基于實際邊坡工程的格構梁錨桿二次加固設計分析

張露，沈寶營

（重慶市設計院有限公司，重慶 400015）

0 引言

我國的山區(qū)分布廣泛，山區(qū)公路的大量建設使得滑坡、塌方等邊坡問題產生的影響日漸顯著。20 世紀90 年代以前，我國主要建設低等級公路，產生的高邊坡較少，因而邊坡穩(wěn)定問題較少。進入90 年代以后，隨著大量高等級公路的修建，我國公路建設進入了前所未有的高速發(fā)展階段，邊坡穩(wěn)定問題日漸突出[1]。邊坡失穩(wěn)不僅影響人們的出行安全，嚴重時還會阻斷公路，影響交通，造成難以預計的經濟損失。有專家估計，我國因滑坡等地質災害造成的經濟損失每年達100～200 億元。2009 年7 月3 日，位于廣西河池市的卡馬水庫導流洞出口左側邊坡滑塌把出水口堵塞，產生水擊振動，引起上部壩體部分滑塌；2010 年6 月4 日，福建南平市延平區(qū)西芹鎮(zhèn)發(fā)生一起公路邊坡滑塌事故；大渡河支流金湯河右岸、金平電站附近因強降雨引發(fā)滑坡，埋掉工棚[2]。因此，有必要對邊坡穩(wěn)定性和邊坡支護方法進行研究。

近年，全國各地開展了一系列邊坡防護與加固的技術研究，目前邊坡加固工程的技術路徑主要為：（1）減小滑坡下滑力或消除下滑因素；（2）增加滑坡阻滑力或增加阻滑因素。目前可供采用的邊坡加固措施很多，歸納起來主要有以下幾類：①減載措施；②排水與截水措施；③錨固措施；④支擋措施；⑤壓坡措施；⑥混凝土抗剪結構措施等[3]。其中，錨固措施充分發(fā)揮巖土體自身的穩(wěn)定能力，是一種對原巖擾動小、施工速度快、安全可靠、經濟有效的加固技術，在工程中得到廣泛應用，具有良好的社會效益和經濟效益[4]。但由于錨固工程的復雜性，多種原因可能引發(fā)錨固工程失效，這就需要設計人員對邊坡采取二次加固措施。

本文基于實際邊坡工程，描述原設計格構梁錨桿護坡的失效特征并分析原因，分析了針對護坡失效后的五種二次邊坡加固措施。其中，采取的錨固措施是一種既安全有效，又對邊坡擾動小，且施工相對容易的加固方式，可為日后邊坡二次加固設計提供參考。

1 格構梁及錨桿的常見失效原因

格構式錨桿護坡投入使用后，隨著時間的推移，問題可能逐步顯現出來。引發(fā)失效的原因多種多樣，不少學者對失效原因進行了分析，主要包括以下幾個方面[5]：

（1）勘察階段：邊坡工程對地勘資料的依賴度較高，勘察的樣本數、地勘提供的巖土參數等往往會直接影響設計人員的判斷，但以目前國內的勘察技術水平很難獲得全面而準確的地質情況，導致勘察結果和真實情況存在出入。比如某工程地勘提供的巖層產狀與現場測繪實際產狀竟相差了52°，對于實際存在的軟弱結構面也未在地勘報告中反映[6]，導致了最后的防護失效。在施工過程中可能遇到各種變化，比如由于圍巖荷載和圍巖中弱面的不均勻性，常發(fā)生局部破壞，致使錨桿切向錨固力迅速喪失，徑向錨固力也大幅降低，造成錨空失效[7]。此外，由于地勘資料無法完全精確地描述每一處地質情況，所以在打錨桿之前，需要做拉拔試驗，以確保錨桿滿足設計要求；

（2）設計階段：施工過程中會出現各種情況，這就要求設計人員能隨機應變、及時反應，給出適合真實地質條件的解決方案，如果一味地堅持原有設計，很可能會造成格構式錨桿護坡失效。而如果一開始設計時就沒有考慮足夠的承載力，安全系數取得過小，或將錨桿布置得太密，導致應力疊加，則會使得邊坡內部產生應力集中從而發(fā)生破壞。除此之外，設計時應充分考慮格構梁中間的護坡方式，若采用植被綠化護坡，需結合當地條件考慮植物的抗沖刷性能[8]，否則邊坡表面土層沒有得到固化，容易在長期雨水沖刷下發(fā)生滑移；

