框架锚索联合钢花管注浆在堆积体边坡治理中的应用

龚晓星 舒海明 王曙光

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

堆积体系指松散破碎岩土体堆积的地质体，属于边坡变形破坏后继续运动阶段的产物，广义的松散堆积体，还包括由强风化松散破碎岩体在原地堆积而在人类活动中出现变形破裂现象的边坡体，在我国西南地区，堆积体的发育十分普遍[1]，堆积体一般在天然状况下处于临界状态，但是人工开挖会破坏其植被，改变地形地貌，从而改变坡体原有的赋存状态，以此出现了堆积体开挖的稳定性分析及工程治理问题。

贵州省晴隆至兴义高速公路，沿线发育了多处堆积体，初步设计、施工图阶段依据地质勘查资料对工可线位进行了大规模调整，但是由于地形受限，仍需要对部分堆积体进行开挖。堆积体的治理有一定的特殊性，一般采用联合支挡的措施，本项目YK17+504-YK17+670右侧挖方边坡，为一深层堆积体，采用微型钢管桩注浆预加固、坡面钢花管注浆、框架锚索加固、坡脚设挡墙等综合措施进行了有效的支挡，取得较好效果。

1 工程概况

该工点地处贵州高原西南山区的斜坡地带，山体自然坡角约30°～70°。山坡植被发育，为灌木地，属侵蚀-构造型低山地貌。场区出露地层上覆第四系残坡积层块石土(Qel+dl)：杂色，松散状，块石含量70%～85%，块石成分为泥质粉砂岩、砂岩，块径20～50 cm，钻探揭示厚22.0～25.9 m。

下伏基岩为三叠系下统飞仙关组(T1f)泥质粉砂岩，强风化层深约10 m。场区内未发现断层通过，岩层综合产状210°∠15°，岩体节理裂隙发育，节理产状主要有J1：145°∠80°，J2：310°∠70°共有2组,节理张开度1～3 mm，局部夹有泥质软弱夹层,节理面结合差～很差。

场区地下水类型属第四系覆盖层孔隙水、基岩裂隙水，地下水主要靠大气降水补给，场区未见泉点出露，钻孔中无稳定水位。场地水文地质条件较简单。

2 边坡稳定性评价

该边坡覆盖层深达25 m，以下岩体基本为强风化，呈碎裂结构，边坡岩体类型为IV类，为类土质边坡，根据规范，边坡的坡面形式应为圆弧滑动，一般采用简化的Bishop法进行稳定性分析。

根据工程地质调绘、结合工程类比及规范[2]进行确定，推荐岩土物理力学指标见表1。

表1 边坡稳定性计算参数

注：下标为d的为天然工况，s为暴雨工况。

本项目地震基本烈度为VI度，地震动峰值加速度为0.1g，可以不考虑地震力对边坡稳定性的影响[3]。故对边坡的潜在滑动面进行稳定性计算，考虑2种工况：①天然工况；②暴雨工况。

以YK17+590为计算断面，赋予各岩土(体)参数，搜索最不利滑动面，采用简化的Bishop计算，结果见表2。

表2 边坡稳定性计算结果

3 边坡治理设计

3.1 边坡坡顶预加固

该边坡堆积体深达26 m，边坡开挖后临时稳定性较差，应尽量采用较缓的坡率。但该原始坡体呈下缓上陡边坡，缓坡、陡坡间有一明显的变坡点，一旦边坡过缓，开挖坡口线会临近缓、陡变坡点，从而扰动陡坡山体，引起大规模滑坡。故设置坡率为1∶1～1∶1.5，使开挖坡口线与变坡点最小距离保持在15 m以上。

考虑到边坡开挖到支护需要一定的时间间隔，结合该边坡地形与地质的特殊性，边坡开挖前，在边坡后缘采用3排直径108 mm微型钢管桩对坡体进行预加固，以防止开挖卸荷后，堆积体出现突发的变形失稳现象。

3.2 框架锚索设计

3.2.1设计锚固力计算

以YK17+590为计算断面，取路堑边坡安全系数1.25，取不利的暴雨工况，计算剩余下滑力E=1 129 kN/m。剩余下滑力并不大，可以采用框架锚索防护。

预应力锚索锚固力设计时，应根据边坡稳定性分析确定边坡下滑力，按式(1)计算需要锚索提供的锚固力。

(1)

式中：Pd为锚杆设计锚固力，kN;E为边坡下滑力，kN;α为锚索与滑动面相交处滑动面倾角，(°)；β为锚索与水平面夹角，(°)；φ为滑动面内摩擦角，(°)。

取锚索入射角β为25°，由于各处锚索与圆弧滑动面的交角不一样，简化计算，取平均值为35°，φ取24°。代入式(1)，则设计锚固力为

在边坡第二、三、四级设置9排锚索，每孔锚索由6束Φs15.2 mm无黏结钢绞线组成。设计锚固力750 kN，锚索纵向间距采用5 m，则锚索提供的锚固力为1 350 kN/m，大于设计锚固力，满足边坡稳定性要求。

3.2.2锚固孔计算

锚固段的长度由注浆体与锚孔壁的黏结强度、锚杆与注浆体的黏结强度及锚杆强度等3部分决定，设计时取其小值。

根据贵州省高速公路预应力锚索的设计经验，在每孔锚索预应力小于1 000 kN的情况下，锚固段长度由注浆体与锚孔壁的黏结强度确定，本文按式(2)计算。

(2)

