框架锚杆防护在高速公路路基防护上的应用

崔洪海

(吉林省公路勘测设计院,长春 130021)

框架锚杆防护在高速公路路基防护上的应用

崔洪海

(吉林省公路勘测设计院,长春 130021)

针对吉林省图们地区地质条件复杂的特点,以在建《图们至珲春段高速公路》第二设计段K351+790～K352+000段深挖方路基出现的边坡滑塌病害为例,通过对路基边坡进行稳定性验算,拟定了以框架配合锚杆为主,绿霸、客土喷播为辅的路基边坡防护、绿化相结合的具体工程措施.并通过实际工程验证,取得了较为满意的实际效果.

路基边坡稳定性;最大滑坡推力;框架锚杆防护

0 引 言

随着我国公路建设的快速发展,公路项目逐渐由城市密集区向边远山区延伸.目前许多在建公路项目需要穿越地形地貌起伏较大的山区,尤其是高等级公路,平面线形及纵坡等指标要求较高,部分地段需要开挖横坡较陡的山体或山坡地.山体的开挖坡率和边坡防护型式选定关系到占地、土石方、坡面防护绿化等工程数量,直接影响工程造价,并直接关系到路基边坡的稳定、公路的安全运营和使用效果.随着公路环保、绿化和景观意识的不断提高,在山区高速公路工程中根据地质条件采取适宜的边坡防护型式显得尤为重要.

1 工程概况

图们至珲春段高速公路是同江至三亚国道主干线长春至珲春支线的一部分,公路位于吉林省东部延边朝鲜族自治州的图们市和珲春市境内,是内陆通往图们江地区的主要通道.

本项目处于东北东部山地湿润季冻区,年平均降水量图们为504mm,历史日最大降水量为105.3mm.初雪10月中旬,终雪在竖年 4月.历年最大冻深2 m,春季干旱多大风,春融期一般在4～5月上旬.夏季炎热多雨,每年7～8月为雨季,日极端最高气温37.6℃,最大风速大于20 m/s,风向西北偏西.秋季晴凉,冬季严寒,历史最大积雪58cm.

该区域冲沟发育,雨季沟内有少量水流,冬季干枯无水.另外本段路基附近有3处泉水出露,水量较大.

该区域地质主要为中生界白垩系大砬子组底层,主要岩性为泥岩,泥岩砂岩互层状产出.上覆第四系地层,主要为粘土、碎石土及粘土夹碎石.地下水主要以层滞水和基岩裂隙水为主,水量不大,流通性差.

图们至珲春段高速公路第二设计段K351+790～K352+000段挖方,原地面横坡较大(57.8%),按正常开挖断面左侧最大挖深34 m,原设计左侧为路堑挡墙(高12 m),在施工中发现地质资料与实际差异较大,施工中(开挖至距设计高5 m处)开挖坡面发生大面积碎落、滑塌现象,原设计已不能满足正常施工要求.

另外本项目前期征地拆迁工作已经完成,如果放缓边坡对自然植被破坏极大,如不采用快捷合理的施工方案将严重影响本项目的通车时间.施工期很快就要进入雨季,雨水的增长又可能加剧滑塌趋势,鉴于以上情况经各方研究决定根据现有状况采取适宜的工程措施进行处理.

2 分析计算

由于坡面已开挖距设计高仅5 m处,首先根据补充《工程地质勘察报告》(表层覆植土0.3 m,0.4～5 m为全风化花岗岩,砂土状;5 m以下为强风化花岗岩,碎块状,风化严重.具体参数略)及施工现状,对该段现开挖状态的路基稳定性进行了分析计算,经计算原挡墙不满足抗滑稳定要求.

2.1 最不利圆弧滑动面的确定[1].

利用费伦纽斯方法、泰勒法一和泰勒法二分别计算最不利圆弧滑动面,得到不同滑面的最危险滑动面的圆心,据此计算相应的边坡稳定系数,经试算得出对应最小稳定系数的最不利圆心位置和滑动半径R=88.17 m及最不利滑动面.将土体划分为单元土条,按条分法划分截面,用Bishop简化法作最不利滑动面进行验算.公式如下:

式中 :mai=cos ai+tan φisin ai/K

同上方法分别试算滑动半径R=83、90、100、88.17、92.06 m时的圆弧滑动面,分别得到k值(见表1),确定Kmin=0.96时对应的最不利圆弧滑动面位置.

表1 最不利圆弧滑动面位置

2.2 滑体推力计算[1]

根据费伦纽斯法得到的最不利滑动面,按条分法计算滑坡推力.公式如下:

计算得到滑坡推力E=372.49 kN/m.

2.3 锚固体设计计算[2]

2.3.1 锚固力计算

拟采用锚杆加固边坡方案,锚杆尺寸及布置见图1.

