某高速公路順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施研究

摘要 文章以某高速公路K23+010～K23+180段順層邊坡為研究對象，在充分查明其地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，研究了該段邊坡的破壞模式，并對其整體穩(wěn)定性進(jìn)行了定性和定量評價(jià)，在此基礎(chǔ)上采用錨索抗滑樁和錨索框架梁為主的預(yù)加固措施，對該邊坡進(jìn)行治理，并對施工過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)做了初步分析總結(jié)，旨在為類似邊坡工程設(shè)計(jì)和施工提供思路。

關(guān)鍵詞 順層邊坡；邊坡加固；抗滑樁；錨索；施工工藝

中圖分類號 U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0055-04

0 引言

自然界中具有層狀構(gòu)造的沉積巖出露面積可達(dá)陸地的75%，因此在實(shí)際工程中，由于邊坡的層狀構(gòu)造特征及軟弱夾層面的影響，導(dǎo)致邊坡沿層間錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，是山區(qū)高速公路中普遍存在的一種邊坡病害，為邊坡工程設(shè)計(jì)及施工增加了潛在風(fēng)險(xiǎn)[1]。根據(jù)工程實(shí)踐證明，當(dāng)開挖坡面與巖層坡面二者走向的夾角小于30°且傾向接近時(shí)的邊坡為順層邊坡[2]。

1 工程概況

1.1 地形地貌

該項(xiàng)目處于川東平行嶺谷區(qū)，四川盆地東部華鎣山脈與大巴山脈的交匯處。地勢北東高、南西低，多為低山丘陵地貌，以狹長高聳平行排列中低山嶺與開闊的丘陵谷地相間排列，組成典型的隔擋式地形。

線路處于背斜一翼，屬于單斜地層，線路走向與背斜脊線近平行，導(dǎo)致線路左側(cè)開挖邊坡皆為順層坡，場區(qū)地形、地貌如圖1所示：

1.2 地層巖性

地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露：工程區(qū)分布地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組長石砂巖、砂質(zhì)泥巖；第四系全新統(tǒng)殘坡積層，現(xiàn)將各層巖性由新至老概述如下：

（1）第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）

粉質(zhì)黏土：黃褐色，軟塑狀～可塑狀，干強(qiáng)度中等，韌性中等，刀切面稍有光澤，無搖振反應(yīng)，局部含泥質(zhì)殘積碎塊，表層含植物根系，鉆孔揭露厚度在0～2.5 m之間。

（2）侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）

砂質(zhì)泥巖：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，主要由黏土礦物組成，局部夾砂質(zhì)團(tuán)塊或條帶。強(qiáng)風(fēng)化層巖體破碎，成碎塊狀，碎塊手捏易碎；中風(fēng)化層巖體較完整，通過鉆探揭露多成柱狀、短柱狀。

長石砂巖：青灰色，灰白色，細(xì)～中粒結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，主要由長石、石英組成，云母、巖屑次之。

1.3 氣象、水文條件

項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，冬短夏長，氣候溫和，雨量充沛。大強(qiáng)度降雨是該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素。

1.4 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)無常年性地表徑流通過，地表水較為匱乏。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性組合及地下水賦存條件，場區(qū)地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水，通常水量很小，局部所夾砂巖地層內(nèi)水量稍多。據(jù)地表及鉆探顯示，總體上場區(qū)地下水不發(fā)育。

2 工點(diǎn)場區(qū)特征

該工點(diǎn)設(shè)計(jì)起止里程K23+040～K23+220，左側(cè)為順層邊坡，全長180 m，順層邊坡工點(diǎn)全貌如圖2所示：

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)原邊坡覆蓋層厚度約0.3 m，局部基巖裸露，地形橫向坡度約21°，工點(diǎn)現(xiàn)場調(diào)查如圖3所示：

3 地基土參數(shù)取值

根據(jù)工程地勘報(bào)告，場地各層地基巖土體的物理、力學(xué)指標(biāo)建議值，詳見表1所示：

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013），將場區(qū)砂質(zhì)泥巖層面、砂質(zhì)泥巖裂隙面及砂泥巖接觸面判定為軟弱結(jié)構(gòu)面，其結(jié)合程度判定為結(jié)合很差；長石砂巖層面及其裂隙面判定為硬性結(jié)構(gòu)面，其結(jié)合程度判定為結(jié)合差[3]。場區(qū)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的建議取值見表2所示：

4 穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 分析工況

路塹邊坡穩(wěn)定性分析方法及穩(wěn)定安全系數(shù)參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）規(guī)范[4]，具體取值如表3所示：

4.2 穩(wěn)定性分析

4.2.1 單一滑面的極限平衡法穩(wěn)定性分析

順層滑移破壞是最常見的破壞模式之一，目前應(yīng)用最為廣泛的是極限平衡法，該方法適用于單一滑面的情況，當(dāng)巖層走向與邊坡坡面走向一致時(shí)，分析方法如圖4所示，計(jì)算見式（1）。

k=R/S=Gcosθtanφ+cl Gsinθ （1）

式中，c——巖層間的黏聚力（kPa）；φ——巖層間的內(nèi)摩擦角（°）；θ——層面的傾角（°）；l——層面的長度（m）；G——巖體自重（kN）。

4.2.2 計(jì)算模型

根據(jù)相關(guān)學(xué)者多年的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對于貫通性良好的沉積性順層邊坡的臨界破壞范圍（水平方向）一般取開挖高度的5～10倍；對于似層面或外傾貫通性較好的結(jié)構(gòu)面邊坡則一般取開挖高度的3～6倍。對于擬計(jì)算邊坡，計(jì)算模型見圖5所示：

