预应力锚杆在路堑边坡防护中的应用

2016-08-01陶学俊

铁道勘察 2016年3期

关键词：路堑锚杆预应力

陶学俊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

预应力锚杆在路堑边坡防护中的应用

陶学俊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

摘要以湖南岳阳某高速公路路堑高边坡工点为例，介绍边坡防护设计思路、边坡稳定性计算、边坡锚固计算流程和要点，包括锚固力、锚杆间距、锚杆长度和锚固角等，并提出施工和监测方面的注意事项。边坡锚固是一个系统工程，设计时应对锚固方案的合理性、安全性和经济性进行综合论证分析，选择最佳方案，并需做好前期勘察和后期监测工作。

关键词高边坡预应力锚杆锚固防护

路堑边坡治理是公路和铁路建设中比较常见的问题，但近年来依然频见边坡事故的发生，如何对边坡稳定性进行准确分析并提出经济安全的加固方案，值得深入研究。边坡锚固是一种发展中的加固措施，预应力锚杆在路堑边坡防护工程中得到了大范围的应用，并取得良好的加固效果[1-5]。

1工程概况

1.1地形地貌及气候条件

湖南岳阳某高速公路有一长达12 km的路段，地层主要由燕山期花岗岩构成，地貌形态相对简单，属于构造侵蚀、剥蚀地貌，大部分为低矮的圆缓状丘陵山体和谷地。

项目所在地区处于中亚热带向北亚热带过渡的地带，其气候为亚热带季风湿润气候。年平均降水量为1 200～1 300 mm，雨水多集中在3～8月，约占全年降雨量69%。

1.2工程地质和水文地质

根据野外地质调查测绘及钻探成果，场地内分布的地层主要有第四系覆盖层和燕山期花岗岩，地层岩性单一，构造不发育，地质条件简单。

根据区域地质资料，区域地质稳定性为基本稳定。域内地震动峰值加速度为0.05 g，对应中国地震烈度区划图的地震基本烈度为6度区。

本路段地表水主要为河流支流冲沟水，地表径流量变化显著，年际间丰、平、枯交替明显，溪沟水位受降水量影响明显，山洪对路基及构筑物存在较强的冲刷作用。路线区地下水按照地下水赋存条件及运移特征可划分为孔隙水和基岩裂隙水两类。孔隙水主要赋存于河流阶地的砂、卵石层、山坡，以及山间谷地坡积成因的粉土、砂土层中，以大气降水及地表水补给为主。基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙、层间裂隙及构造节理裂隙中，以风化裂隙含水为主，主要靠大气降水通过松散堆积层间接补给或上层地下水的补给，部分基岩裸露的山体为降水直接补给。

本路段因挖方产生很多高边坡，下面以K12+880～K13+120段左侧的深路堑边坡为例进行边坡稳定性分析和锚固设计。该段边坡原地面坡度10°～15°，用地界有一定限制。

2边坡稳定性分析

本段边坡受地形地貌限制，开挖高度较大，根据边坡高度、工程地质和水文地质条件、排水措施、施工方法，并结合沿线区域既有边坡综合调查结果，采取台阶式边坡。边坡坡率：顶层边坡坡率为1∶1.25，其他层边坡坡率为1∶1.0。台阶式边坡每隔8 m设一级平台，平台宽2 m。边坡刷至自然山坡坡顶，最高达31 m。

取K12+980处的边坡横断面为算例，进行稳定性分析。根据现场钻孔提供的资料，各土层计算参数见表1。

表1　土层分布及计算参数

开挖后的人工边坡计算模型如图1所示，边坡安全系数计算结果见表2，其结果不满足相应规范要求，需对边坡进行防护。

图1　开挖后的人工边坡计算模型

计算方法瑞典法Bishop法Janbu法安全系数值0.9631.0971.025

3边坡锚固设计

根据该段边坡地形特点、地质情况以及用地限制条件，对抗滑挡墙、抗滑桩、预应力锚杆框架等路基防护和支挡方案作经济技术分析比较后，采用预应力锚杆框架并结合排水措施对该路堑高边坡进行加固。

3.1锚固力计算

在对锚固边坡进行稳定性计算时，需要将锚固作用力简化。有两种简化的方式，一是将锚力简化为作用于滑面上的一个集中力，二是将锚力简化为作用于坡面上的一个集中力。为安全起见，一般采用两种方法计算结果的较小值，锚固作用力的简化如图2所示[6-8]。

图2　锚固作用力的简化

边坡加固力按公式(1)进行计算

(1)

式中T——锚杆设计锚固力/kN；

E——边坡下滑力/kN；

α——锚杆与滑动面相交处的滑动面倾角/(°)；

β——锚杆与水平面的夹角/(°)；

φ——滑动面内摩擦角/(°)。

根据公式(1)，算得该单位厚度边坡所需的锚固力为732 kN。

3.2预应力锚杆间距

当锚杆的水平间距和垂直间距设置过小时，容易产生群锚效应，导致锚固力降低；当设置过大时，容易引起应力集中现象(因为单根锚杆承载力过大)。锚杆的水平间距和垂直间距一般应控制在1.5 m至4.0 m之间。在本边坡锚固中，水平间距为3.0 m，垂直间距为4.0 m。

3.3预应力锚杆长度

预应力锚杆总长度主要包括锚固段长度和自由段长度。

锚固体的承载能力一般由三部分控制：地层与注浆体的粘结强度、注浆体与锚杆体的粘结强度以及锚杆强度，设计时取三者小值。

地层与注浆体的粘结长度按公式(2)进行计算

(2)

