基于实际边坡工程的格构梁锚杆二次加固设计分析

张露，沈宝营

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015）

0 引言

我国的山区分布广泛，山区公路的大量建设使得滑坡、塌方等边坡问题产生的影响日渐显著。20 世纪90 年代以前，我国主要建设低等级公路，产生的高边坡较少，因而边坡稳定问题较少。进入90 年代以后，随着大量高等级公路的修建，我国公路建设进入了前所未有的高速发展阶段，边坡稳定问题日渐突出[1]。边坡失稳不仅影响人们的出行安全，严重时还会阻断公路，影响交通，造成难以预计的经济损失。有专家估计，我国因滑坡等地质灾害造成的经济损失每年达100～200 亿元。2009 年7 月3 日，位于广西河池市的卡马水库导流洞出口左侧边坡滑塌把出水口堵塞，产生水击振动，引起上部坝体部分滑塌；2010 年6 月4 日，福建南平市延平区西芹镇发生一起公路边坡滑塌事故；大渡河支流金汤河右岸、金平电站附近因强降雨引发滑坡，埋掉工棚[2]。因此，有必要对边坡稳定性和边坡支护方法进行研究。

近年，全国各地开展了一系列边坡防护与加固的技术研究，目前边坡加固工程的技术路径主要为：（1）减小滑坡下滑力或消除下滑因素；（2）增加滑坡阻滑力或增加阻滑因素。目前可供采用的边坡加固措施很多，归纳起来主要有以下几类：①减载措施；②排水与截水措施；③锚固措施；④支挡措施；⑤压坡措施；⑥混凝土抗剪结构措施等[3]。其中，锚固措施充分发挥岩土体自身的稳定能力，是一种对原岩扰动小、施工速度快、安全可靠、经济有效的加固技术，在工程中得到广泛应用，具有良好的社会效益和经济效益[4]。但由于锚固工程的复杂性，多种原因可能引发锚固工程失效，这就需要设计人员对边坡采取二次加固措施。

本文基于实际边坡工程，描述原设计格构梁锚杆护坡的失效特征并分析原因，分析了针对护坡失效后的五种二次边坡加固措施。其中，采取的锚固措施是一种既安全有效，又对边坡扰动小，且施工相对容易的加固方式，可为日后边坡二次加固设计提供参考。

1 格构梁及锚杆的常见失效原因

格构式锚杆护坡投入使用后，随着时间的推移，问题可能逐步显现出来。引发失效的原因多种多样，不少学者对失效原因进行了分析，主要包括以下几个方面[5]：

（1）勘察阶段：边坡工程对地勘资料的依赖度较高，勘察的样本数、地勘提供的岩土参数等往往会直接影响设计人员的判断，但以目前国内的勘察技术水平很难获得全面而准确的地质情况，导致勘察结果和真实情况存在出入。比如某工程地勘提供的岩层产状与现场测绘实际产状竟相差了52°，对于实际存在的软弱结构面也未在地勘报告中反映[6]，导致了最后的防护失效。在施工过程中可能遇到各种变化，比如由于围岩荷载和围岩中弱面的不均匀性，常发生局部破坏，致使锚杆切向锚固力迅速丧失，径向锚固力也大幅降低，造成锚空失效[7]。此外，由于地勘资料无法完全精确地描述每一处地质情况，所以在打锚杆之前，需要做拉拔试验，以确保锚杆满足设计要求；

（2）设计阶段：施工过程中会出现各种情况，这就要求设计人员能随机应变、及时反应，给出适合真实地质条件的解决方案，如果一味地坚持原有设计，很可能会造成格构式锚杆护坡失效。而如果一开始设计时就没有考虑足够的承载力，安全系数取得过小，或将锚杆布置得太密，导致应力叠加，则会使得边坡内部产生应力集中从而发生破坏。除此之外，设计时应充分考虑格构梁中间的护坡方式，若采用植被绿化护坡，需结合当地条件考虑植物的抗冲刷性能[8]，否则边坡表面土层没有得到固化，容易在长期雨水冲刷下发生滑移；

