破碎巖質(zhì)邊坡錨墩式主動防護網(wǎng)設(shè)計方法

吳 兵，梁 瑤，趙曉彥，唐曉波，吳曉春，羅天成

（1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610017；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756）

0 引言

隨著我國公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進，工程中遇到了大量的巖質(zhì)邊坡崩塌破壞、風(fēng)化剝落等問題，尤其在西部山區(qū)國（?。└傻赖纳壐脑爝^程中，這種現(xiàn)象最為嚴重[1?5]。由于山區(qū)道路地形地質(zhì)復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造運動劇烈，表層巖體風(fēng)化剝蝕強烈，多呈碎裂狀態(tài)。在地震、暴雨及工程開挖卸荷擾動等因素共同作用下，邊坡整體穩(wěn)定性和淺表層穩(wěn)定性問題共同構(gòu)成影響道路運營安全的重要因素。

學(xué)者們對該類巖質(zhì)邊坡變形破壞開展了大量研究，賀凱等[6]針對高陡巖體底部壓裂失穩(wěn)模式，提出了考慮底部薄弱區(qū)域損傷演化的邊坡整體穩(wěn)定性評價方法。張科等[7]基于運動單元法對巖質(zhì)邊坡復(fù)合型破壞機制進行研究表明，巖橋位置、結(jié)構(gòu)面貫通度和結(jié)構(gòu)面傾角是控制力學(xué)行為的三個主要因素。羅洪成等[8]利用現(xiàn)場勘測和數(shù)值模擬方法分析了富水破碎巖質(zhì)邊坡的滑坡成因和特征，指出巖體后緣拉裂引起前部剪切破壞，最后導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)。張廣甫等[9]基于貫通率法對危巖主控結(jié)構(gòu)面主要強度參數(shù)、值取值進行了研究。嚴豪等[10]基于Voronoi 節(jié)理模型分析了碎裂巖質(zhì)邊坡破壞是從坡頂以一定深度向坡腳貫通發(fā)展的。徐前衛(wèi)等[11]通過室內(nèi)模型試驗總結(jié)出坡頂巖體張拉破壞與坡腳巖體壓剪破壞共同造成直立軟弱破碎巖質(zhì)邊坡塌方，具有漸進性特征。霍宇翔等[12]通過對碎裂巖質(zhì)邊坡監(jiān)測表明，穩(wěn)定性由多組相交結(jié)構(gòu)面控制，受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及分布規(guī)律影響較大。曹興松[13]則通過分析碎裂巖質(zhì)邊坡病害特征，總結(jié)出邊坡破壞模式、形成機制和失穩(wěn)過程，指出邊坡高陡、巖體風(fēng)化及降雨軟化等是主要影響因素。

由此可知，目前對巖質(zhì)邊坡研究，多集中于邊坡整體穩(wěn)定性加固防護方面，設(shè)計治理也多采用框架或墊墩錨索等[14?16]。針對邊坡淺表層巖土體失穩(wěn)，多在坡表采用與短錨桿相結(jié)合的SNS 主動防護網(wǎng)進行加固[17?19]（圖1）。

圖1 汶川——馬爾康高速汶川出口處碎裂巖質(zhì)陡坡Fig.1 Cataclastic rock steep slope at W enchuan exit of W enchuan——Barkam expressway

對破碎巖質(zhì)邊坡淺表層巖體防護，通常采用SNS主動防護網(wǎng)[17?18]。即通過3～4m 長的短錨桿將主動防護網(wǎng)固定于坡面上，通常錨桿拉力不超過50 kN。實際上，此類短錨桿并不能為邊坡提供足夠的錨固力，一旦坡體發(fā)生整體失穩(wěn)，難以起到加固作用，并不是嚴格意義上的主動防護?，F(xiàn)階段對SNS 主動防護網(wǎng)的研究主要為工程應(yīng)用介紹及防護效果評價，對其防護作用機理及受力特點也多局限于單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)受力分析[18?20]。

綜上，目前針對深層加固的錨索+淺層防護的SNS 主動防護網(wǎng)的聯(lián)合協(xié)同受力研究較少?；诖?，本文提出錨墩式主動防護網(wǎng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，以有效克服山區(qū)破碎巖質(zhì)邊坡加固防護難題。

1 錨墩式主動防護網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)

