某路堑高边坡预应力锚索框梁与抗滑桩设计

2021-06-11张韦华

山西建筑 2021年12期

张韦华

(山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南 250031)

在道路的修建中，由于开挖山体形成路基路堑高边坡，现对超过30 m的高边坡进行分析与综合设计。拟采用预应力锚索框梁与抗滑桩的双重措施，一起受力。充分利用双重措施以加强对路堑高边坡的加固。本文结合某路堑高边坡的治理工程实例，介绍预应力锚索框梁与抗滑桩在滑坡治理中的设计与应用。

1 工程概况

1.1 地形地貌

场区属于丘陵地貌，山体高大，形态复杂，山坡陡峭。线路切割的山体呈陡坡状，山坡自然坡度25°～50°，局部陡坡陡坎，山坡局部为废弃旧石场，坡体植被较为发育，主要为杂树、灌木等；山坡底部附近村庄有乡村公路通过，交通条件较好。

1.2 地层岩性

1.3 水文地质概况

场区位于山坡上部，地表无长年性水流，仅在雨季有短暂地表径流；地下水由上部土层孔隙潜水和深部基岩裂隙水组成，含水量较小，其补给来源主要靠大气降水的入渗补给，排泄基准面为山坡坡脚低洼处。本次勘察期间，钻孔深度内测得地下水位埋深为18.60 m～20.40 m，高程为106.91 m～136.79 m，年水位变化幅度在1 m～2 m。

1.4 稳定性评价

该段路基开挖后，出露地层为强风化片麻岩，局部为杂填土、残积砂质黏性土，因此该路堑边坡主要为类土质边坡为主，局部为土质边坡。边坡开挖后，将使山体的应力重新分布，坡脚会导致应力集中，在大气降雨(尤其是突发性大暴雨)的作用下，孔隙水压力会增大，边坡自重增加，岩(土)体结构面的抗剪强度将显著降低，可能由于坡脚应力集中和岩土强度不足而产生沿相对软弱面(顺向的节理面、风化界面)的坍塌滑动变形或圆弧形滑动变形，这对边坡的稳定是不利的。建议以缓坡为宜，并采用必要的措施进行加固处理。

场地岩石节理裂隙极发育，主要见有3组：J1:55°∠68°，J2:140°∠36°，J3:303°∠44°，左侧开挖坡面倾向约254°，右侧开挖坡面倾向约74°，根据赤平投影图分析，节理J1，J2与右侧边坡斜交，为斜交顺向坡，对边坡稳定较为不利。

2 边坡变形机理分析及设计思路

2.1 边坡变形机理

本区边坡的稳定性主要由以下几个因素控制：

1)线路以深挖方的形式通过，形成路堑高边坡，因开挖方量较大导致地应力重新调整大，形成较大的松弛区，使路堑边坡的安全稳定性大幅降低。

2)构成本边坡主要由砂质黏性土和强风化片麻岩组成。岩土体强度低，加之岩体风化强烈。存在边坡因自身强度不足产生失稳的可能。

3)边坡开挖后，在水作用下容易沿不利结构面产生崩塌、滑坡等边坡病害。

2.2 设计思路

1)该路段边坡为破碎岩质边坡，因山坡较陡，为避免剥山皮式开挖，采用陡开挖，强加固措施，坡脚采用抗滑桩收脚。

2)本着“固脚强腰”的理念，采用适当的加固防护措施，确保稳定的边坡，同时注重边坡美观。

3)在工程中采用合理排水方案，疏导边坡地下水及地表水，降低土体的含水量，增加路堑边坡的安全稳定性。

3 边坡的稳定安全性计算

该段边坡最高约39.1 m，为二元结构边坡，该边坡上覆砂质黏性土；其下为全风化、强风化片麻岩及微～中风化片麻岩，本次计算选取了YK1+360右侧断面按折线滑动法进行稳定性分析。根据GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范，边坡稳定安全系数满足表1规定的稳定安全系数要求。

表1 路堑边坡稳定安全系数

路堑边坡防护加固是依据路堑边坡稳定程度与等级标准设计，本路段路堑边坡是按照“一级边坡工程”进行设计，总体防护加固工程设计方法如下：

1)对于稳定性差的边坡，由于地质因素的不确定性和坡体结构的复杂性，加强其动态设计工作，根据其施工实际揭露地层情况和坡体结构，及时分析判断，必要时调整防护或增补支挡加固工程措施，确保坡体稳定和结构安全。

