城市道路巖質(zhì)高邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析及加固措施研究

韓杰 吳煒駿

摘要 針對(duì)城市道路中巖質(zhì)高邊坡的變形失穩(wěn)等問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際工程分析了巖質(zhì)高邊坡的加固施工方案，通過(guò)采取鉆孔預(yù)埋錨桿加固技術(shù)、抗滑樁加固技術(shù)以及樁板墻加固技術(shù)相結(jié)合的方式，解決了城市道路巖質(zhì)高邊坡在強(qiáng)降雨時(shí)的加固施工問(wèn)題，切實(shí)提高了道路巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在巖質(zhì)高邊坡中綜合使用錨桿加固技術(shù)、抗滑樁加固技術(shù)以及樁板墻加固技術(shù)，能夠有效提升高邊坡的穩(wěn)定性，保障了城市道路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 高邊坡；城市道路；失穩(wěn)機(jī)理；抗滑樁；樁板墻；加固措施

中圖分類(lèi)號(hào) U412.37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0072-03

0 引言

巖質(zhì)高邊坡的失穩(wěn)機(jī)理主要包括巖石內(nèi)部的因素、地下水作用以及地震作用三個(gè)方面。巖石中的節(jié)理、斷層等構(gòu)造影響巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，地下水作用會(huì)增加土體的飽和度，降低土體的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致巖質(zhì)高邊坡的破壞[1]。地震作用是指地震波對(duì)巖質(zhì)高邊坡的動(dòng)力作用，使得巖石發(fā)生震動(dòng)，從而引發(fā)巖質(zhì)高邊坡的滑動(dòng)。由于這些因素的影響，巖質(zhì)高邊坡在城市道路工程中存在較高的失穩(wěn)問(wèn)題，給周邊環(huán)境和道路安全帶來(lái)了潛在風(fēng)險(xiǎn)。為了加強(qiáng)城市道路中巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性，要在對(duì)巖質(zhì)高邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理開(kāi)展研究分析的基礎(chǔ)上，采取鉆孔預(yù)埋錨桿加固技術(shù)、抗滑樁加固技術(shù)及樁板墻加固技術(shù)相結(jié)合的方式對(duì)其進(jìn)行加固治理。

1 城市道路巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理

道路邊坡變形失穩(wěn)由其內(nèi)部作用表現(xiàn)出來(lái)，是邊坡巖土體內(nèi)部成貫通性的破壞面，從而引起巖質(zhì)邊坡中心體的變動(dòng)。城市道路巖質(zhì)邊坡的變形類(lèi)型包括：一是滑動(dòng)，是指巖石質(zhì)邊坡整體發(fā)生水平或近水平方向的滑動(dòng)，常見(jiàn)的滑動(dòng)類(lèi)型有平滑滑動(dòng)、裂隙滑動(dòng)、剝蝕滑動(dòng)等；二是塌方，是指巖石質(zhì)邊坡在重力作用下發(fā)生破碎和坍塌，形成大塊狀或塊體狀的塌方現(xiàn)象；三是崩塌，是指巖石質(zhì)邊坡發(fā)生局部破裂和坍塌，形成小塊狀或碎體狀的崩塌現(xiàn)象；四是巖溶，是指邊坡巖體中存在溶洞、溶縫等，受水流侵蝕而形成的巖溶地形和巖溶塌陷；五是空隙變形，是指邊坡巖體中的裂隙、破碎帶等在水流、滲流、重力作用下發(fā)生變形，形成裂縫擴(kuò)展和變形破壞。需要注意的是，道路巖質(zhì)邊坡變形類(lèi)型的具體表現(xiàn)和原因會(huì)受到巖質(zhì)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等多種因素的影響。

