预应力锚索加固公路顺层高边坡方案研究

2022-06-07潘锋

交通科技与管理 2022年10期

摘要文章以沉积岩地区某高等级公路顺层边坡实例为依托，运用库伦岩土软件，结合勘察及抗剪强度指标反算，采用传递系数法，确定边坡加固前后的稳定系数。同时结合项目特点，进行了改线避让、软弱结构面强度改良、力学平衡等多方案比选，最终确定采用预应力锚索框架结合截排水方案进行综合治理，确保方案的安全性和经济性，对类似项目具有一定的借鉴意义。

关键词顺层高边坡;传递系数法;预应力锚索

中图分类号 TU435 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0157-03

0 引言

高等级公路进入山区和丘陵地区，受地形限制，高填深挖难以避免。高边坡的数量多、高度大，一旦产生变形破坏，在施工期就会导致投资增加，延误工期，运营期容易中断交通，危害过往行人和车辆安全。沉积岩地区的顺层高边坡具有分布广泛、作用机理复杂、地质选线时难以完全避让、变形失稳后破坏力较大等特点，其稳定性分析评价、监测、预防和综合治理等已引起广大工程技术人员的高度重视[1]。

1 工程实例应用分析

1.1 项目概况

某高速公路沿山麓布设，采用挖方断面形式通过。区域地质资料及工点勘探成果揭示，该段为典型的沉积岩地层，岩层倾向开挖坡面，倾角一般在20º左右，产状不利边坡稳定。此类坡体结构在开挖卸荷、暴雨等不利工况作用下，极易产生顺层滑动，当有多个软弱夹层时，会发生多层滑动，甚至诱发工程滑坡。

1.1.1 地形地貌

拟建项目工点地貌单元为低山，山体浑圆，植被茂盛，自然地面高程在185.35～220.57 m之间，高速公路切坡后，将形成近35 m左右的高边坡。

1.1.2 地层岩性

根据钻探揭露，该次勘察土层自上而下可分为四个工程地质大层，三个工程地质亚层。

（1）层粉质粘土：灰黄色，可塑状，含铁质锈斑，粉粒含量高、且夹少量碎石。无摇振反应，切面稍光滑，韧性中等，干强度中等，层厚0.9～7.0 m。

（2）层碎石土：杂色，稍密～中密，稍湿。碎石母岩成分主要为砂岩、灰岩碎块等，可塑～硬塑状粉质粘土及中密状粉细砂充填。碎石常见粒径5～20 cm不等，碎石含量约60%，呈棱角状，土质不均匀，层厚1.50～6.2 m不等，局部缺失。

（3）层强风化泥质粉砂岩：黄褐色，母岩大部分已风化成细砂、粗砂状，局部夹砾石，泥质胶结差，结构密实，遇水易软化，敲击易碎，局部夹原岩硬块，钻探时存在软弱不均现象。属极软岩，极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚2.60～9.20 m。

（4）层中风化泥质粉砂岩：黄褐、微红色，岩芯呈碎块状，裂隙发育，泥质结构，块狀构造。岩芯碎块强度较低，浸水易软化。岩芯采取率75%左右。岩体较破碎，岩石坚硬程度分类为极软岩，岩体基本质量等级为V级。该层未揭穿。

2 顺层高边坡稳定性分析及评价

2.1 稳定性分析方法的选定

根据地勘资料，该边坡为典型的顺倾层状坡体结构，综合采用工程类比法、计算法及赤平投影法等方法进行分析计算。其中工程类比法及赤平投影法主要用于边坡稳定的定性分析;定量计算方法上主要选用直线、折线形破坏的传递系数法、Bishop条分法[2]。

2.2 岩土层主要物理力学指标

顺层岩质边坡的抗剪强度指标的获取一直是边坡勘察的一个难题，同时也是影响稳定性分析评价结果的决定性因素。现场直剪试验往往由于试验点偏少，或者试验点位的代表性不足，导致得出来的抗剪强度指标偏离实际，且费时费力、成本较高，一般工程很难实现。目前工程界通行做法是，在具体的工点勘察中做好边坡结构面的现场调查工作的同时，现场确定结构面的软、硬类型、结合程度及裂隙的发育程度，选取有代表性的岩石做抗压试验，同时进行相关的反演分析[3]。

力学反演分析的实质是视边坡将要滑动而尚未滑动的瞬间为极限平衡状态，即稳定系数Fs=1，列出极限平衡方程，求解出C值或值。

一般方程如下：

根据区域经验结合土工试验成果，结合传递系数法反算，提供有关边坡稳定性计算参数见表1。

2.3 计算工况的选定

根据《公路路基设计规范》，边坡稳定一般应考虑以下三种工况[4-5]：

（1）正常工况：边坡处于天然状态下的工况。

（2）非正常工况Ⅰ：边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况。

（3）非正常工况Ⅱ：边坡处于地震等荷载作用状态下的工况[6]。

2.4 高边坡典型断面稳定性分析

采用库伦岩土软件边坡稳定分析模块进行计算（如图1、图2所示）。

2.4.1 加固前

下滑力总和：Fa=3 245.15 kN/m;

抗滑力总和：Fp=3 229.67 kN/m;

下滑力矩：Ma=104 377.26 kN·M/m;