式中:Pd——设计锚固力(kN);

E1——下滑力(kN);

φ——滑动面内摩擦角(kN);

α——锚索与滑动面相交处内滑动面倾角;

β——锚索与水平面夹角;

计算得:Pd=1011.52(kN)

Pd′=1011.52/4=252.88(kN/根)

锚固力取260 kN/根控制设计.

2.3.2 预应力锚杆锚固段长度的确定

(1)预应力锚杆截面积的确定

拟采用 Φ 32精轧螺纹钢筋,A-锚杆体截面面积;安全系数K=2.5;锚杆体材料抗拉强度标准值Fptk=930MPa.

钢筋直径的计算:

A=KPd′/Fptk=6.989 ×10-4(m2)

As=8.03×10-4(m2)

As＞A,故采用 Φ 32精轧螺纹钢筋满足要求.

(2)地层与注浆体之间的粘结长度验算

安全系数K=2.5;条件系数ξ 1=1.0;锚固段钻孔直径D=0.12 m;地层与注浆体间粘结强度 fr b=380 kPa.

Lr ≥K Pd′/(ξ1π D frb)=4.54 m

(3)注浆体与锚杆体之间的粘结长度验算

安全系数K=2.5;条件系数ξ=0.6;锚固体材料直径D=0.032 m;注浆体与锚杆体间粘结强度fb=2400 kPa.

Lg ≥KPd′/ξ1nπ dg fb=4.49 m

综合以上计算结果,得知锚固长度 L≥Max{4.54,4.49}=4.54 m,锚固长度取5 m.

3 具体工程方案

图1 K351+940锚杆分布置横断面图

图2 预应力锚杆大样图

根据式:

结合《新理念公路设计指南》中深挖方路基边坡防护示例,采用K351+790～K351+862段边坡放缓(放缓至1∶1.25),坡面绿化采用TBS挂网客土喷播;K351+862～K352+000段防护型式改为一～二级框架锚杆防护,框架锚杆内(部分)设8cm喷射混凝土喷层,覆盖绿霸,上方坡面维持不动,坡面绿化采用TBS挂网客土喷播.

3.1 框架锚杆施工工序及技术要求[3]

(1)框架锚杆施工顺序自上而下,边开挖边锚固,纵向每6 m设置一道伸缩缝.

(2)按变更设计图纸开挖坡面开挖到位后(不得再次超挖),在设计开挖坡面的基础上对于框架梁的位置应继续开挖20cm槽,对已超挖部分回填浆砌片石.

(3)在对应锚杆处钻孔、安装锚杆及注浆管(应一起放入)、施工框架梁(使框架落座于槽内 20cm)、注浆 、张拉 、封锚.

(4)锚杆工程具体要求如下:

①锚杆的孔径D=12cm,锚杆采用 Φ 32精轧螺纹钢筋(JL),预应力钢筋抗拉强度标准值fpk=930MPa,锚杆与开挖坡面垂直;

②钢筋接长:应采用机械连接,符合《钢筋机械连接通用技术规程》(JGJ 107-2003)的规定;

③锚固段长度:应锚入设计最不利滑动面不小于8米;

④施工前锚杆锚固应进行性能试验,性能实验锚杆数量为3根(张拉力为设计值的2.2倍,即462 kN).施工完后应进行验收试验,验收试验锚杆的数量为锚杆总数的5%,且不少于5根(试验荷载为设计值的1.1倍);

⑤注浆浆体采用C30水泥砂浆,在2～3个大气压下压力灌注,采用二次劈裂注浆,待一次注浆浆体初凝后进行二次注浆;

⑥初次注浆采用内径20mm的PVC注浆管,二次劈裂注浆管采用内径20mm钢管;

⑦注浆用水泥使用普通硅酸盐水泥,必要时可使用抗硫酸盐水泥;

⑧砂浆的含泥量按重量计不得大于3%,砂中云母、有机物、硫化物及硫酸盐等有害物质的含量按重量计不得大于1%;

⑨水中不应含有水泥正常凝结和硬化的有害物质,不得使用污水;

⑩外掺剂的品种及数量应由试验确定;浆体配制的水砂比宜为0.8～1.5,水灰比宜为0.38～0.5.掺入一定量的膨胀剂,保证收缩和膨胀完成后,总计膨胀不小于0.02%;

⑪锚杆锚固段二次劈裂注浆完成后,自由段也注浆,以防止锚杆锈蚀;

⑫锚杆轴向拉力设计值210KN.锚杆张拉控制应力(不包括锚口损失)σcon=261MPa;

⑬依次施工框架锚杆,应保证锚杆与肋柱的整体连接;

⑭对框架内全风化和强风化岩层表面挖除8cm后用C25喷射混凝土喷护,对框架内为回填浆砌片石处不设喷射混凝土.

