打入式錨管在高填方邊坡治理中的應(yīng)用研究

張躍亭，胡青峰，雷 斌

(1.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州450046;2.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450045)

隨著大型鐵路、公路工程的興建及大規(guī)模礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，必然會出現(xiàn)很多高填方邊坡工程。高填方邊坡具有處理難度大，處理后隱患多等特點，如果處理不好必然會帶來不可估量的損失，因此該類邊坡治理也越來越受到人們的重視。目前對于高填方邊坡治理，國內(nèi)常采用的手段為重力式擋墻、加筋擋土墻、微型樁、錨索等，但是這些都存在工程量大、施工難度大和難以成孔等難題。錨管加固是近年出現(xiàn)的一種邊坡治理的新工藝［1～3］，而打入式錨管技術(shù)是在錨管桿體上設(shè)置注漿孔，采用氣動沖擊打管機直接打入土層并注漿，通過漿體向周圍地層的滲透硬化后形成堅實的灌漿體將錨管與周圍土層錨固在一起，使錨管錨固段與土體間產(chǎn)生粘結(jié)摩阻力，把高填方邊坡土產(chǎn)生的主動側(cè)壓力傳至土層深處，從而很大程度地提高原狀土體的強度和剛度，并能顯著提高高填方邊坡的整體穩(wěn)定性。

工程實踐證明，錨管支護技術(shù)能有效達到支護高邊坡、控制變形的目的，而且對地層的適應(yīng)能力強，特別是能解決砂卵石、雜填土等難于成孔的地層中的施工難題，錨管支護結(jié)構(gòu)設(shè)計施工優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟、環(huán)境效益好，推廣應(yīng)用前景廣闊。本文在工程實踐的基礎(chǔ)上，對打入式錨管加固高填方邊坡的加固機理進行數(shù)值模擬分析，然后給出其具體的施工工藝，為類似工程提供參考。

1 工程概況

擬建某工程工業(yè)廣場高填方邊坡位于河南省新密縣，地形起伏不平，地勢南北高中間低，為“兩山夾一溝”，總體趨勢西南高東北低，地面高程最高點在西南朝陽處，最低點在中間溝內(nèi)，相對高差約60 m。本區(qū)地貌成因類型屬構(gòu)造剝蝕地貌，地貌單元為低山丘陵，場地內(nèi)局部基巖裸露，其余大部分為第四系堆(沉)積物所掩蓋，因此該場地可稱為基巖半裸露區(qū)。

2 地質(zhì)條件

本場地地層屬第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和三疊系砂巖，場地土分為5個地質(zhì)單元層，自上而下分層描述如下。

①1層:素填土(Q4ml)，以黃褐～褐黃色粉土為主，局部夾有卵石等，屬于新近回填土，平均厚度3.72 m;

①層:粉土(Q4al+pl)，該層主要分布在場地北部山上，南部山上表層分布薄層，平均厚度3.98 m;

②層:粉質(zhì)粘土(Q3al+pl)，層底局部夾有碎石，平均厚度5.47 m;

③層:微風(fēng)化砂巖(T)，巖層傾角約300°，東高西低，平均厚度0.96 m;

④層:砂巖(T)，巖層傾角約300°，東高西低，該層在勘探孔深度內(nèi)未能揭穿，最大揭露厚度19.0 m。

3 高邊坡數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型的建立

計算模型結(jié)合《某工程工業(yè)廣場巖土工程勘察報告》，對該高填方邊坡的一個典型地質(zhì)剖面加固治理進行數(shù)值模擬，側(cè)向擴展10 m范圍設(shè)計模型，模型計算范圍(圖1):長×寬×高=97 m×10 m×26 m，合計共劃分161940個單元，174930個節(jié)點。模型地表表面設(shè)為自由邊界，側(cè)面限制水平移動，底部固定。計算僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。初始地應(yīng)力計算材料符合彈性本構(gòu)，材料破壞符合Mohr－Coulomb強度準則。

圖1 邊坡工程地質(zhì)模型

3.2 土層參數(shù)