式中：K为安全系数；D为钻孔直径；frb为岩体与注浆体界面黏结强度设计值。K及frb可以查文献[2]。

第四级边坡锚索锚固段部分位于块石土中，取frb为350 kPa，锚孔直径采用150 mm,取安全系数K为2.0代入式(2)，得

安全起见，取Lr为10 m。而第二级、第三级锚索锚固段多位于强风化泥质粉砂岩中，取锚固直径为130 mm，锚固段长度取为10 m，也能满足设计要求。

自由端深入潜在滑动面以下不少于1 m，将锚固段锚固于稳定的土层中。

3.3 坡面稳固措施

由于第三、四、五级边坡坡面均为块石土，自稳性差，边坡开挖过程中，坡面极易坍塌，为了防止边坡在开挖及防护过程中产生垮塌，在边坡开挖完后，采用钢花管对土体进行注浆加固，使松散堆积体成为较密实的注浆体，以保证边坡临时稳定。同时，采用挂网喷射混凝土对坡面进行封闭，避免边坡在雨季施工时，降水对边坡稳定的不利影响。

第一级边坡部分岩体仍为强风化泥质粉砂岩，由于坡脚存在应力集中的现象，设6 m高路堑墙起固脚作用。

3.4 排水措施

坡顶设截水沟、边坡平台设平台截水沟以截排坡体地表水，边坡坡面钻直径110 mm孔，内置以渗水土工布包裹的外径直径90 mm钻有小孔的PVC深层透水管，以及时引排地表、地下水。

综合处治方案见图1。

图1 处理方案图

4 加固后边坡稳定性分析

采用有限元极限分析软件OPTUMG2，针对天然状况及暴雨状况，对加固前和加固后边坡进行有限元上限稳定性分析。

OPTUMG2软件基于最新发展的有限元极限分析理论，通过建立严格的上、下限优化模型，并以二次锥形规划(SOCP)为计算内核，可实现岩土极限分析问题的精确、稳健、高效求解。软件内嵌网格自适应迭代程序，可针对能耗密度对网格进行自适应迭代，极大地便利了对破坏模式的分析[4-7]。

为便于分析，做如下假定：计算模型为理想弹塑性模型，服从摩尔-库伦屈服准则及关联流动法则，各土层土体均质。模型边界为底部固结，两侧仅竖向自由。坡体覆盖层上方为块石土，下方为强风化岩层，计算参数按表1取值。模拟的结果以安全系数及破坏模式形式给出。

加固前边坡在天然状态下安全系数为0.95，在暴雨状态下安全系数为0.81。从安全系数数值上来看，与前文计算的安全系数相差不大，这也说明了分析模型的有效性。

加固前边坡在天然状态及暴雨状态下的破坏模式见图2。

图2 加固前边坡破坏模式

加固后边坡在天然状态下安全系数为1.62，在暴雨状态下安全系数为1.49。

加固后边坡在天然状态及暴雨状态下的破坏模式见图3。

图3 加固后边坡潜在滑裂面

从模拟结果来看，加固后边坡在天然状况下或暴雨状况下，安全系数均达到设计要求，边坡稳定。模拟的加固后边坡的潜在滑裂面与图1中表示的实际滑裂面的位置及形状相符。综上所述，数值模拟分析表明，该加固方式合理可行。

5 施工工序及注意事项

路堑高边坡施的施工，是一个破坏山体原有力学平衡又用支挡加固工程重新建立新的力学平衡的过程，施工方法与工艺极大影响边坡的稳定[8]。正确的施工顺序对此类堆积体边坡治理显得尤为重要。

针对设计方案提出以下施工工序，以确保施工的安全。

1) 首先施工坡顶截面沟，排除坡面水，改善边坡的水文条件。

2) 坡面排水施工完后再施工钢管桩。

3) 钢管桩施工完毕后再开挖边坡。为避免开挖暴露时间过长，使边坡松驰范围变大，边坡开挖一级后，及时采用花管注浆挂网喷射混凝土进行防护，并施工深层透水管，排出坡体水，待排水防护完成后再进行框架锚索施工。框架锚索防护施工完成后，再开挖和支护下一级边坡。

框架锚索及钢花管钻孔时，应采用无水干钻，禁止开水钻进，以确保锚固工程施工不恶化边坡岩土工程地质条件和保证孔壁的黏结性能。

考虑到该边坡为类土质边坡，锚索预应力易损失，故在施工完成后保留钢绞线张拉段，以用于锚索的补偿张拉，补偿张拉的值根据锚索拉力的实测结果确定，补偿张拉的时间一般为3个月。

6 结语

该工点按以上方案进行施工，于2011年7月完成，在施工过程中，第四、五级边坡由于块石土较松散，边坡发生了局部垮塌，采用挂网喷射混凝土及时封闭边坡后，没有影响到边坡的整体稳定。由于边坡设计时各方面因素考虑得比较充分，预加固、加固方案都有正确的依据，并对加固后边坡进行数值模拟分析，再次验证了加固方案的合理可行性。且经加固后，危险性较大的堆积体边坡开挖后得到了及时加固防护，施工得以顺利完成。2011年10月，对锚索预应力进行检测，发现预应力损失约30%，个别损失大于50%，故又重新进行了补张拉。现在工程已经完成7年，经历多个雨季，经观察，未发现任何病害。通过该工点的设计，取得如下经验。

1) 堆积体边坡应该采用分级支挡的方案，视其地形地貌、堆积体成分、堆积体厚度采用支挡为主、封水为辅的联合支挡方法，必要时，可以对坡体进行预加固。

2) 设计规范要求将锚索锚固在稳定的岩层中，潜在滑动面以下的堆积体、强风化层也可以作为预应力锚索的锚固端。设计时可以根据计算适当加大锚孔、加长锚固段长度。

3) 对于以堆积体、强风化层为锚固段的预应力锚索，其预应力有较大损失，可以通过后期补充张拉进行处理。