(5)喷射混凝土技术要求如下:

①喷射混凝土前应按设计要求布置Φ50mmPVC排水管;

②材料:C25混凝土(采用普通硅酸盐水泥,水泥强度等级不应低于32.5MPa);

③厚度:8cm;

④喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa,喷射混凝土与岩层的粘结强度不应低于0.5MPa,喷射混凝土的弹性模量为2.3×104MPa.

3.2 “绿霸”生态袋的技术要求

框架内喷射混凝土完成后,上覆"绿霸"生态袋.具体技术要求如下:

(1)LB-M 型“绿霸”生态袋标准袋尺寸630mm×330mm×165mm(长×宽×高),袋内装填土壤,土壤可按种植土∶粘土=8∶2比例(施工前可根据试验情况调整比例).

(2)“绿霸”生态袋间使用标准连接扣相互连接.

(3)铺设“绿霸”生态袋时应避免与塑料排水管冲突影响岩层排水.

(4)最上方框架顶梁位置随开挖坡面顶面变化.当顶梁与相邻横梁间距不满足要求时,将顶梁直接设置在相应横梁处,上方缺少部分用“绿霸”生态袋补齐.

3.3 TBS挂网客土喷播的施工工序及技术要求

框架锚杆上方坡面采用TBS挂网客土喷播防护.具体技术要求如下:

(1)TBS挂网客土喷播主要材料:

①绿化基质:主要由腐质有机物、混合肥、粗纤维、稳定剂、保水剂等组成;

②混合草种:包含冷季型、暖季型、观赏型、固氮型等;

③植生土:一般情况选择工程地原有的地表种植土即可,需打碎风干,过8×8mm筛;

④纤维:就地取秸杆、树枝等经机械加工粉碎成10mm目数;

⑤水:pH=5.5～8.5;

⑥网:一般选用φ 2.2的钢丝,50×50mm网孔的钢丝格网,也可根据工程需要选用合适的土工网格等;

⑦锚杆:锚杆长度为 500mm,φ 12mm 的HRB335钢筋,作防锈处理;

⑧植生袋:可控制释放时间的植物生长要素储存袋.

(2)TBS挂网客土喷播的施工工序及技术要求:

①坡面整理:清除坡面浮石、浮根,以利于基材混合物和坡面的紧密连接;

②锚杆钻孔:一般为1 m间距,垂直坡面,孔深为500mm,孔径不小于20mm.对于土石混合边坡和土质边坡,不需钻孔,直接打入L型钉固定网;

③钢丝网应拉紧,网间搭接宽度不小于5cm,每隔30cm用φ 2.2铁丝扎结;

④安装锚杆托板固定网;

⑤钢丝网距坡面要保证2/3喷射厚度的距离,否则必须安装相应厚度的垫块以保证网与坡面的距离.

(3)喷射绿化基材混合物的技术要求:

绿化基质、纤维、植生土和混合草种按设计比例依次倒入搅拌机搅拌,搅拌时间不应小于1 min;喷射应尽可能从正面进行,避免仰喷,凹凸不平及死角部分更要注意;尽可能保持喷射面厚薄均匀;含种子层的厚度必须达到2cm,严防漏喷,喷射施工后几小时内如果有降雨,必须采取防护措施,避免基材混合物流失.

前期养护:用高压喷雾器使养护水成雾状均匀地湿润坡面基材混合物,注意控制好喷头与坡面的距离和移动速度,保证无高压水流冲击坡面,冲走基材混合物及种子;发芽期湿润深度控制在3cm;出芽期每天养护两次,早晚各一次,持续养护时间应不少于45天;每隔15天采用广谱消毒剂喷洒杀菌防治植物病虫害.

4 结论语

深挖方路基在开挖坡口与边坡防护、绿化间存在相互制约的因素,对于受地形、地质、施工条件受限的深挖方路基,具体工程措施显得更为重要.通过项目在工程中的实施效果来看,目前碎落、滑塌现象从根本上得到解决,绿化效果较好.

[1]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册(路基)[M].第二版.北京:人民交通出版社,2004:243-249.

[2]中交第二勘察设计研究院.公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004:49-53.

[3]刘兴远,雷 用,康景文.边坡工程[M].中国建筑工业出版社,2007:96-98.

The Application of Frame-anchor Protection in Highway Subgrade Protection

CUI Hong-hai
(Jilin Provincial Highway Survey and Design Institute,Changchun 130021,China)

As a result of complex geological condition in Tumen area of Jilin province,the stability of subgrade slope is calculated and the detailed measures of combinating slope protction with planting are given,which relies on the main use of frame-anchor and subsidiary use of planting and guest earth broadcasting technology.Verified by actual project,the satisfactory result is obtained.

stability of subgrade slope;max of slide force;protection of frame-anchor

U416

A

1671-119X(2011)01-0085-04

2010-09-26

崔洪海(1972-),男,高级工程师,研究方向:路基、路面、桥涵的设计.