预应力锚索加固方案在高边坡中的应用

刘伟 郭明

1 工程概况

王良寺经济适用窑小区大型滑坡位于陕西省延安市宝塔区桥沟镇东十里铺村。滑坡体平面呈一舌形,上窄下宽,上厚下薄,上缓下陡。总体形状呈北高南低,两侧高中间略低。滑面总体倾向东南,倾角呈上缓下陡。

《延安市王良寺经济适用窑小区场地滑坡工程地质勘察报告》(以下简称《勘察报告》)认为,该滑坡发育于晚更新世时代,为河流侵蚀、雨水、地下水等共同作用下形成的,勘察时该滑坡整体上已固化,无失稳变形迹象。但滑坡后部斜坡稳定性较差(稳定系数1.013～1.091 2),在暴雨等不利条件下可能导致坡体的局部失稳,应对其进行治理。

该滑坡滑带土岩性相对复杂,前缘滑带土形成于基岩面上,岩性为碎石土,为砂泥岩强风化带在上部巨大的滑坡推力作用下形成,土体呈层状,颜色为黄绿、灰绿色细粒物质,有定向排列趋势,多见镜面擦痕;中后部滑带形成于黄土中,滑带土为粉土或粉质黏土,多呈黄褐色,挤压错动明显。土体力学参数为:上层厚约65 m的土体重度为γ=16 kN/m3,粘聚力C=25 kPa,内摩擦角φ=18°;下部厚约50 m的土体重度为 γ=18 kN/m3,粘聚力C=31 kPa,内摩擦角 φ=23°。滑体厚度以中间最大,为 9.50 m～17.60 m,前部及后部稍小,为3.00 m～10.00 m,平均厚度为12.0 m,滑坡总体积约为80万m3。目前滑坡后缘已形成一条长度100余米,宽度1 cm～6 cm,与老滑坡后壁近于平行的弧形贯通裂缝,说明该边坡已被人为改变形态而整体复活[1]。

2 工程治理方案设计

2.1 工程治理方案的思路

1)本滑坡为一大型黄土老滑坡,被人为不适当开挖引发复活,滑坡后部宽约130 m,前部宽约270 m,南北长约350 m。坡体中部及前部为拟建的经济适用窑小区,8排24幢房屋,建成后将有千余人入住,依据GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范,其安全等级应为Ⅱ级。2)本滑体中后部被人为取土和场地平整开挖近20 m宽,形成10 m～20 m的陡坡且已将土方弃于场外。如将加固支挡工程布置在主推力以下位置,坡体后部会产生越顶剪出破坏,不能满足上部剪出的安全要求(稳定系数1.008),而土方回填“压脚”必将会影响拟建场地的利用,且还需从场外运土夯实、碾压处理等,其费用较大。滑体后缘上方为40°的山体陡坡,大量削坡又会危及上部山体。3)由上述情况不难看出若对该滑坡“砍头”“压脚”均难以做到经济合理且不破坏地质环境的最佳程度。理想的方案应是既保证坡体的整体稳定性又能防止坡体的局部剪出。故治理方案的思路与技术措施应是“地表排水、滑体后部推力段依势适度削坡和在阻滑段适当位置布设预应力锚索”的综合加固方案。4)每隔20 m宽在各级坡面中部设置1个固定变形观测点,用于以后的变形观测,为设计变更提供可靠的反馈信息。

2.2 工程治理方案说明

1)截、排水工程。上部截水沟依滑坡后壁走势布置,内截面尺寸为700 mm×500 mm,长度约200 m;坡体上排水沟布置在每阶削坡下缘的平台上,内截面500 mm×500 mm;排水沟的纵向坡率为 0.5%,中间高,东、西侧低。坡体水流向两侧分流,材料采用浆砌片石,等级为M10。2)削坡工程。削坡工程充分利用黄土局部直立性能好的特点,分级削坡:第一级坡率为 1∶1.25,坡高32 m,分为四个台阶,每个台阶高8 m;第二级坡率为 1∶1,坡高12 m;第三级坡率为 1∶0.8,坡高12 m。两级削坡间设4 m宽平台。削坡土方回填于下面坡脚,既可减少土方量又可适当压脚。

2.3 预应力锚索设计

依据《勘察报告》所给出的边坡土体力学参数和设计边坡剖面形状,运用简化Janbu法计算出设计边坡最危险滑移面和安全系数。根据不同坡率分为三级边坡设计锚索,设计边坡安全系数为1.25(GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范),锚索与破坏面的夹角为60°,每根预应力锚索的自由段应穿过最危险滑移面[3]。

1)第一级边坡预应力锚索设计。

本级边坡坡率为1∶1.25,本级边坡锚索所需的锚固力约为:

本级边坡从51 m标高到112 m标高,高61 m,滑面长约115 m。按滑面长每5 m设1层锚索,共23层锚索,按每4 m宽布置一排,那么单根锚索轴向拉力设计值为:

2)第二级边坡预应力锚索设计。

本级边坡坡率为1∶1,同理可知本级边坡锚索所需的锚固力约为:

本级边坡从43 m标高到51 m标高,高8 m,滑面长约12 m,按滑面长每4 m设一层锚索,共3层锚索,按每3 m宽布置一排,那么单根锚索轴向拉力设计值为:

3)第三级边坡预应力锚索设计。

本级边坡坡率为1∶0.8,同理可知本级边坡锚索所需的锚固力约为:

本级边坡从35 m标高到43 m标高,高8 m,滑面长约10 m,按滑面长每3.3 m设一层锚索,共3层锚索,按每3 m宽布置一排,那么单根锚索轴向拉力设计值为:

2.4 锚固段长度的计算

锚索采用7φ 15.24 mm的压力分散型预应力锚索,杆体D=150 mm,A=255 cm2,钢绞线E=2×105MPa,A=78.4 cm2,注浆体E=1.5×104MPa,A=176.6 cm2,则锚索体综合弹性模量E=4.2×104MPa,截面积A=255 cm2,取土层中侧摩阻刚度系数 λ=5 MPa。

实际工程中采用:第一级边坡预应力锚索设计张拉级别为500 kN级;第二,三级边坡设计张拉级别为400 kN级,锚固段长度为:La1=La2=La3=14.0 m。

[1]陕西工程勘察院.关于陕西省延安市王良寺经济窑小区滑坡岩土勘察报告(初勘、祥勘)[R].2005.

[2]GB 50010-2002,土层锚杆设计与施工规范[S].

[3]张发明,刘汉龙,赵维炳.预应力锚索加固边坡的设计实例[J].岩土力学,2000(6):179-180.

[4]陈 文.预应力锚索在边坡防护中的应用[J].山西建筑,2009,35(15):100-102.