1.1 巖體內(nèi)部因素

巖體內(nèi)部因素是由于道路巖質(zhì)邊坡巖石自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，對(duì)高邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的直接影響，巖石強(qiáng)度較高的邊坡更穩(wěn)定，而強(qiáng)度較低的巖石容易發(fā)生滑坡崩塌。巖體中存在多個(gè)不同方向的節(jié)理，容易導(dǎo)致巖體破碎滑動(dòng)。斷層是巖體中的裂縫帶，如果邊坡受到斷層分割，容易導(dǎo)致邊坡破壞。巖石的物理特性對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有重要影響，例如巖石的密度、孔隙度、滲透性等。巖石密度較低、孔隙度較高的巖石容易在受到外部載荷時(shí)產(chǎn)生變形破壞[2]。滲透性較高的巖石會(huì)增加地下水對(duì)邊坡的影響，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生飽和失穩(wěn)。當(dāng)巖石受到風(fēng)化作用時(shí)，更容易受到水的侵蝕，使其強(qiáng)度和穩(wěn)定性受到影響，容易發(fā)生滑動(dòng)。巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要，如果邊坡頂部的應(yīng)力狀態(tài)是拉應(yīng)力，則邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較好；但如果邊坡受到的是豎直應(yīng)力，則邊坡穩(wěn)定性就會(huì)受到較大威脅[3]。巖體物理力學(xué)根據(jù)工程勘察報(bào)告得出，具體如表1所示。

1.2 巖體外部因素

外部因素是指巖體長(zhǎng)期在自重應(yīng)力和外部突變因素的共同作用下，巖質(zhì)高邊坡沿巖體內(nèi)部的軟弱結(jié)構(gòu)面而發(fā)生的整體滑動(dòng)或滾動(dòng)現(xiàn)象，還會(huì)因地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化、邊坡施工等，在巖體內(nèi)產(chǎn)生不同程度的破裂和錯(cuò)位，這些變形特征由小變大、由少變多，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期或短暫的組合，逐步發(fā)展為巖質(zhì)高邊坡的失穩(wěn)。在高陡的巖質(zhì)邊坡前緣，被破裂面切割的巖塊與母體分離，向前翻滾而下的現(xiàn)象稱(chēng)為崩塌，崩塌形成的原因主要是巖體存在與坡面平行的外傾破裂面，當(dāng)結(jié)構(gòu)面巖體向外的傾覆力大于抗傾覆力時(shí)，巖體會(huì)沿破裂面整體脫落，造成巖質(zhì)高邊坡崩塌。同時(shí)，降雨會(huì)造成巖體自重增加，使傾覆力增大而造成邊坡失穩(wěn)，降雨充填在巖體裂隙，對(duì)裂隙面外巖體施加靜水壓力或動(dòng)水壓力，使巖體含水量趨于飽和，加重了高邊坡的動(dòng)態(tài)荷載[4]。地震是另一個(gè)影響巖體穩(wěn)定的重要外部因素，地震引起邊坡體振動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)波會(huì)對(duì)高邊坡施加剪切力，會(huì)觸發(fā)或加劇高邊坡上的滑動(dòng)面、節(jié)理和斷層活動(dòng)，增加了高邊坡的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。最后，人為活動(dòng)也是影響巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的重要因素，例如坡頂堆載、開(kāi)挖坡腳、爆破振動(dòng)等都會(huì)造成巖質(zhì)邊坡的崩塌。

2 巖質(zhì)高邊坡加固措施

基于城市道路巖質(zhì)高邊坡失穩(wěn)機(jī)理的特殊性和工程實(shí)際情況，通過(guò)勘察不同巖質(zhì)高邊坡的特征并結(jié)合工程實(shí)際情況，主要采取以下幾種巖質(zhì)高邊坡治理方式開(kāi)展施工。

2.1 鉆孔預(yù)埋錨桿加固技術(shù)

錨桿加固的原理是通過(guò)錨桿與巖石間的摩擦和黏結(jié)力來(lái)增加巖體的抗剪強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。巖石鉆孔的深度一般在20～40 m直徑范圍內(nèi)，在鉆孔孔道內(nèi)插入錨桿，在錨桿與巖石間注入灌漿材料并施加預(yù)先確定的拉力，使錨桿與巖石形成緊密的摩擦和黏結(jié)，從而增加邊坡的抗滑能力[5]。在邊坡內(nèi)施工鉆孔時(shí)，要求鉆孔的直徑和間距要根據(jù)邊坡實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求確定，避免擴(kuò)大孔口而影響邊坡的整體穩(wěn)定性。將錨桿插入鉆孔中并保持一定的傾斜角度，以增加巖體與錨桿間的摩擦力，錨桿的長(zhǎng)度要根據(jù)邊坡高度和設(shè)計(jì)要求確定。在錨桿與巖石間注入高強(qiáng)度灌漿材料，并將錨桿與巖石牢固固定，在注漿固化后對(duì)錨桿施加預(yù)先確定的拉力，切實(shí)保證邊坡的穩(wěn)定。錨桿加固技術(shù)原理如圖1所示。