土層計算參數(shù)見表1。

表1 工業(yè)廣場邊坡工程土體物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.3 計算方法及過程

根據(jù)原始地貌，只考慮重力作用，生成初始應(yīng)力場，對邊坡穩(wěn)定性的應(yīng)力應(yīng)變情況進行力學(xué)分析。設(shè)定體系最大不平衡力與典型內(nèi)力比值下限為1×10－5，以此作為計算迭代終止的判定標準。圖2為邊坡在進行經(jīng)歷計算時各自的系統(tǒng)不平衡力演化過程曲線。

4 計算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力場演變分析

4.1.1 最大主應(yīng)力分析

圖2 邊坡計算時的系統(tǒng)不平衡力演化全過程曲線

圖3為邊坡的第一主應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在坡腳處出現(xiàn)較小區(qū)域的拉應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值小，在0～40 kPa范圍。在坡頂?shù)牡乇砗笱?，出現(xiàn)逐漸擴散的拉應(yīng)力區(qū)域，拉應(yīng)力值也同樣在0～40 kPa范圍，其它區(qū)域基本上以壓應(yīng)力為主。由于錨管支護的影響，坡體表面的最大主應(yīng)力從高到底有逐漸增大的趨勢，但數(shù)值較小，說明土體較為穩(wěn)定，但坡腳與坡頂后沿出現(xiàn)拉應(yīng)力，容易引起坡腳土體的破壞和邊坡后沿的拉裂縫破壞。

圖3 邊坡最大主應(yīng)力場分布圖

4.1.2 最小主力分析

從圖4中可以看出，淺部最小主應(yīng)力等值線平滑，幾乎相互平行，未出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)。在深部的最小主應(yīng)力等值線也基本相互平行，基本沒有出現(xiàn)突變。最小主應(yīng)力無論淺部還是深部均為壓應(yīng)力，僅在邊坡表面形成了一定的拉應(yīng)力區(qū)域，但是數(shù)值較小，不會對邊坡穩(wěn)定造成太大的影響。

圖4 邊坡最小主應(yīng)力場分布圖

4.2 變形場演變分析

4.2.1 邊坡整體位移場變形分析

為節(jié)省篇幅，圖5僅僅給出了邊坡最大位移場分布圖，從最大位移場分布圖可以看出，最大位移區(qū)域迅速向坡腳集中和轉(zhuǎn)移，并且隨著坡腳最大位移區(qū)域的產(chǎn)生，整個邊坡的最大位移場也發(fā)生了明顯變化。

圖5 邊坡最大位移場分布圖

從垂直位移場分布圖可以看出，坡頂處地表位移變化量較大，而坡腳處位移變化量較小。這一現(xiàn)象說明邊坡的位移變化的主要影響因素是x方向的位移。而水平位移隨著計算的進行不斷增大，越靠近坡腳位移增量越反而越小;整體變化較為穩(wěn)定，說明支護效果較為顯著。

從邊坡的位移矢量場分布情況可以看出，邊坡的位移場整體相對比較均勻，這說明錨管支護措施對于邊坡的位移控制起到了較好的作用。

4.2.2 邊坡剪應(yīng)變增量變化分析

剪應(yīng)變增量反映了邊坡剪切變形發(fā)生明顯增長的部位，是邊坡剪切變形的集中區(qū)域，對于土體邊坡，剪應(yīng)變增量的分布區(qū)域即是邊坡的潛在滑動面分布區(qū)域，從圖6可以看出，剪應(yīng)變增量主要分布在坡頂區(qū)域，但是影響范圍較小，說明上方的素填土層可能的破壞模式和發(fā)生剪切破壞變形最大的分布區(qū)域。

圖6 邊坡剪應(yīng)變增量分布圖

4.2.3 邊坡塑性區(qū)分析

塑性區(qū)反映了土體集中破壞的部位，從圖7可以看出，塑性區(qū)主要附著在邊坡表面以及坡頂?shù)乇砀浇?，破壞形式主要是拉伸破壞，沒有發(fā)現(xiàn)剪切破壞形式，結(jié)合土體剪應(yīng)變增量的分布圖，這說明錨管能夠極大限度的抑制土體的剪切變形。

