大錨桿聯(lián)合抗滑樁在順層邊坡支擋的應(yīng)用

舒海明，喻邦江

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550081)

1 引言

順層邊坡是指巖層走向與邊坡走向一致的邊坡。在實(shí)際工程中，通常把走向與巖層走向夾角小于20°、傾向接近的邊坡視為順層邊坡[1]。我國(guó)山區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，在高速公路修筑過(guò)程中，不可避免的會(huì)遇到一些順層邊坡。在施工開(kāi)挖過(guò)程中，受到爆破震動(dòng)、雨水等不利因素，順層邊坡尤其是有軟弱結(jié)構(gòu)層的順層邊坡極易發(fā)生順層滑動(dòng)。順層邊坡一旦滑移，將對(duì)公路施工及日后的營(yíng)運(yùn)安全造成非常大的災(zāi)害。如貴州省仁赤高速公路，建成通車(chē)后，2015年1月4日，一邊坡發(fā)生順層滑移，約10余萬(wàn)方山體崩塌傾覆在高速公路路面上，造成高速公路雙向交通中斷，一輛轎車(chē)被掩埋，車(chē)內(nèi)人員3死1傷的慘劇。近年來(lái)，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越重視對(duì)順層邊坡滑坡機(jī)理的分析及支擋措施有效性的研究。本文結(jié)合紫望高速公路YK41+000～YK41+100右側(cè)挖方邊坡，論述采用大錨桿聯(lián)合抗滑樁治理順層邊坡合理性。

2 工程概況

該工點(diǎn)地處云貴高原向廣西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，屬烏蒙山脈東南側(cè)邊緣山區(qū)。山體自然坡角約20°～60°。山坡植被發(fā)育，為灌木地，屬侵蝕-構(gòu)造型低山地貌。

覆蓋層為第四系殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質(zhì)粘土：黃色，可塑狀，含少量碎石，碎石成分為泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，粒徑2～15 cm。厚1.0～4.0 m。

下伏基巖為三疊系中統(tǒng)邊陽(yáng)組(T2b)薄-中厚層狀砂巖夾泥巖。根據(jù)巖體的節(jié)理、裂隙發(fā)育特征，硬度與完整性，按風(fēng)化及破碎程度將巖體分為強(qiáng)、中風(fēng)化兩層，強(qiáng)風(fēng)化層深約20 m。場(chǎng)區(qū)無(wú)斷層發(fā)育，場(chǎng)區(qū)路基段巖層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀75°∠36°。主要有2組節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為125°∠70°、200°∠65°。節(jié)理間距0.5～1.0 m，單個(gè)節(jié)理延伸長(zhǎng)度1～3 m，節(jié)理面多平直，表層局部泥質(zhì)充填。

3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析

巖層產(chǎn)狀：取75°∠36°，線(xiàn)路走向164°，邊坡坡向74°，場(chǎng)區(qū)主要發(fā)育兩組節(jié)理L1、L2(L1產(chǎn)狀：125°∠70°、L2產(chǎn)狀：200°∠65°)。

據(jù)橫斷面YK41+070結(jié)構(gòu)面赤平投影圖(圖1)分析：為順向坡，兩結(jié)構(gòu)面L1和L2的交點(diǎn)位于開(kāi)挖坡面Sc投影半圓相對(duì)的半圓內(nèi)，主要控制性結(jié)構(gòu)面為層面，邊坡沿著層面的滑移的可能性極大。

(L1.節(jié)理1；L2.節(jié)理2；Sn.自然坡面；Sc.開(kāi)挖坡面)圖1 赤平投影圖

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

順層邊坡開(kāi)挖后考慮其按平面滑動(dòng)，其穩(wěn)定性主要由層間參數(shù)確定，根據(jù)巖土試驗(yàn)資料、工程地質(zhì)調(diào)繪，結(jié)合工程類(lèi)比，推薦物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

本項(xiàng)目地震基本烈度為VII度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，根據(jù)規(guī)范[2]相關(guān)規(guī)定，可以不考慮地震力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。故對(duì)邊坡的潛在滑動(dòng)面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，考慮兩種工況：(1)天然工況；(2)暴雨工況。