4.2.3 工況選擇

線路區(qū)對應(yīng)的地震基本烈度為VI度，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造總體屬穩(wěn)定區(qū)[5]。該次采用下面兩種工況對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算：

正常工況（天然工況）：邊坡處于天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性計(jì)算。

非正常工況（暴雨工況）：邊坡處于暴雨?duì)顟B(tài)下的穩(wěn)定性計(jì)算。

4.2.4 計(jì)算參數(shù)的確定

該次計(jì)算選取典型橫向剖面K23+040對該段巖質(zhì)挖方邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由邊坡定性分析可知，邊坡的主要破壞模式為沿巖層層面（長石砂、泥巖接觸面）發(fā)生平面滑移破壞。計(jì)算參數(shù)選取的合理性，是評價(jià)其穩(wěn)定性的關(guān)鍵，該次計(jì)算取值及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4所示：

4.2.5 剩余下滑力計(jì)算

取一般工況下的安全系數(shù)為1.30，暴雨工況下的安全系數(shù)為1.20，則邊坡剩余下滑力計(jì)算結(jié)果如表5所示：

5 邊坡治理措施方案

5.1 邊坡治理思路

在兼顧徹底性和經(jīng)濟(jì)性前提下，治理主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

（1）選擇對邊坡具有有效預(yù)加固措施的抗滑樁及坡面錨索。

（2）增設(shè)坡頂截水溝并疏通排水通道，防止雨水直接沖刷坡面，減少雨水對邊坡穩(wěn)定性的影響。

（3）對開挖邊坡上方裂縫進(jìn)行排查，通過水泥漿或黏土回填，防止雨水下滲坡體，降低巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

5.2 主要治理方案

設(shè)置17根長12～26 m的矩形抗滑樁，樁身截面尺寸為2.0 m×3.0 m、1.80 m×2.5 m、1.5 m×2.0 m，樁中心距6 m。樁上錨索分別從樁頂以下的1 m處、3 m處設(shè)置2根，錨索為6Φ15.2的低松弛鋼絞線，錨固力為800 kN。

樁頂以上邊坡采用3.0 m×3.0 m錨索框架梁植草防護(hù)，坡率1∶1.0，坡高10 m。坡面錨索為4Φ15.2的低松弛鋼絞線，錨固力為500 kN。治理方案如圖6所示：

5.3 錨索錨固力計(jì)算

坡面錨索作用力計(jì)算，可簡化為圖7所示：

預(yù)應(yīng)力錨桿錨固力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析確定邊坡下滑力，并計(jì)算需坡面錨索提供的錨固力，如式（2）：

E=Pd×[sin（α+β）×tanφ+cos（α+β）] （2）

式中，Pd——錨桿（索）設(shè)計(jì)錨固力（kN）；E——錨桿（索）提供的抗滑力（kN）；α——錨桿（索）與滑動(dòng)面相交處滑動(dòng)面傾角（°）；β——錨桿（索）與水平面的夾角（°）；φ——滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角（°）。

典型計(jì)算斷面中的坡面錨索為4排，由坡面錨索提供的抗滑力計(jì)算數(shù)值如表6所示：

錨索提供的抗滑力占總下滑力約30%，滿足坡面預(yù)應(yīng)力錨索與坡腳抗滑樁組合加固邊坡設(shè)計(jì)要求，錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值宜為加固前邊坡剩余下滑力的0.3～0.5倍[6]。

5.4 faxIXaVmYTCVMewYcaKyH7a6wfaDXTpn3Myur5x8DbA=抗滑樁配筋計(jì)算

錨固后邊坡設(shè)樁處的剩余下滑力為1 479 kN，作為錨索抗滑樁的設(shè)計(jì)荷載，是抗滑樁配筋計(jì)算的依據(jù)。

6施工注意事項(xiàng)

（1）按照設(shè)計(jì)坡比開挖邊坡，開挖后應(yīng)及時(shí)施工錨桿（索）框架。

（2）跳槽開挖路塹樁板墻樁井，施工過程中加強(qiáng)對邊坡的變形監(jiān)測。

（3）路塹樁板墻樁體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后，按照路基施工技術(shù)要求進(jìn)行樁前巖土開挖。

（4）樁前巖土體開挖至樁上最下一排錨索以下1 m位置處，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行樁上錨索施工，為保證錨索樁的安全、可靠，嚴(yán)禁出現(xiàn)樁前巖土體過度超挖現(xiàn)象。

（5）必須待樁上錨索張拉至初始預(yù)應(yīng)力值且鎖定后，方可按2～3 m分層開挖樁前巖土體，初始預(yù)應(yīng)力值取設(shè)計(jì)錨固力的70%。

7 結(jié)語

該文深入探討了順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題，通過極限平衡法分析順層邊坡單一滑面的影響，優(yōu)化了坡面錨索與錨索樁的復(fù)合支護(hù)方案，并詳細(xì)闡述了坡面錨索錨固力的計(jì)算方法及施工要點(diǎn)，為相關(guān)工程提供了一定的設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]李安洪，周德培，馮君，等.順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與支擋防護(hù)設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]何武，張圣亮，馮君，等.含軟弱夾層順層邊坡臨界破壞范圍分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2021（2）：63-69.

[3]建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013[S].北京.中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5]公路工程抗震規(guī)范：JTG B02—2013[S].北京：人民交通出版社，2013.

[6]趙曉彥，黃金河，周一文，等.坡面錨索與坡腳抗滑樁聯(lián)合加固邊坡設(shè)計(jì)方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（3）：489-495.