抗滑力矩：Mp=103 332.58 kN·M/m;

安全系数：Fs=0.99<1.30。

根据计算可知，边坡在未加固前，自然状态下稳定性不足，安全储备不够，处于欠稳定状态，需对其进行加固，评价结论见表2。

2.4.2 边坡加固方案的比选

公路工程中处理高边坡常用的方案有改线避让、削方减载、坡脚反压、边坡改良，力学平衡等方案。该项目因受地形和前后路段标高限制，无其他走廊带用于改线，桥梁方案亦难以实施。

注浆方案可改善岩体结构面强度，但难以精确量化，同时该边坡碎石土层较厚，强～中风化层裂隙发育，容易产生漏浆现象，注浆效果难以保证。

该段路线沿山腰布线，路基外侧无反压条件;同时因自然坡较陡，若设置过缓的坡率，则进一步将增大边坡高度。因此，削方减载和坡脚反压，亦不适用于该项目。

经过上述定性比选分析，该项目较为适用的方案为力学平衡法，即通过设置支挡构造物，增大抗滑力，以平衡边坡下滑力，提高整体稳定性，确保安全。

2.4.3 加固后（见图3）

滑面上下滑力的总和：Fa=2 451.77 kN/m;

滑面上抗滑力的总和：Fp=2 768.55 kN/m;

下滑力矩：Ma=100 046.25 kN·M/m;

抗滑力矩：Mp=132 061.05 kN·M/m;

安全系数：Fs=1.32>1.30。

3 边坡综合治理方案

预应力锚索主要是利用高强度钢绞线的抗拉性能，采用千斤顶对其进行张拉锁定后，再结合地梁、锚墩或框架梁等反力装置，对坡面进行预加固，对坡体主动施加抗滑力，进而提高边坡的整体稳定性。预应力锚索框架以其布设灵活，受力加固机理明确，特别适用于坡体表面松散、潜在滑面较深的高边坡加固[7]。

根据对该高边坡工点坡体结构调查及稳定性分析，该段边坡最终采用坡面框架锚杆（索）结合框格内植生袋绿化并辅以坡顶、坡面截排水的措施进行综合处理。

3.1 锚索框架

该项目因潜在滑面较深，边坡剩余下滑力较大，路线位于山腰布线，边坡一旦变形，极易诱发上、下边坡进一步失稳破坏，甚至诱发地质灾害。传统砂浆锚杆难以穿透滑体，形成有效加固，须采用锚索方案。经计算，锚索长度为20～25 m，其中自由段10 m，锚固段10～15 m，穿过滑动面锚固在稳定的岩层中。锚索长度及锚固力计算见表3。

因坡体表层主要为粉质粘土和碎石土，须设置框架梁作为反力装置，形成整体。框架梁由竖肋和横梁连接而成，锚索锁固在竖肋和横梁交叉节点处，根据计算剩余下滑力的大小，确定单孔锚索的锚固力。锚索锚固力设计值一般为500～700 kN，每束锚索由5～7根钢绞线制成，总长25 m左右，其中自由段长度10 m，锚固段长10～15 m左右。锚索下倾角20°左右，竖肋横梁的截面尺寸为60 cm×60 cm，竖肋横向间距一般为3 m，采用C30混凝土现浇。

3.2 植生袋绿化

为美化路容，边坡框架内可采用人工码放植生袋绿化。植生袋是一种类似用编织袋的袋子，由无纺布、植物种子、肥料和编织网组成。将种植土、砂和有机（无机）肥料等绿化基质，经人工拌合后，在现场施工装入袋内。可根据现场边坡的骨架条件灵活设置其规格，运输便利，施工快捷，见效快。

3.3 排水工程

边坡地表水和地下水的活动是影响边坡稳定的重要因素，有时甚至是控制性因素。因此，边坡的截排水设计与支挡加固工程同等重要。

边坡的截排水系统可分为地表排水和地下排水两部分，地表排水的常用措施为坡顶截水沟、平台截水沟、急流槽等，其主要作用是对地表径流进行拦截。

地下排水系统主要可采用仰斜式排水孔、支撑渗沟、截水隧洞等。

根据对该边坡进行稳定性分析，边坡主要沿层理面产生直线或折线滑动，当地降雨量较丰富，因此地下排水措施主要采用仰斜式排水孔方案。

同时，该段边坡坡口线外侧汇水面积大，汇水对边坡坡面易产生冲刷，在开挖坡口线以外5 m外设环形坡顶截水沟，端部引入边沟，地形较陡时可采用急流槽。

4 结语

沉积岩地层中，因公路建设人工切坡易产生顺层高边坡，顺层高边坡的滑动往往具有多层多级的特点，经常会出现深浅不一的多层滑动面。一旦开挖或加固不当，易诱发滑坡等地质灾害，处置难度大，治理费用高[8]。

预应力锚索因其受力明确，布设灵活，亦可结合抗滑桩、地梁、垫墩等构件共同受荷等特点，在高边坡加固及滑坡治理中应用广泛。

该文针对某公路高边坡工程实例，结合工程地质勘察，选择典型开挖断面，采用库伦岩土软件，计算了加固前后的稳定系数、锚固段长度、锚固力大小等设计参数，计算结果与现场边坡状况吻合度较好，可为后期类似项目提供参考。