采用平面直線(xiàn)滑移法計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 邊坡治理設(shè)計(jì)

4.1 治理方法的選擇

對(duì)于具有層狀結(jié)構(gòu)的順層邊坡，在分級(jí)開(kāi)挖時(shí)，每級(jí)邊坡坡腳都可能成為發(fā)生順層滑坡的剪出口，所以既要考慮總的下滑力，又要分級(jí)進(jìn)行驗(yàn)算。順層邊坡視下滑力多采用在第一級(jí)坡腳設(shè)抗滑樁，以上分級(jí)設(shè)框架錨索、錨桿等支護(hù)方式聯(lián)合支擋的方式。

采用抗滑樁固腳為常規(guī)的支擋措施，其抗彎、抗剪性能較好，同時(shí)起到減少變形的作用，廣泛運(yùn)用于滑坡支擋、邊坡預(yù)加固。

順層邊坡采用框架錨索預(yù)加固的實(shí)例也頗為常見(jiàn)，錨索的作用有二：(1)通過(guò)其預(yù)應(yīng)力的切向分量克服下滑力；(2)增加層面上的法向力，從而增加巖體自重在破裂面上產(chǎn)生的摩擦力。但其也有一些不足：(1)錨索都是采用格構(gòu)梁連接，錨索鉆孔注漿完后，還需要施工混凝土梁，混凝土梁達(dá)到齡期后才能進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，這需要約15 d左右的工期，在這段時(shí)間內(nèi)，臨空的順層邊坡由于得不到及時(shí)的約束有可能發(fā)生滑移；(2)預(yù)應(yīng)力錨索屬于柔性結(jié)構(gòu)，其直接抗剪效果較差，預(yù)應(yīng)力一旦松弛，其 “以柔克剛”的效果將大打折扣。在山區(qū)高速公路發(fā)生過(guò)多起加固好的順層邊坡由于錨索預(yù)應(yīng)力松弛而滑移的事故。

大錨桿又稱(chēng)微型樁、小孔徑灌注樁。其施工工藝簡(jiǎn)單，一般在坡體上垂直于層面鉆孔后，在孔內(nèi)插入鋼筋、鋼管、鋼軌或者其他抗剪性能強(qiáng)的鋼材，再向孔內(nèi)注漿即可。其既可以通過(guò)注漿提高巖體整體性或?qū)用娴目辜粜阅?，又可以鋼筋的抗剪?qiáng)度較好地抵抗順層滑動(dòng)推力，同時(shí)，還具有施工迅速、阻滑效果發(fā)揮快的優(yōu)點(diǎn)。但是，采用大錨桿加固的整體性較差，主要適用于巖層完整性較好且強(qiáng)度較高的巖質(zhì)邊坡。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪，YK41+000～YK41+100右側(cè)挖方邊坡，巖層為泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖，泥巖厚度2～10 cm，風(fēng)化強(qiáng)烈，部分風(fēng)化層土狀，邊坡分臺(tái)階開(kāi)挖后，由于存在臨空面，極易發(fā)生滑移，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。其剩余下滑力為1 407 kN/m，較大，在設(shè)計(jì)時(shí)采用大錨桿聯(lián)合抗滑樁的支護(hù)方案：第一級(jí)抗滑樁懸臂采用10 m，第二級(jí)采用1∶0.75放坡，坡面施工3排大錨桿，每根大錨桿由3根φ32鋼筋組成,其縱向間距為3m，計(jì)算典型橫斷面如圖2所示

圖2 YK41+100典型橫斷面

4.2 大錨桿抗剪力計(jì)算

4.2.1 理論分析[3]

計(jì)算模型如圖3所示，順層邊坡開(kāi)挖后主要沿層間最軟弱的結(jié)構(gòu)面滑移，當(dāng)發(fā)生滑移時(shí)，由于滑體間的相對(duì)位移較小，故可以假設(shè)滑體在滑面上做剛性位移，即滑體發(fā)生位移時(shí)，BC變形至BC′,此時(shí)產(chǎn)生拉力T，大錨桿的AB部分因在滑動(dòng)面以下未發(fā)生位移，CD平移至CD′?；娴目辜魪?qiáng)度指標(biāo)為粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ，假設(shè)發(fā)生滑移破壞時(shí)，大錨桿中的鋼筋抗拉和抗剪力都達(dá)到設(shè)計(jì)值，此時(shí)單根錨桿提供的抗剪力R1為：