2.2 抗滑樁加固體系

抗滑樁加固是通過(guò)樁基與巖石間的摩擦力、土體反力和樁身與土體間的扭矩傳遞，使邊坡達(dá)到抗滑的能力。通過(guò)將樁基置入巖體層或穩(wěn)定土層中，使抗滑樁與巖體形成整體，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。其中，混凝土梁或鋼筋混凝土梁的設(shè)置要通過(guò)連接樁基傳遞與巖體間的受力，要求先在邊坡底部或邊坡外側(cè)進(jìn)行樁基鉆孔，再將樁基插入鉆孔中，如果需要加強(qiáng)與巖體間的摩擦力，可在樁基外包裹鋼筋，最后再將混凝土澆筑至樁基孔道，起到固定梁的位置并增加整體抗滑能力的作用[6]。

2.3 碎石防護(hù)加固技術(shù)

根據(jù)城市道路巖質(zhì)高邊坡的具體地質(zhì)、地形特征，由于巖石的自然脫落、邊坡缺乏防護(hù)以及人為施工不當(dāng)?shù)惹闆r，會(huì)導(dǎo)致高邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)或坍塌等事故。針對(duì)巖質(zhì)高邊坡中所含有的大量碎石滑落等問(wèn)題，主要采取SNS（Soft Net System，柔性網(wǎng)系統(tǒng)）進(jìn)行防護(hù)加固施工，SNS技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的高邊坡碎石防護(hù)加固技術(shù)，主要分為主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)和被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，用于崩塌落石頻率高、區(qū)域集中的高陡邊坡碎石防治加固。柔性網(wǎng)系統(tǒng)是一種柵欄式擋石網(wǎng)系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)狀材料主要是鋼絲繩，由鋼絲網(wǎng)、減壓環(huán)、支撐繩和鋼柱組成，具有很高的柔韌性，可以分散巖質(zhì)高邊坡中巖石滑落所產(chǎn)生的能量。施工過(guò)程中，網(wǎng)格尺寸以及支撐繩、錨桿和支撐鋼柱的深度應(yīng)根據(jù)高邊坡的具體高度確定，利用鋼絲繩網(wǎng)覆蓋潛在崩塌巖體的邊坡，能夠使崩塌巖石沿著邊坡滾下或滑下，使其不會(huì)在坡腳外產(chǎn)生劇烈跳躍。如果受到石塊的沖擊，鋼絲繩的承載力會(huì)降低，沖擊力會(huì)傳遞到鋼柱上，降低從高邊坡滑落的碎石產(chǎn)生的沖擊力，也減小了對(duì)自身的損傷，有效防止了高邊坡的坍塌和失穩(wěn)。

2.4 樁板墻加固技術(shù)

樁板墻加固是通過(guò)樁基和樁板墻的結(jié)構(gòu)形式，在巖質(zhì)高邊坡表面或內(nèi)部形成墻體的支撐和抗滑作用。樁基結(jié)構(gòu)通過(guò)垂直排列的方式深入巖體穩(wěn)定層，依靠巖石的地基應(yīng)力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的效果。水泥土墊層的作用是將相鄰樁基進(jìn)行連接，形成整體的墻體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)邊坡的整體剛度和抗滑性能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在邊坡表面或內(nèi)部進(jìn)行樁基打樁過(guò)程中，一般采用現(xiàn)澆樁或預(yù)制樁的形式進(jìn)行，打樁深度應(yīng)超過(guò)邊坡的不穩(wěn)定層或者達(dá)到穩(wěn)定巖體層的位置[7]。在相鄰樁基之間進(jìn)行水泥土墊層的施工時(shí)，水泥土墊層的材料可以采用混凝土或水泥土等，水泥土墊層施工完成后即進(jìn)行鋼筋綁扎，鋼筋布置要保證樁板墻的承載能力和整體穩(wěn)定性。梁與樁基連接過(guò)程中，要采取預(yù)留孔的方式將梁體與樁基牢固連接，增強(qiáng)整體的剛度和抗滑性能。上述施工完成后應(yīng)及時(shí)對(duì)樁板墻加固效果進(jìn)行檢測(cè)，主要包括對(duì)樁基、水泥土墊層、鋼筋、梁體等的施工質(zhì)量檢查，確保加固工程達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。巖質(zhì)高邊坡的加固施工要綜合考慮邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件等因素，通過(guò)排水措施、護(hù)坡結(jié)構(gòu)、防護(hù)覆蓋層以及巖體加固等手段，進(jìn)一步提高巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性，減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3 實(shí)際工程案例分析