（3）施工階段：不按設計施工、隨意改變施工順序、施工質量不達標等都有可能造成格構式錨桿護坡的失效。格構式錨桿是一種對施工技術要求較高的支護結構，人為因素產生的影響更為顯著，比如鉆孔直徑、鉆孔角度、錨桿防銹處理等。另外，工程建設本身也會影響邊坡裂隙繼續(xù)發(fā)育，暴雨期間雨水滲入裂隙結構面，使下滑力顯著增加[9]，導致原設計護坡失效。施工完成后的驗收階段也相當重要，有時候驗收表中邊坡工程施工質量被評定為合格，但實際檢測表明施工質量仍存在若干不符合設計和國家有關標準的現象[10]，這就要求各方在驗收過程中實事求是、靈活處理，對于存在安全隱患的工程不予按合格工程驗收；

（4）使用階段：在設計階段未考慮坡頂加載，但在使用時因各種原因在坡頂進行堆載，人為地增加了錨桿所受荷載，使得錨桿被拉斷；或格構梁和錨桿長期處于較惡劣的環(huán)境中，造成錨桿失效（錨墩失效、錨桿滑脫、錨桿銹蝕）、格構梁失效（格構梁彎折開裂、格構梁懸空）等[11]。最常見的原因是降雨入滲，有“十滑九水”的說法[12]，若邊坡截排水措施不到位，在長期雨水的沖刷下，表面土層很容易發(fā)生滑移，從而造成格構梁脫空、斷裂；或隨著時間推移，錨固段砂漿與鋼筋之間出現粘結破壞，框架梁和錨桿之間出現連接破壞等[13]。

有研究通過計算發(fā)現若將錨桿視為脆性結構，當其中一根錨桿破壞后其鄰近錨桿失效概率迅速增加，最大增幅近12 倍[14]。當現狀邊坡支護結構失效后，若不及時處理，將出現安全隱患，甚至造成嚴重的邊坡破壞，危害行人安全，造成經濟損失。因此，研究現狀邊坡支護結構失效后的邊坡加固設計具有重要意義。

2 格構式錨桿護坡二次加固工程實例分析

2.1 工程概況

渝航大道1、2 號邊坡整治工程邊坡位于重慶市江北區(qū)渝航大道跑馬坪立交與環(huán)山立交之間東南側，為渝航大道修建開挖形成，邊坡形成約5 年。1 號邊坡長約270m，高10～51m；2號邊坡長約349m，高2～32m。兩邊坡均采用格構式錨桿護坡，其中1 號邊坡采用平行于道路方向的鋼筋混凝土格構護坡（圖1），2 號邊坡采用斜方向的菱形格構梁護坡（圖2）。兩邊坡于2016 年12 月竣工驗收。

圖1 1 號邊坡整體照片

圖2 2 號邊坡整體照片

2.2 邊坡特征及現狀評價

在格構式錨桿護坡投入使用的5 年后，邊坡防護出現了不同程度的失效特征，如：格構梁變形開裂、底部脫空、連接斷開；邊坡馬道鼓突現象；截排水溝堵塞等。

根據地勘現場調查情況，將1 號邊坡分為AB、BC 段，2號邊坡分為DE、EF 段。

AB 段邊坡為巖土混合邊坡，長度約90m，高度17～19.4m，上部土層主要為粉質黏土，厚度0.6～4.5m。現已按照1:1 坡率進行分階放坡，每階高度約10m，已設置格構進行支護，中間設有2m 寬馬道，馬道內側設置有截排水溝，外側種有植物。現狀調查該段邊坡下部第一階格構底梁變形開裂較多，中間馬道混凝土有鼓突現象，馬道及坡頂截排水溝均已堵塞。中間馬道混凝土地面發(fā)生鼓突現象表明上部格構未能完全抵抗土層的下滑力。

BC 段為巖質邊坡，長度約160m，高度10～51m，同樣已按照1:1 坡率進行分階放坡，每階高度約10m，已設置格構進行支護?，F狀調查發(fā)現該段邊坡格構與坡面之間脫空較多，其中第一階與第二階尤為嚴重，馬道排水溝均已堵塞，失去截排水功能。該段邊坡第一階格構底部未設置底梁，部分格構底部懸空（圖3）。格構底部脫空是表面土層長期受雨水掏刷的結果，邊坡截排水措施不足。