1.1 錨墩式主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成

錨墩式主動防護網(wǎng)的突出特點在于：在主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點處設(shè)置墊墩錨索代替?zhèn)鹘y(tǒng)的短錨桿，以實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)對邊坡的深層加固（圖2）。

圖2 錨墩式主動防護網(wǎng)平面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Anchor-pier active protection net structure p lan

其結(jié)構(gòu)主要由以下部分組成：橫向支撐繩①、縱向支撐繩②、縫合繩③、高強度鋼繩網(wǎng)④、錨墩⑤、加固錨索⑥及固定短錨桿⑦。

其特征是：設(shè)置于坡頂與坡腳處的固定短錨桿主要起定位高強度鋼繩網(wǎng)的作用。設(shè)置于網(wǎng)格節(jié)點處的錨墩和加固錨索，錨墩與網(wǎng)格節(jié)點處的縱向支撐繩、橫向支撐繩形成固定連接，加固錨索則穿越坡體內(nèi)潛在深層滑動面錨入穩(wěn)定基巖體中，主要起到深層加固作用。高強度鋼繩網(wǎng)呈曲面狀鋪設(shè)于坡面，通過縫合繩與網(wǎng)格周邊的縱向支撐繩、橫向支撐繩連接，并分隔成網(wǎng)格狀。通過向張拉縫合繩與支撐繩施加作用力對高強度鋼繩網(wǎng)進行預(yù)張拉，主要起到表層防護作用。

工程應(yīng)用中的支撐繩與縫合繩應(yīng)選用滿足工程使用年限的鋼絲繩（如磷化涂層鋼絲繩），當需對錨墩間主動防護網(wǎng)單元進行破損置換或修補時，可通過解開縫合繩將主動防護網(wǎng)與支撐繩進行分離。

為防止水泥錨墩與主動防護網(wǎng)中支撐繩之間因壓縮產(chǎn)生磨損及切割作用[21]，在錨墩接觸面處單獨設(shè)立雙層硬橡膠墊片或雙層尼龍墊片（圖3）。在支撐繩受力時，通過給予足夠的變形空間，使得錨墩與支撐繩之間能夠變形協(xié)調(diào)，保護主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生切割破壞。

圖3 錨墩與主動網(wǎng)接觸處示意圖Fig.3 Diagram of contact between anchor pier and active protection net

1.2 錨墩式主動防護網(wǎng)加固機理

加固錨索前端通過錨墩作用于坡面之上，后端則穿越坡體內(nèi)潛在深層滑動面，錨入穩(wěn)定基巖體之中。通過對錨索施加預(yù)應(yīng)力進行邊坡加固，可有效提高邊坡穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞。

高強度鋼繩網(wǎng)覆蓋巖質(zhì)邊坡坡面，利用鋼絲繩的預(yù)張拉作用力及粗糙坡面之間的摩擦力，可阻止破碎巖質(zhì)邊坡錨墩間巖土體向外側(cè)的移動，有效的加固區(qū)域內(nèi)邊坡淺表層破碎塊體，防止發(fā)生局部塊體崩落。

由此可知，錨墩式主動防護網(wǎng)能同時解決邊坡整體失穩(wěn)與淺表層失穩(wěn)問題，是山區(qū)道路破碎巖質(zhì)邊坡工程中行之有效的主動防護結(jié)構(gòu)。

2 錨墩式主動防護網(wǎng)設(shè)計方法

2.1 設(shè)計計算模型

在錨墩式主動防護網(wǎng)中以相鄰的4 個錨墩所圍成的封閉區(qū)域作為研究對象，將其視為一個防護網(wǎng)格單元（圖2）。在進行錨墩式主動防護網(wǎng)設(shè)計時，根據(jù)邊坡淺表層巖體情況，在計算表層巖土體失穩(wěn)帶來的錨索軸力增量時，可按以下兩種情況進行考慮。

