顺层路堑岩质边坡预支护开挖分析

2022-10-20夏国邦

建材世界 2022年5期

陈东，周雄，夏国邦

(1.云南交通职业技术学院，昆明 650500；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070；3.云南省公路开发投资有限公司，昆明 650500)

边坡工程是岩土工程建造领域中最重要的部分之一，边坡的稳定性直接影响到建(构)筑物的稳定与安全。边坡的开挖扰动必然会引起边坡内部静力平衡重分布，导致边坡卸荷失稳，往往会造成严重的破坏。随着边坡支护技术的发展，很多学者提出边坡工程预支护或超前支护措施[1-3]。所谓边坡预支护或超前支护，通常是指在边坡开挖施工过程中，在下一个开挖阶段会引起边坡不稳定，需要在边坡发生或将发生破坏前对其进行结构支护，保证施工边坡稳定性，降低开挖过程破坏的可能性[4]。

预支护技术在隧道施工中被普遍采用，预支护或超前支护方法同样适用于边坡工程领域。因此，预支护技术对于边坡工程施工具有重要意义，特别是对于开挖不稳定坡体的安全处理[5]。

选取某典型顺层路堑边坡坡段作为研究对象，采用极限平衡法对边坡开挖稳定性进行研究。选取两种预支护设计方案，并对预支护处理后的模型进行稳定性分析，评价预支护措施的可行性。

1 工程地质条件及支护设计

1.1 工程地质条件

所选边坡为粉砂质页岩类顺层路堑高边坡，岩石结构面不易风化且基本不受地下水影响。粉砂质页岩类边坡岩性稳定性好，边坡的岩层倾角为18°～24°。研究地区地貌属于丘陵河谷及中低山区并受流水作用，地貌主要受地质构造、岩层性质以及内外应力影响。研究地区气候属于亚热带湿润季风气候，时有降雨，地下水主要以基岩裂隙水以及第四系地质裂隙水为主。

1.2 设计支护措施

所选粉砂质页岩路堑边坡设计的开挖支护流程为先进行顺层清方再进行预支护加固，支护设计加固类型为预加固桩+挡土墙使用。

2 边坡开挖稳定性分析

粉砂质页岩类边坡顺层路堑边坡的典型断面图如图1所示。根据路堑边坡开挖施工要求，一般采用开挖与支护循环交替进行，以便于维护边坡开挖的稳定。由于图1边坡左侧为稳定好的逆向边坡，故研究选取图1边坡右侧坡(顺层坡)为研究对象。

2.1 边坡稳定性分析方法与边坡参数

极限平衡法是计算边坡稳定性的重要方法，极限平衡法的基本思路是建立边坡静力平衡关系求解出边坡的安全系数，能够获取边坡最危险滑动面以及与之对应的边坡安全系数。极限平衡法理论成熟，应用广泛。因此，采用极限平衡法计算顺层岩质路堑高边坡的开挖稳定性。

由图1的开挖设计，建立右侧边坡开挖模型如图2所示，顺层岩层倾角θ=22°，边坡角αp=12°。首先进行顺层清方(图2中①)，高度h=7.5 m，然后进行切层开挖(图2中②)，高度H=15.5 m。第一层顺层清方因未形成切层边坡，开挖边坡稳定，开挖前不需进行预支护处理。此节主要分析第二层开挖后边坡的稳定性。所选顺层路堑边坡属于典型平面滑动边坡稳定问题，选取岩体及结构面物理力学参数如表1所示。

表1 边坡岩体与结构面参数表

2.2 开挖过程稳定性分析

由《建筑边坡工程技术规范GB 50330—2013》可知，顺层路堑岩质边坡的安全系数Ks为

(1)

由此，可由式(1)获得边坡第二步开挖完成后的安全系数Ks=0.89<1，边坡开挖后处于不稳定状态，容易造成右侧顺层边坡沿着岩层滑动，造成滑坡，故需要在边坡第二层开挖失稳前对坡体进行预支护处理。