圖3 單根錨桿的抗剪分析

(1)

式中,R2為大錨桿的允許抗剪力，不考慮砂漿的抗剪，只計(jì)鋼筋的抗剪力，其值為：

R2=Afv

(2)

其中,A為鋼筋的面積;fv為鋼筋的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

R3為圖中BC受拉變形后產(chǎn)生的拉力T在滑面上產(chǎn)生的抗剪力。其計(jì)算方法如下：

R3=Tsinθ+Tcosθtanφ

(3)

如果鋼筋的設(shè)計(jì)拉應(yīng)力為[σ]，則拉力T為：

T=A[σ]

(4)

變形角的計(jì)算：

(5)

為了保證大錨桿在拉力T作用下不被拔出，AB應(yīng)該有足夠的長(zhǎng)度，即

(6)

式中,K為安全系數(shù)，可以查規(guī)范[4];D為鉆孔直徑；frb為巖體與注漿體界面粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

4.2.2 大錨桿提供的抗剪力計(jì)算

由于鋼筋多用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎，規(guī)范[5]沒(méi)有鋼筋的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。故視為鋼結(jié)構(gòu)查規(guī)范[6],鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[σ]=200 MPa,抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=120 MPa,彈性模量E=2×105MPa,鉆孔直徑為110 mm，每孔鋼筋的抗剪斷面積為24 cm2，孔內(nèi)灌注M35水泥砂漿，查規(guī)范[4]，K取2.0，frb取600 kPa。

鋼筋抗拉力T=A[σ]=24×10-4×200×103=480 kN

R2=Afv=24×10-4×120×103=288 kN

R3=Tsinθ+Tcosθtanφ=480×sin 2.6°+480×cos 2.6°tan14°=141 kN

R1=R2+R3=429 kN

其每斷面布置3排，縱向間距3 m，每延m提供的抗滑力為3×R1/3=429 kN/m

4.3 抗滑樁受力計(jì)算

抗滑樁受到下滑力為總的下滑力扣除大錨桿承擔(dān)的下滑力，即為978 kN/m，樁后剩余下滑力按矩形分布，經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用2 m×3 m抗滑樁，抗滑樁中對(duì)中距離6 m?？够浣钣?jì)算較為簡(jiǎn)單，一般的巖土軟件都可以完成，計(jì)算過(guò)程本文從略。

5 結(jié)語(yǔ)

該工點(diǎn)按以上方案進(jìn)行施工，在施工過(guò)程中未發(fā)生失穩(wěn)及滑移的現(xiàn)象，施工已經(jīng)完成8個(gè)月，經(jīng)觀(guān)察，未發(fā)現(xiàn)任何病害。通過(guò)該工點(diǎn)的設(shè)計(jì)，我們?nèi)〉萌缦陆?jīng)驗(yàn)：

(1) 順層邊坡的穩(wěn)定性主要由結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)確定，要特別重視軟弱夾層的調(diào)查。

(2) 大錨桿施工迅速，可操作性強(qiáng)，可以利用鋼材的良好抗剪性能，快速限制順層邊坡的變形。采用大錨桿對(duì)順層邊坡進(jìn)行防護(hù)，既可以起到保證施工安全，又能起到永久加固的作用。

(3) 本文簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)大錨桿的抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)值，可能與其實(shí)際受力狀態(tài)有偏差，值得進(jìn)一步探討。

[1] 鄧榮貴,周德培，李安洪.順層巖質(zhì)邊坡不穩(wěn)定巖層臨界長(zhǎng)度分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(2):178-182.

[2] 李安洪，周德培，馮君.順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與支擋防護(hù)設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社，2012:160-161.

[3] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路工程抗震規(guī)范(JTG B02-2013)[S].人民交通出版社，2014.

[4] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D30-2015)[S].人民交通出版社，2015.

[5] 中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010-2010)[S]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[6] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范( GB 50017-2003)[S]. 中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.