選擇山東省煙臺(tái)市某城市道路作為研究對(duì)象，首先對(duì)巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行表面勘查，主要勘查坡體外形和周?chē)牡刭|(zhì)等情況。經(jīng)測(cè)量該城市道路全長(zhǎng)400 m，巖質(zhì)高邊坡高度為10 m，該路段周?chē)匆?jiàn)地表水，巖層主要由粉質(zhì)黏土和沉積巖構(gòu)成，表面覆蓋了一層填土層。根據(jù)道路交通工程相關(guān)規(guī)定，該高邊坡安全等級(jí)屬于一級(jí)。由于該路段巖層承載能力有限且邊坡高度較高，施工方案擬采取樁板墻加固、錨桿加固以及抗滑樁加固相結(jié)合的工藝進(jìn)行加固施工。通過(guò)埋設(shè)錨桿將巖石與地下巖層相連接，抗滑樁選擇直立樁形式埋設(shè)在巖體內(nèi)部或者巖體邊坡下部，通過(guò)鋼筋混凝土樁的阻力作用增加巖體的穩(wěn)定性，樁板墻采用傾斜形式將樁和板埋入巖體中，從而形成具有抗剪性和抗滑能力的整體加固結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型如圖2所示。

由于道路所處地區(qū)降雨量較為頻繁，需要對(duì)不同降雨強(qiáng)度時(shí)加固前和加固后的巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行安全系數(shù)檢測(cè)，其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)如表2所示。

由表2可知，邊坡加固前、后的安全系數(shù)隨著降雨量的增加而減少，當(dāng)降雨量為50 mm/d和100 mm/d時(shí)，根據(jù)相關(guān)邊坡工程技術(shù)規(guī)范，加固前、后的安全等級(jí)評(píng)為一級(jí)。當(dāng)降雨量為250 mm/d時(shí)，加固前的安全等級(jí)降為三級(jí)，而加固后的安全等級(jí)則仍為一級(jí)。當(dāng)降雨量為350 mm/d時(shí)，加固前的安全等級(jí)已經(jīng)為三級(jí)，而加固后的邊坡仍為一級(jí)，加固后的高邊坡在不同降雨量時(shí)都能處于穩(wěn)定狀態(tài)。勘測(cè)結(jié)果表明，通過(guò)錨桿加固、抗滑樁加固和樁板墻加固相結(jié)合的施工技術(shù)，有效發(fā)揮了各類(lèi)加固措施的優(yōu)勢(shì)，切實(shí)提升了巖質(zhì)高邊坡的抗滑性能、抗剪強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

巖質(zhì)高邊坡的失穩(wěn)會(huì)給道路安全帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)，該文結(jié)合煙臺(tái)市某城市道路作為研究對(duì)象，對(duì)城市道路巖質(zhì)高邊坡的內(nèi)部和外部失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了勘察分析，通過(guò)錨桿加固技術(shù)、抗滑樁加固技術(shù)和樁板墻加固技術(shù)相結(jié)合的施工方式對(duì)城市道路巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行加固處理。檢測(cè)結(jié)果顯示，加固后的城市道路高邊坡在不同降雨量大小時(shí)都能處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以為同類(lèi)城市道路巖質(zhì)高邊坡的維修加固施工提供一定參考借鑒。

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收稿日期：2023-11-14

作者簡(jiǎn)介：韓杰（1970—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：工程管理。