（1）若單元格內(nèi)有可探明結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)的危巖體，則可按圖4所示力學(xué)模型進行計算。設(shè)危巖體主控結(jié)構(gòu)面水平夾角為 β1（°），黏聚力為c1（kN/m2），內(nèi)摩擦角為φ1（°），豎向高度為H1（m），巖體單寬自重為G1（kN/m）。結(jié)構(gòu)面處穩(wěn)定巖體對危巖體的單寬作用力為N1（kN/m）。主動防護網(wǎng)加固淺表層巖體的分布力為q1（kN/m2），由于鋼繩網(wǎng)為柔性結(jié)構(gòu)，可將其等效于一個水平夾角為θ1（°）的單寬合力F1（kN/m）。破碎巖質(zhì)邊坡，具有高陡、易風(fēng)化等特點，在巖體風(fēng)化作用下結(jié)構(gòu)面裂隙不斷擴展，邊坡失穩(wěn)主要表現(xiàn)為產(chǎn)生水平向外的位移[22?25]，為了簡化分析，可取θ1為0°。

圖4 單元格內(nèi)危巖有可探明結(jié)構(gòu)時邊坡力學(xué)模型Fig.4 M echanical model of slope with exp loitable dangerous rock in the grid

根據(jù)危巖體穩(wěn)定性計算方法，安全系數(shù)Fs，可按公式（1）進行計算。

式中：c1——危巖體結(jié)構(gòu)面黏聚力/（kN·m?2）；

φ1——危巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角/（°）；

β1——危巖體主控結(jié)構(gòu)面水平夾角/（°）；

H1——危巖體豎向高度/m；

G1——危巖體單寬自重/（kN·m?1）；

F1——鋼繩網(wǎng)單寬作用力合力/（kN·m?1）。

按規(guī)范要求確定安全系數(shù)Fs后，鋼繩網(wǎng)單寬作用力合力F1，可按式（2）進行反算：

根據(jù)靜力平衡條件可知，主動防護網(wǎng)通過錨索提供的錨固力和邊坡淺表層巖土體對主動防護網(wǎng)的作用力是一對平衡力。如圖2所示，設(shè)錨索間距為水平間距B1(m)×沿坡面豎向間距H1(m)，考慮到每個單元格內(nèi)有4 束錨索共同作用（每束錨索為4 個單元格提供錨固力），由圖5 可知，每束錨索由邊坡淺表層失穩(wěn)帶來的軸力增量 Δf1（kN），可按公式（3）進行計算。

圖5 錨索因淺表層失穩(wěn)產(chǎn)生的軸力增量Fig.5 Axial force increment of anchor rope due to shallow surface instability

式中：α1——錨索的錨固角/（°）；

B1——錨索水平間距/m。

（2）若單元格內(nèi)巖體無明顯主控結(jié)構(gòu)面或為坡面較為完整的高陡切方巖質(zhì)邊坡，則可按圖6所示力學(xué)模型進行計算。通過在網(wǎng)格節(jié)點的錨墩位置處作兩條與錨索夾角為45°+φ2/2 的作用線，由坡面線與兩條作用線所圍成區(qū)域即為邊坡淺表層潛在不穩(wěn)定滑體部分。

圖6 單元格內(nèi)無明顯危巖體時邊坡力學(xué)模型Fig.6 Slope mechanical model in the grid without significant dangerous rock mass

此時，可參照地基基礎(chǔ)設(shè)計計算，通過對錨索施加預(yù)應(yīng)力，錨墩會對坡面產(chǎn)生作用力，可將錨墩作為一個方形基礎(chǔ)考慮。如圖7（a）所示，根據(jù)硬質(zhì)土整體剪切破壞模式，當荷載達到某一數(shù)值時，基礎(chǔ)邊緣土體先發(fā)生剪切破壞，隨著荷載增加，破壞區(qū)不斷擴大，最后形成連續(xù)滑動面，導(dǎo)致基底土體向四周擠出，產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞。如圖7（b）所示，地基中Ⅰ區(qū)為三角形壓密區(qū)，該區(qū)巖土體直接受壓并向兩側(cè)擠壓，稱為主動區(qū)；Ⅱ區(qū)為被動變形區(qū)，該區(qū)巖土體受Ⅰ區(qū)擠壓產(chǎn)生被動變形，稱為被動區(qū)；基礎(chǔ)底部外側(cè)Ⅲ區(qū)，由于有臨空面為三角形極限平衡區(qū)。根據(jù)摩爾應(yīng)力圓圖（圖7c），Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)分界面AC 和BC 與基礎(chǔ)底面AB（大主應(yīng)力作用面）的夾角為45°+φ2/2；Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面AE（DE）和BE'（D'E'）與臨空面AD、BD'（小主應(yīng)力作用面）的夾角為45°?φ2/2。