式中La——地层与注浆体的粘结长度/m；

K——预应力锚杆锚固体设计安全系数；

ζa——地层和锚固体粘结工作条件系数，永久性锚杆取1.0；

da——锚固段钻孔直径/m；

fa——地层与注浆体的粘结强度/kPa；

其余符号意义同前。

注浆体与锚杆体的粘结长度按公式(3)进行计算

(3)

式中Lb——注浆体与锚杆体的粘结长度/m；

ζb——砂浆和锚固体粘结工作条件系数，永久性锚杆取0.6；

db——锚杆体材料直径/m；

fb——注浆体与锚杆体的粘结强度/kPa；

n——锚杆体根数。

其余符号意义同前。

确定锚杆锚固段长度时，分别对锚杆粘结长度La和Lb进行计算，并取两者中的大值。本工点边坡取10 m。

一般由稳定地层界面决定锚杆自由段的长度，在本边坡中自由段伸入滑动面的长度为不小于1 m。

3.4预应力锚杆锚固角

锚杆布设方向在边坡预应力锚固设计中非常关键。理论上讲，逆滑动方向布设是最佳的布设角度，但实际施工时因受到现场条件等限制，只能按照一定方向布设。为了达到比较有效的加固效果，应尽可能选择比较合适的锚固角度。本边坡在设计时经过综合经济比选，锚杆锚固角取与水平面呈20°夹角下倾。

3.5边坡设计结果

边坡工点断面K12+980最终设计如下：

第一、二、三级边坡采用预应力锚杆框架加固，设置2排，设计锚固力450 kN。第一级边坡第一排锚杆长16 m，第二排锚杆长18 m。第二级边坡第一排锚杆长20 m，第二排锚杆长22 m。第三级边坡第一排锚杆长20 m，第二排锚杆长20 m。

路堑边坡锚固结果如图3所示。

图3　路堑边坡锚固结果(单位：m)

3.6条分法土条应力

用条分法对锚固边坡滑动面应力进行计算，土条底部法向力曲线和切向力曲线分别如图4和图5所示。

图4　土条底部法向力曲线

图5　土条底部切向力曲线

3.7坡面防护和排水措施

为保证边坡开挖及运营工程中坡面稳定，防止雨水冲刷及坡面松弛，改善美化坡面景观，采取骨架护坡及锚杆框架内厚层基材喷射植被防护等工程措施。

本段边坡坡体地下水发育，设计采用仰斜排水孔引排地下水。路堑顶5 m外设置截水沟，将地表水引入边沟中。

4施工和监测

4.1施工注意事项

(1)土石方工程

对于设有锚固工程的路堑高边坡土石方工程开挖，在进行下一级边坡的土石方开挖前，需等到上一级边坡全部实施完锚固工程且产生加固力，按照由上而下的开挖施工顺序逐级进行开挖和加固，这样才能保证边坡体的稳定和锚固结构的安全。

对于石方边坡开挖，为了尽量减少爆破施工产生的岩体结构破坏，接近路堑边坡工程部位严禁采用大爆破，在距离设计坡面一定范围内采用光面控制爆破，一般通过爆破震动影响监测的结果确定具体范围。

(2)锚杆施工[9-10]

钻孔钻进过程中禁止水冲，在钻进过程中如果遇到严重坍孔，应立即停钻并进行灌浆固壁处理，灌浆36 h后再扫孔钻进。锚孔内灌注M30水泥砂浆，水灰比和灰砂比具体值应通过试验确定，必要时可适当增加外加剂。锚杆注浆应采用孔底返浆法进行注浆。

4.2边坡监测要点

监测有两种，一种是施工期监测，另一种是运行期监测。施工过程中，开挖和降雨等因素会影响其实施效果，进行边坡监测有利于掌握边坡变形特点以及影响程度，从而检验施工质量以及边坡治理的效果。

在本预应力锚固工程中，各阶段的监测主要有两项内容：一是锚杆体本身的监测，另一项是对锚固对象即深路堑边坡的监测。监测具体项目主要包括地表变形监测、深孔位移监测等。监测工作时间主要为施工期和公路营运初期，边坡开挖和雨季时相应加密监测次数。

该边坡已完成施工一年，各项监测数据显示边坡处于稳定状态，预应力锚杆在该边坡防护中得到了较好的应用。

5结论

边坡防护时，应根据边坡稳定性分析资料，鉴别边坡的破坏模式，确定边坡不稳定程度及范围，对锚固方案的合理性、安全性和经济性进行综合论证分析。通过采用预应力锚杆框架对本路段路堑高边坡进行加固，有效防止了边坡失稳破坏，取得了较好效果。边坡锚固是一个系统工程，设计时需对边坡进行稳定性分析和加固方案计算比较，另外还需做好前期勘察及后期监测工作。

参考文献

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[4]董汉雄.预应力锚索在边坡加固工程中的应用[J].铁道勘察，2009(2):32-34

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[8]铁道第一勘察设计院.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[9]于连营.温福铁路路堑高边坡预应力锚索锚固工程施工工艺[J].铁道建筑技术，2009(5):75-78

收稿日期：2016-03-07

作者简介：陶学俊(1984—)，男，2009年毕业于河海大学岩土工程专业，工学硕士，工程师。