2)对于不稳定的边坡，即边坡在正常工况下稳定安全系数小于1.0，必须增加支挡加固工程，或放缓边坡坡率，以及采用刷坡放缓与支挡加固相结合处理，从而维持坡体稳定，确保边坡稳定系数满足规范规定两种工况下的要求。对于欠稳定的边坡，即边坡在正常工况下稳定安全系数介于1.0～1.35之间，若不增设支挡加固工程，可以保持暂时稳定，但在考虑各种不利因素的作用下，将有边坡失稳的可能，建议增补一定的支挡加固工程，或经刷坡放级处理，使边坡稳定系数提高到1.35以上，并满足其他两种非正常工况下规范规定的稳定系数。

3)对于稳定的路堑边坡，即边坡在正常工况及其他两种非正常工况下稳定安全系数满足规范要求，一般无需增设额外支挡加固工程，即可维持坡体的总体稳定，必要时局部调整坡率设计或防护工程措施。

4)同时边坡稳定性应考虑工程的特殊性，在隧道口边坡可适当提高边坡加固后的安全储备。

本次采用岩土专业计算软件进行边坡模拟计算，分别对边坡开挖后，自然工况、暴雨工况、边坡加固后自然工况、路堑边坡加固后的暴雨工况稳定安全性进行四项稳定性计算。岩土体的各项参数根据勘察时提供的室内土工试验数据，同时结合地方岩土经验确定。一般而言，暴雨工况下，不同岩土体强度指标进行折减，折减分别为10%～15%。

a.岩土体强度参数见表2。

表2 主断面滑带土参数

b.稳定性计算见表3。

表3 稳定性计算结果表

边坡开挖及加固后，自然工况及暴雨工况见图1～图4。

边坡加固后，在自然工况下，边坡安全储备系数1.36，大于1.35，满足规范要求。

边坡加固后，在暴雨工况下，边坡安全储备系数1.101，大于1.1，满足规范要求。

4 抗滑桩结构计算分析

抗滑桩是将桩插入滑面以下的稳固地层内，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边坡的作用，平衡滑坡推力，适用于浅层和中厚层的滑坡，土方量小，是稳定滑坡的一种结构物。除边坡加固及滑坡治理工程外，抗滑桩还可用于桥台、隧道等加固工程。抗滑桩剪力包络图见图5。弯矩包络图见图6。

5 设计方案

设计采用六级边坡方案；一级边坡采用抗滑桩截面为2.0 m×2.5 m的桩板墙固脚收坡；二级采用预应力锚索框梁加固，框梁内采用挂网客土喷播；三级采用预应力锚索框梁加固，框梁内采用挂网客土喷播；四级采用锚索框架梁加固，框梁内采用挂网客土喷播；五级采用锚索框架梁加固，框梁内采用挂网客土喷播；六级采用挂网客土喷播。

5.1 边坡坡形、坡率

1)边坡各级的坡率具体如下：

一级：坡高14 m，为直立式；

二级：坡高8 m，坡率为1∶0.5；

三级：坡高8 m，坡率为1∶0.5；

四级：坡高8 m，坡率为1∶0.5；

五级：坡高8 m，坡率为1∶1；

六级：坡高不等，坡率为1∶1。

2)一、二、三、四、五级平台宽2 m。

3)边沟合并碎落台宽2.8 m。防护加固工程立面图见图7。

5.2 边坡加固防护措施设计

加固工程代表性横断面设计图见图8。

1)一级：YK1+328～YK1+450段采用桩板墙固脚收坡，边坡高度14 m，抗滑桩截面为2.0 m×2.5 m，桩长16 m～28 m，桩间距6 m，桩头布设4孔锚索，锚索长度31 m，锚固段长10 m。2)二级：YK1+340～YK1+395采用3排预应力锚索框梁加固，锚索长31 m，锚固段长10 m，间距4 m×3 m。框梁内采用挂网客土喷播。3)三级：YK1+342～YK1+395采用3排预应力锚索框梁加固，锚索长度分别为33 m，35 m，37 m，锚固段长10 m，间距4 m×3 m。框梁内采用挂网客土喷播。4)四级：YK1+354～YK1+389采用3排锚索框架梁加固，锚索长30 m，31.5 m，32.5 m，间距4 m×3 m，框梁内采用挂网客土喷播。5)五级：YK1+358.4～YK1+390采用3排锚索框架梁加固，锚索长30.5 m，31.5 m，33 m，间距4 m×3 m，框梁内采用挂网客土喷播。6)六级：YK1+370～YK1+380采用挂网客土喷播。