圖7 硬質(zhì)土整體剪切破壞模式Fig.7 General shear failure mode for hard soils

根據(jù)以上分析可知，將錨墩視作方形基礎(chǔ)后，錨索錨固力作用方向即為大主應(yīng)力方向。如圖6所示，由坡面線與錨索夾角為45°的兩條作用線所圍成的是錨墩外側(cè)受擠壓的潛在不穩(wěn)定巖土體區(qū)域，即為圖7（b）中的Ⅲ區(qū)。在進行錨墩式主動防護網(wǎng)設(shè)計時，需考慮該區(qū)域淺表層巖土體失穩(wěn)帶來的錨索軸力增量影響。

劃定潛在滑體范圍后（圖6），各參數(shù)設(shè)置及簡化計算假定與情況1 相同，同理安全系數(shù)Fs計算公式為：

式中：F2——鋼繩網(wǎng)單寬作用力合力/（kN·m?1）；

β2——潛在滑體滑動面水平夾角/（°）；

G2——潛在滑體單寬自重/（kN·m?1）；

φ2——潛在滑面內(nèi)摩擦角/（°）；

c2——潛在滑面黏聚力/（k·Nm-2）；

L2——潛在滑體滑動面長度/m；

H2——潛在滑體沿坡面豎向高度/m；

θ1——下部潛在滑面與坡面的夾角/（°）；

θ2——上部潛在滑面與坡面的夾角/（°）；

δ——坡面線與錨索法向線的夾角/（°）。

按規(guī)范要求確定安全系數(shù)Fs后，鋼繩網(wǎng)單寬作用力合力F2，可按式（4）進行反算：

同理可得每束錨索由邊坡淺表層失穩(wěn)帶來的軸力增量 Δf2（kN）的計算公式：

式中：α2——錨索的錨固角/（°）；

B2——錨索水平間距/m。

由上可知，錨墩式主動防護網(wǎng)加固設(shè)計關(guān)鍵在于確定淺表層潛在不穩(wěn)定巖土體范圍。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性設(shè)計要求，計算出加固該區(qū)域巖土體的所需的錨固力。并將該部分錨固力計入主體防護結(jié)構(gòu)，如預(yù)應(yīng)力錨索的錨固力設(shè)計中。

2.2 設(shè)計計算步驟

為使錨墩式主動防護網(wǎng)新型組合結(jié)構(gòu)加固邊坡實現(xiàn)受力協(xié)調(diào)，提出以下設(shè)計計算步驟（圖8）。

圖8 錨墩式主動防護網(wǎng)設(shè)計流程圖Fig.8 Designflow chart of anchor-pier active p rotection net

（1）邊坡加固適用性論證

根據(jù)邊坡地質(zhì)條件勘察報告，評估錨墩式主動防護網(wǎng)加固的適用性。

（2）邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)規(guī)范要求的設(shè)計安全系數(shù)，通過對預(yù)加固邊坡進行穩(wěn)定性分析計算，獲得以下結(jié)果：

①確定錨索布置及初始錨固力P0

通過邊坡整體滑動穩(wěn)定性分析，計算剩余下滑力，確定錨索布設(shè)位置、間距、錨固角及初始錨固預(yù)應(yīng)力P0。

②確定主動防護網(wǎng)受力F

通過邊坡淺表層地質(zhì)情況結(jié)合錨索布置，確定每個防護單元內(nèi)巖土體淺表層滑動破壞區(qū)域，進行坡面穩(wěn)定性分析，計算主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)受力F。