圖3 BC 段典型照片

DE 段為巖土混合邊坡，長度約90m，高度10～11m，上部土層主要為粉質黏土，厚度2.5～4.5m?，F已按照1:1 坡率進行分階放坡，已設置格構進行支護。現狀調查該段邊坡格構變形開裂嚴重，且格構連接處基本處于斷開狀態(tài)（圖4）。格構梁斷開可側面說明邊坡土體或受雨水沖刷，或內部發(fā)生蠕動從而發(fā)生滑移，格構梁未能完全抵抗土體的下滑力。

圖4 DE 段典型照片

EF 段為巖質邊坡，長度約210m，高度2～32m，現已按照1:1坡率進行分階放坡，已設置格構進行支護，坡腳設置有高0.7m左右的護腳墻。經調查該段邊坡坡腳護腳墻有開裂現象，但無明顯外傾，護腳墻上部格構局部臨空。格構底部脫空，露筋現象嚴重，說明這一部分邊坡的截排水措施也有問題。

據有關質量檢測公司的鑒定報告，鑒定結論總結如下：

（1）兩邊坡格子梁與坡體脫空嚴重，坡體表面沖刷、脫落風化嚴重；

（2）兩邊坡的截排水措施存在嚴重問題，影響邊坡穩(wěn)定；

（3）格子梁混凝土強度不滿足原設計要求；

（4）格子梁配筋不滿足設計要求；

（5）兩邊坡沒有按照設計要求施作錨桿。

邊坡評定為Dsu 級，《建筑邊坡工程鑒定與加固技術規(guī)范》解讀為“嚴重不符合國家現行標準的安全性要求，嚴重影響整體安全”，必須立即采取措施。根據鑒定報告結論和地勘結論，土體邊坡有內部滑動跡象，巖質邊坡整體穩(wěn)定，格構梁存在安全隱患。

對此，本次邊坡二次加固的目標主要有三個：一是在不考慮原有格構式錨桿護坡能發(fā)揮作用的前提下，重新對邊坡進行坡面防護設計（增設錨桿框架梁）；二是盡量讓新增的錨桿框架梁與原來的格構共同發(fā)揮作用（脫空處采用原槽澆筑混凝土）；三是通過一些輔助措施（坡頂減載、有效排水、坡腳壓坡等）保證邊坡的整體穩(wěn)定。

2.3 格構式錨桿護坡二次加固方案

總體來說，兩邊坡整體穩(wěn)定，對現狀坡面格構梁護坡進行加固處治，具體加固方案如表1 所示。

表1 邊坡二次加固措施一覽表

土質邊坡1:2 調整邊坡坡率后進行坡面防護1.坡面沖刷和風化對坡面進行錨噴防護2.格子梁脫空 采用混凝土對脫空處進行原槽填補加強巖質邊坡3.格子梁混凝土強度不滿足原設計要求通過增加鋼筋混凝土結構防止原格構掉落和破壞，坡腳增設鋼筋混凝土墊梁4.格子梁配筋不滿足原設計要求1:1 1:1通過增加鋼筋混凝土結構防止原格構掉落和破壞，坡腳增設鋼筋混凝土墊梁通過增加鋼筋混凝土結構防止原格構掉落和破壞，坡腳增設鋼筋混凝土墊梁6.格子梁漏筋，麻面5.沒有按原設計施作錨桿采用局部的環(huán)氧混凝土補強加固7.格子梁斷裂，脫落 直接清除并植筋更換截排水溝堵塞 - - 清理截排水溝，并保持通暢

總的來說，本次邊坡加固設計運用了以下措施：①減載措施；②排水與截水措施；③錨固措施；④支擋措施；⑤壓坡措施。

2.3.1 減載措施與支擋措施

對邊坡頂部進行削坡減載，能有效減小下滑力，增加邊坡整體穩(wěn)定性。具體措施為對于1 號邊坡AB 段的上部土層，先人工清除部分混凝土格構梁，再以1:2 的坡率清坡（原設計坡率1:1），確保邊坡的穩(wěn)定，土體坡面采用噴射C25 混凝土進行封閉處理。對于2 號邊坡的DE 段，由于現狀格構梁處于嚴重風化層上，該段邊坡的格構梁損毀嚴重，設計先拆除該段邊坡損毀嚴重的格構梁，并清除坡面土層或強風化層，再對邊坡進行C25 混凝土錨噴防護；對該段邊坡的上部土層采用清方后錨噴防護的支護形式。錨噴防護實際上也是一種支擋措施，能避免邊坡的局部掉塊現象，從而保障行車安全。