5 主要施工工藝

5.1 錨管的選材及加工

圖7 邊坡塑性區(qū)分布圖

圖8 錨管外形圖［1］

5.2 錨管施工

錨管采用人工操作氣動沖擊錘打入邊坡，一般情況下應(yīng)先噴射第一層混凝土，使坑壁穩(wěn)定，再打入錨管，錨管不夠長時應(yīng)進行分段分別打入，打入一段焊接一段，焊接接長采用周邊幫條焊對接。

5.3 注漿

注漿分第一次常壓注漿和第二次分段劈裂注漿。

(1)一次常壓注漿:當錨管打入土體后，先泵送少量清水將孔底殘渣托出，然后進行第一次注漿，使得水泥漿從錨管底向外回流，當流出的漿液為純水泥漿時，即停止注漿，然后用棉紗和水泥砂漿封孔。

(2)二次分段劈裂注漿［1］:一次注漿后大約12 h后即可開始進行二次劈裂注漿，劈裂注漿從孔底向上進行，先將注漿鋼管伸入到錨管底端附近，安裝密封蓋，連接高壓注漿管，打開排氣閥，逐漸加壓注漿，排出管內(nèi)氣體或殘留水，當排氣閥流出水泥漿液時，將排氣閥封堵，繼續(xù)加壓注漿，操作過程中注意觀察、記錄注漿量和孔口壓力表壓力的變化。

5.4 框架施工［1，4，5］

框架采用C20混凝土澆筑，框架嵌入坡面20 cm，橫梁、豎梁基礎(chǔ)先采用5 cm水泥砂漿調(diào)平，再進行鋼筋制作安裝，鋼筋接頭需錯開，因錨管無預(yù)應(yīng)力，錨管尾部不需外露、不需加工絲口、不用螺帽和混凝土錨頭封塊，只需將錨管尾部與豎梁鋼筋相焊接成一整體，若錨管與箍筋相干擾可局部調(diào)整箍筋的間距。模板采用木模板，用短錨管固定在坡面上，混凝土澆注時，尤其在錨孔周圍，鋼筋較密集，一定要仔細振搗，保證質(zhì)量?？蚣芊制┕?，橫梁每10～15 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，以瀝青麻絮填塞。

6 結(jié)論

通過對該高填方邊坡打入式錨管加固機理的研究，取得以下幾點主要結(jié)論。

(1)高邊坡坡腳與坡頂后沿出現(xiàn)拉應(yīng)力，容易引起坡腳土體的破壞和邊坡后沿的拉裂縫破壞。

(2)從邊坡的位移矢量場分布情況可以看出，邊坡的位移場整體比較均勻，這說明支護措施對于邊坡的位移控制起到了較好的作用。

(3)剪應(yīng)變增量主要分布在坡頂區(qū)域，但是影響范圍較小，說明上方的素填土層可能的破壞模式和發(fā)生剪切破壞變形最大的分布區(qū)域。

(4)塑性區(qū)主要附著在邊坡表面以及坡頂?shù)乇砀浇茐男问街饕抢炱茐?，沒有發(fā)現(xiàn)剪切破壞形式，結(jié)合土體剪應(yīng)變增量的分布圖，這說明錨管能夠極大限度的抑制土體的剪切變形。

(5)本工程的順利實施為打入式錨管加固高填方邊坡提供了寶貴的實踐經(jīng)驗，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

［1］汪勉濤.錨管式土釘支護技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2010.

［2］朱英，王迪，趙憲富.松江河石龍電站邊坡加固工程施工技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):71 －74.

［3］趙明階，何光春，王多垠.邊坡工程處置技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］呂慶，孫紅月，尚岳全，等.預(yù)應(yīng)力錨索框格梁體系加固破碎巖質(zhì)邊坡合理間距研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(1):136－140.

［5］張全文，楊波，劉勝.深路塹格梁式錨索擋土墻施工［J］.路基工程，2008，(2):164－165.