每级边坡在适当位置设置检查踏步，各级平台采用C15素混凝土硬化。

5.3 排水设计

每级边坡平台上均设置平台截水沟，各级平台采用10 cm C15素混凝土硬化。全段路堑顶部开口线5 m外设置堑顶截水沟，用于堑顶挡水及排除平台截水沟汇水。各级边坡平台大里程端设引流槽连通平台截水沟与堑顶截水沟，排除坡面汇水，引流槽形式与堑顶截水沟一致。一级边坡坡脚设置边沟。均采用C20混凝土预制块，厚0.19 m。

一级坡坡脚抗滑桩之间布设一排斜孔排水，排水孔填充硬塑透水管(φ110 mm)，内端头用2层无纺布包裹。孔径φ130 mm，间距6 m，孔深15 m。

5.4 加固防护结构设计

1)预应力锚索钻孔直径150 mm，标准抗拉强度为1 860 MPa的高强度、低松弛的普通预应力钢绞线编制。锚索体采用6束φ15.24 mm，锚固段长10 m，框架梁锚索设计张拉力700 kN，抗滑桩锚索锁定拉力为500 kN。采用二次注浆，灌注强度为M40的水泥浆，注浆压力不小于1.0 MPa。

2)锚索框梁截面尺寸0.5 m×0.5 m，均采用C25混凝土浇筑，每片锚索的横梁长为6 m，施工时横梁间设置伸缩缝。

5.5 抗滑桩配筋计算

1)正弯矩钢筋的计算。

最大正弯矩M=γ0γGMmax=1.0×1.0×41 000=41 000 kN·m。

截面有效高度h0=h-300=2 500-300=2 200 mm。

γS=1-0.5ξ=1-0.5×0.361 6=0.819；

纵筋采用束筋配筋，1束3根，实际选取90根钢筋。呈三排布置，间距取200 mm。

验算：a.b=2 000 mm时，钢筋束间距(2 000-100×2-10×32×2)/9=128.9 mm，满足TB 10025—2006规范对于纵筋间距要求。b.验算配筋率。故满足适筋配筋率要求。

2)负弯矩钢筋的计算。

受荷段最大负弯矩Mmax=-9 000 kN·m。

最大负弯矩M=γ0γGMmax=1.0×1.0×9 000=9 000 kN·m。

截面有效高度h0=h-300=2 500-300=2 200 mm。

γS=1-0.5ξ=1-0.5×6.7×10-2=0.967；

3)斜截面抗剪计算。

剪力设计值Q=γ0γGQmax=1.0×1.0×7 000=7 000 kN·m。

Qmax=7 000 kN<0.25βfcbh0=0.25×1.0×14 300×2.0×2.2=15 730 kN (截面满足要求)。

因为Q>0.7ftbh0=0.7×1 430×2.0×2.2=4 404.4 kN，故需按计算配置箍筋。设四肢箍筋，箍筋选用18钢筋,箍筋面积箍筋间距为箍筋最小配筋率箍筋的配筋率满足要求。

5.6 锚索格梁计算

JTG D30—2015公路路基设计规范5.5.5规定：在预应力锚杆体设计时，锚杆体截面积应按式(1)计算。锚杆预应力筋的张拉控制应力σcon应符合表5.5.5的规定。

(1)

其中，A为锚杆体截面积，m2;Pd为锚杆设计锚固力,kN;K1为预应力筋截面设计安全系数，按表4选取；Fptk为锚杆体材料抗拉强度标准值,kPa。

根据JTG D30—2015公路路基设计规范5.5.6规定，锚杆设计时安全系数的取值应符合表4的规定。

表4 预应力锚杆固体设计安全系数

根据规范规定本次设计计算参数为:

1)抗滑桩锚索。安全系数K1:2;锚杆设计锚固力Pd:500 kN;锚杆体材料抗拉强度标准值Fptk:1 860 000 kPa;根据式(1)，得锚杆体截面积A：0.000 54 m2;本次设计采用六束锚索, 锚索采用φ15.24 mm高强度、低松弛普通钢绞线制作,则锚杆体截面积S:S=6πr2=6π×(0.015 24/2)2=0.001 1。根据S>A,故满足要求。2)框格梁锚索。安全系数K1:2；锚杆设计锚固力Pd:700 kN；锚杆体材料抗拉强度标准值Fptk:1 860 000 kPa;根据式(1)得锚杆体截面积A：0.000 75 m2;本次设计采用六束锚索,锚索采用φ15.24 mm高强度、低松弛普通钢绞线制作,则锚杆体截面积S:S=6πr2=6π×(0.015 24/2)2=0.001 1，根据S>A,故满足要求。