15 m，穿過滑動面錨固在穩定的巖層中。錨索長度及錨固力計算見表3。

因坡體表層主要為粉質粘土和碎石土，須設置框架梁作為反力裝置，形成整體。框架梁由豎肋和橫梁連接而成，錨索鎖固在豎肋和橫梁交叉節點處，根據計算剩余下滑力的大小，確定單孔錨索的錨固力。錨索錨固力設計值一般為500～700 kN，每束錨索由5～7根鋼絞線制成，總長25 m左右，其中自由段長度10 m，錨固段長10～15 m左右。錨索下傾角20°左右，豎肋橫梁的截面尺寸為60 cm×60 cm，豎肋橫向間距一般為3 m，采用C30混凝土現澆。

3.2 植生袋綠化

為美化路容，邊坡框架內可采用人工碼放植生袋綠化。植生袋是一種類似用編織袋的袋子，由無紡布、植物種子、肥料和編織網組成。將種植土、砂和有機（無機）肥料等綠化基質，經人工拌合后，在現場施工裝入袋內。可根據現場邊坡的骨架條件靈活設置其規格，運輸便利，施工快捷，見效快。

3.3 排水工程

邊坡地表水和地下水的活動是影響邊坡穩定的重要因素，有時甚至是控制性因素。因此，邊坡的截排水設計與支擋加固工程同等重要。

邊坡的截排水系統可分為地表排水和地下排水兩部分，地表排水的常用措施為坡頂截水溝、平臺截水溝、急流槽等，其主要作用是對地表徑流進行攔截。

地下排水系統主要可采用仰斜式排水孔、支撐滲溝、截水隧洞等。

根據對該邊坡進行穩定性分析，邊坡主要沿層理面產生直線或折線滑動，當地降雨量較豐富，因此地下排水措施主要采用仰斜式排水孔方案。

同時，該段邊坡坡口線外側匯水面積大，匯水對邊坡坡面易產生沖刷，在開挖坡口線以外5 m外設環形坡頂截水溝，端部引入邊溝，地形較陡時可采用急流槽。

4 結語

沉積巖地層中，因公路建設人工切坡易產生順層高邊坡，順層高邊坡的滑動往往具有多層多級的特點，經常會出現深淺不一的多層滑動面。一旦開挖或加固不當，易誘發滑坡等地質災害，處置難度大，治理費用高[8]。

預應力錨索因其受力明確，布設靈活，亦可結合抗滑樁、地梁、墊墩等構件共同受荷等特點，在高邊坡加固及滑坡治理中應用廣泛。

該文針對某公路高邊坡工程實例，結合工程地質勘察，選擇典型開挖斷面，采用庫倫巖土軟件，計算了加固前后的穩定系數、錨固段長度、錨固力大小等設計參數，計算結果與現場邊坡狀況吻合度較好，可為后期類似項目提供參考。

參考文獻

[1]王恭先， 馬惠民， 鳳懋潤， 等. 中國鐵路與公路建設中的邊坡工程[C]//. 第二屆全國巖土與工程學術大會論文集（上冊）， 2006： 933-946.

[2]公路路基設計規范： JTG D30—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[3]建筑邊坡工程技術規范： GB 50330—2013[S]. 北京：中國建筑出版社， 2013.

[4]王發玲， 劉才華， 龔哲. 順層巖質邊坡錨桿支護機制研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2014（7）： 1465-1470.

[5]潘鋒. 某公路路基滑坡的穩定性分析及綜合治理[J]. 工程與建設， 2012（2）： 235-237. 。

[6]賈志波， 陶連金， 史明. 地震作用下預應力錨索邊坡的穩定性分析[J]. 巖土力學， 2020（11）： 3604-3612+3631.

[7]李波， 薛韶儒. 預應力錨索格構梁在滑坡治理中的應用[J]. 市政技術， 2012（S1）： 4-7.

[8]楊朝震. 預應力錨索加固巖質邊坡及錨索參數優化數值分析[J]. 武漢理工大學學報， 2021（12）： 64-68.