2.3.2 排水與截水措施

邊坡上水的存在會使巖體強度降低，從而引發(fā)滑坡，因此保障邊坡的有效排水不容忽視。對兩邊坡均已堵塞的馬道及坡頂截排水溝，進行清理并保持通暢。對現狀已損壞的截排水溝進行修繕，保證邊坡表面的有效排水。同時在坡面補充設置泄水孔，保證邊坡內部的有效排水。

2.3.3 錨固措施

對1 號邊坡AB 段的下部巖質邊坡、BC 段巖質邊坡以及2號邊坡EF 段的巖質邊坡進行格構梁加固?？紤]到錨桿對邊坡體的加固影響深度有限，而錨桿與框架梁的結合可以形成整體防護加固系統(tǒng)，使坡體開挖后的順坡向最大水平位移顯著減小[15]，因此在加固時希望發(fā)揮錨桿與框架梁的共同作用優(yōu)勢，故在現狀格構梁內增設框格梁和錨桿，目的主要有兩個：一是在不考慮原有格構式錨桿護坡的作用下對邊坡重新進行防護設計，即采用錨桿框格梁的護坡方式，保障邊坡的整體穩(wěn)定；二是防止現狀的格構梁脫落或再損毀，對行人、行車安全造成二次傷害。框格梁內的巖層采用錨噴的方式進行防護（圖5、圖6），能防止邊坡的局部掉塊現象。

圖5 1 號邊坡矩形格構加固圖

加固采用在現狀格構梁內增設鋼筋混凝土框格梁的方式，框格梁斷面尺寸為0.3×0.3m，框格梁錨桿采用直徑25mm 的鋼筋，要求錨入穩(wěn)定中風化巖層6m。1 號邊坡矩形格構加固時，橫向框格梁中部設置1 根錨桿，單側豎向框格梁中部均勻分布3 根錨桿，一個矩形格構單元共設置7 根錨桿；2 號邊坡菱形格構加固時，單側框格梁均勻分布2 根錨桿，一個菱形格構單元共設置4 根錨桿。每一個格構單元內均采用鋼筋混凝土掛網錨噴進行護面，要求錨噴的鋼筋網置于框格梁下。

在進行錨桿計算時，現狀格構梁有下滑趨勢，受到重力和摩阻力作用，而因摩阻力是有利作用，故計算時僅考慮現狀格構梁和新增鋼筋混凝土框格梁的重力。可取一個計算單元分析，發(fā)現錨桿提供的抗拔力遠大于結構重力，故相當于構造錨桿的作用，可根據實際邊坡情況確定錨桿直徑及錨固長度。

2.3.4 壓坡措施

在每級邊坡的坡腳增設鋼筋混凝土墊梁（圖7），一方面墊梁可以抵擋一部分下滑力，防止坡面發(fā)生滑動從坡腳剪出；另一方面墊梁也能為坡面增設的框格梁提供良好的基礎，使框格梁更好地發(fā)揮作用。通過人為增強約束以防止邊坡滑動，增強邊坡穩(wěn)定性。

圖7 新增坡腳墊梁大樣圖

2.4 施工要點

二次加固方案對施工順序要求較高，若顛倒施工順序，可能產生嚴重安全隱患，故設計人員應在施工前強調以下施工要點：

（1）加固施工工序如下：①清除坡面的風化層并清表；②施工坡腳墊梁；③由下到上施工錨桿、框格梁，并實施鋼筋混凝土錨噴防護；④完善坡頂及馬道截排水溝和護欄防護；

（2）施工坡腳墊梁時必須分段跳槽開挖實施，每一段墊梁長度控制在10m 以內，確保施工階段格構梁不下滑；

（3）確保巖質邊坡加固施工順序為從下到上進行施工；

（4）新建框格梁和現狀格構梁脫空處采用原槽澆筑，回填脫空處混凝土的同時，實施新增加的格構梁；

（5）土質邊坡的清坡采用自上而下逆作法施工，分層防護、及時支護的施工順序，嚴禁無序大開挖、大爆破作業(yè)，以確保邊坡安全。

3 結語

邊坡內部土體發(fā)生滑動，支擋結構失效是滑坡地質災害中常見的類型。西南地區(qū)地質條件復雜，給邊坡防護工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。格構式錨桿護坡是當今工程設計中常用的防護方式之一，具有經濟性強、穩(wěn)固性好等特點，同時也有一定不足，存在加固失效的情況。本文結合工程實例對現狀格構梁失效特征進行詳細描述，并對其失效的可能原因進行分析，最后提出五種二次加固的方法，以期為日后設計人員及邊坡防護人員的工作提供借鑒。