3 顺层路堑岩质边坡预支护设计

3.1 预支护方案设计

通过前面分析可以确定边坡第二步开挖前需要预支护，否则无法保证开挖过程边坡稳定。根据顺层清方后边坡形态，边坡预支护措施可选择锚杆支护或者抗滑桩支护。预支护方法一：在边坡第二层开挖前在坡面位置设置锚杆，锚杆埋设方向与岩体结构面成75°，锚杆预支护示意图如图3所示。预支护方法二：在边坡第二层开挖前在开挖坡角位置设置抗滑桩，以确保抗滑桩后侧边坡的稳定，抗滑桩预支护如图4所示。

3.2 预支护参数设计

由《建筑边坡工程鉴定与加固技术规范GB 50843—2013》可知，锚杆加固顺层路堑岩质边坡的安全系数Ks为

(2)

式中，Pt为锚杆加固力，kN；β为锚杆与结构面夹角，为75°；其他参数意义同式(1)。

结合边坡永久支护要求，假定设计边坡安全系数Ks=1.3，由式(2)可以获得锚杆加固力Pt=5 152.35 kN。根据《建筑边坡工程技术规范GB 50330—2013》可知，锚杆钢筋截面面积应当满足

(3)

式中,As为锚杆钢筋截面面积，m2；fy为普通钢筋抗拉强度设计值，取360×103kPa；Kb为锚杆杆体抗拉安全系数，按照二级永久性锚杆取值为2.0；Nak为锚杆所受轴向拉力，锚杆采用2 m×2 m布置，则沿边坡剖面单列锚杆需要锚固力为Nak=2Pt=10 304.7 kN。由式(3)计算得单列所有锚杆的截面积As≥57 249 mm2。

若采用φ32的钢筋，则单列所有锚杆需要φ32的钢筋根数为：As/(π×16×16)=71.22，可取72根。

采用4根钢筋为一束作为锚杆，则边坡剖面单列锚杆数为72/4=18根。则单根锚杆需要的锚固力为Nak1=Nak/18，为572.5 kN。根据《建筑边坡工程技术规范GB 50330—2013》可知，锚杆锚固体与岩层间长度应满足

(4)

式中,K为锚杆锚固体抗拔安全系数，永久性二级锚杆取2.4；la1为锚杆锚固段长度，m；D为锚杆锚固段钻孔直径，取150 mm；frbk为岩层与锚固体极限粘结强度标准值，kPa，取800 kPa。

锚杆与锚固砂浆间的锚固长度应满足

(5)

式中,la2为锚筋与砂浆间的锚固长度，m；d为锚筋直径，mm；fb为钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，kPa，取2 400 kPa；n为钢筋根数；其他参数意义同式(4)。

根据式(4)与式(5)，计算得出la1=3.65 m>la2，故锚杆锚固段长度取4 m满足规范要求。因此，锚杆预支护方法一是有效可行的，能够保障边坡开挖过程稳定。

当采用抗滑桩预支护方法时，假定设计岩质边坡安全系数Ks为1.3，根据《建筑边坡工程技术规范GB 50330—2013》，采用传递系数隐式法计算剩余下滑力P：

(6)

式中，P为剩余下滑力，kN；其他参数意义同式(1)。

根据式(6)算出单宽滑体剩余下滑力P=2 646.72 kN，则单宽下滑水平推力Ph=P×cosθ=2 454 kN。假定抗滑桩为钢筋混凝土圆桩，桩长为21 m，直径为2 m，桩间距3 m，锚固段5.5 m。由《建筑桩基技术规范JGJ 94—2008》可知，当桩身配筋率大于0.65%时，单桩水平承载力特征值Rha可估算为

(7)

式中，Rha为单桩水平承载力特征值；EI为桩身抗弯刚度，EI为2×1016mm2；α为桩的水平变形系数，取5×10-4mm-1；xoa为桩顶允许水平位移，取10 mm；υx为桩顶水平位移系数，取2.441。

由式(7)求算出单桩水平承载力特征值Rha=7 681 kN>3Ph，故可以判定采用抗滑桩预支护方法可行。

综上所述，该顺层路堑岩质边坡开挖采用锚杆或抗滑桩预支护，都可以保证边坡开挖的稳定性。综合路堑边坡坡面防护要求，设计采用预加固桩+挡土墙的措施合理。