（3）計算錨索預(yù)應(yīng)力Pt

通過主動防護網(wǎng)受力F，計算作用在錨索上的軸力增量 Δf，確定錨索預(yù)應(yīng)力Pt=P0+Δf。

（4）錨墩式主動防護網(wǎng)設(shè)計

在錨索布置間距和主動防護網(wǎng)單元尺寸大小，結(jié)構(gòu)受力等情況明確的條件下進行錨墩式主動防護網(wǎng)設(shè)計。

3 工程設(shè)計實例

3.1 邊坡概況

實例邊坡位于中江縣太安鎮(zhèn)境內(nèi)，在滬蓉高速南充至成都擴建段K1 895+750——K1 895+860（雙向4 車道擴建為8 車道）左側(cè)，長約110m。邊坡屬淺丘地貌，覆蓋層很薄，層厚約0.5～1m；下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，產(chǎn)狀：321°∠7°。鉆孔揭示厚度達35m，其中強風(fēng)化帶厚2～5m，強卸荷帶厚3～7m。表層巖體破碎、裂隙密集、巖芯多呈薄片狀，無明顯主控結(jié)構(gòu)面，且粉砂質(zhì)泥巖具有飽水軟化、失水開裂特性。原挖方邊坡高度約47m，采用緩坡比+寬平臺方式開挖（綜合坡比1∶1.0～1∶1.25），泥巖段采用護面墻進行護面（圖9）。

圖9 實例邊坡錨墩式主動防護網(wǎng)加固代表斷面圖Fig.9 Example of typical cross-sectional view of reinforcement for anchor-pier active protection net

3.2 邊坡擴挖防護設(shè)計

本段路基為雙側(cè)加寬段，其單側(cè)加寬3.75×2=7.5m。設(shè)計采用陡坡比+強措施進行開挖收坡，經(jīng)計算邊坡坡腳開挖后，存在整體失穩(wěn)風(fēng)險，需進行加固防護。由3.1 節(jié)可知，開挖坡面位于卸荷裂隙密集的強風(fēng)化帶內(nèi)，同時應(yīng)防止淺表層坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞。為防止邊坡二次開挖失穩(wěn)，設(shè)計第一級邊坡采用框架錨桿防護，第二、三級邊坡采用錨墩式主動防護網(wǎng)防護（圖9）。

采用錨索間距4m×3m，錨固角20°，坡比1∶0.75，巖體參數(shù)：γ=21 kN/m3，c=8 kN/m2，φ=25°；經(jīng)計算設(shè)計初始錨固力P0=637.17 kN，主動防護網(wǎng)作用力F=103.26 kN，錨索軸力增量 Δf=112.49 kN，錨索錨固力Pt=740.43 kN。設(shè)計錨索采用6 根 ?S15.24 低松弛鋼絞線（1 860MPa 級），錨索長18～25m，錨固段長10m，滿足邊坡整體及淺表層加固設(shè)計要求。

通過以上計算得出，由淺表層巖體失穩(wěn)帶來的錨索軸力增量可達到初始錨索軸力的15%～20%，這將使防護結(jié)構(gòu)偏于不安全；因此，在高陡破碎巖質(zhì)邊坡加固設(shè)計中應(yīng)考慮這一影響因素。

3.3 邊坡施工及工后狀況

如圖10所示，施工后主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)與錨墩形成固定連接，共同對邊坡進行防護。

圖10 錨墩式主動防護網(wǎng)施工成形照片F(xiàn)ig.10 Construction of anchor-pier active protection net

根據(jù)工后邊坡觀測及坡面調(diào)查，由于錨索設(shè)計時考慮了主動防護網(wǎng)對其產(chǎn)生的錨固力增量，邊坡整體穩(wěn)定性良好。高強度鋼繩網(wǎng)覆蓋整個加固區(qū)坡面，經(jīng)調(diào)查坡表未出現(xiàn)局部塊體崩塌、滑移等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，邊坡整體防護加固效果良好。

4 結(jié)論

（1）錨墩式主動防護網(wǎng)新型結(jié)構(gòu)將預(yù)應(yīng)力錨索與主動防護網(wǎng)有效聯(lián)合，實現(xiàn)二者協(xié)同受力，可同時完成碎裂巖質(zhì)邊坡的整體加固和坡面防護。

（2）錨墩式主動防護網(wǎng)中主動網(wǎng)的受力應(yīng)為預(yù)應(yīng)力錨索加固后錨墩間坡面局部巖土體的作用力，局部巖土體的上、下邊界分別與坡面呈45°?φ/2+δ 、45°?φ/2?δ的夾角。預(yù)應(yīng)力錨索的受力除了應(yīng)滿足邊坡整體穩(wěn)定外，還應(yīng)將主動網(wǎng)受力計入。

（3）錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計時宜考慮15%～20%的預(yù)留量，以應(yīng)對坡面巖土體在地震或暴雨等條件下對主動網(wǎng)的張拉。