（3）施工阶段：不按设计施工、随意改变施工顺序、施工质量不达标等都有可能造成格构式锚杆护坡的失效。格构式锚杆是一种对施工技术要求较高的支护结构，人为因素产生的影响更为显著，比如钻孔直径、钻孔角度、锚杆防锈处理等。另外，工程建设本身也会影响边坡裂隙继续发育，暴雨期间雨水渗入裂隙结构面，使下滑力显著增加[9]，导致原设计护坡失效。施工完成后的验收阶段也相当重要，有时候验收表中边坡工程施工质量被评定为合格，但实际检测表明施工质量仍存在若干不符合设计和国家有关标准的现象[10]，这就要求各方在验收过程中实事求是、灵活处理，对于存在安全隐患的工程不予按合格工程验收；

（4）使用阶段：在设计阶段未考虑坡顶加载，但在使用时因各种原因在坡顶进行堆载，人为地增加了锚杆所受荷载，使得锚杆被拉断；或格构梁和锚杆长期处于较恶劣的环境中，造成锚杆失效（锚墩失效、锚杆滑脱、锚杆锈蚀）、格构梁失效（格构梁弯折开裂、格构梁悬空）等[11]。最常见的原因是降雨入渗，有“十滑九水”的说法[12]，若边坡截排水措施不到位，在长期雨水的冲刷下，表面土层很容易发生滑移，从而造成格构梁脱空、断裂；或随着时间推移，锚固段砂浆与钢筋之间出现粘结破坏，框架梁和锚杆之间出现连接破坏等[13]。

有研究通过计算发现若将锚杆视为脆性结构，当其中一根锚杆破坏后其邻近锚杆失效概率迅速增加，最大增幅近12 倍[14]。当现状边坡支护结构失效后，若不及时处理，将出现安全隐患，甚至造成严重的边坡破坏，危害行人安全，造成经济损失。因此，研究现状边坡支护结构失效后的边坡加固设计具有重要意义。

2 格构式锚杆护坡二次加固工程实例分析

2.1 工程概况

渝航大道1、2 号边坡整治工程边坡位于重庆市江北区渝航大道跑马坪立交与环山立交之间东南侧，为渝航大道修建开挖形成，边坡形成约5 年。1 号边坡长约270m，高10～51m；2号边坡长约349m，高2～32m。两边坡均采用格构式锚杆护坡，其中1 号边坡采用平行于道路方向的钢筋混凝土格构护坡（图1），2 号边坡采用斜方向的菱形格构梁护坡（图2）。两边坡于2016 年12 月竣工验收。

图1 1 号边坡整体照片

图2 2 号边坡整体照片

2.2 边坡特征及现状评价

在格构式锚杆护坡投入使用的5 年后，边坡防护出现了不同程度的失效特征，如：格构梁变形开裂、底部脱空、连接断开；边坡马道鼓突现象；截排水沟堵塞等。

根据地勘现场调查情况，将1 号边坡分为AB、BC 段，2号边坡分为DE、EF 段。

AB 段边坡为岩土混合边坡，长度约90m，高度17～19.4m，上部土层主要为粉质黏土，厚度0.6～4.5m。现已按照1:1 坡率进行分阶放坡，每阶高度约10m，已设置格构进行支护，中间设有2m 宽马道，马道内侧设置有截排水沟，外侧种有植物。现状调查该段边坡下部第一阶格构底梁变形开裂较多，中间马道混凝土有鼓突现象，马道及坡顶截排水沟均已堵塞。中间马道混凝土地面发生鼓突现象表明上部格构未能完全抵抗土层的下滑力。

BC 段为岩质边坡，长度约160m，高度10～51m，同样已按照1:1 坡率进行分阶放坡，每阶高度约10m，已设置格构进行支护。现状调查发现该段边坡格构与坡面之间脱空较多，其中第一阶与第二阶尤为严重，马道排水沟均已堵塞，失去截排水功能。该段边坡第一阶格构底部未设置底梁，部分格构底部悬空（图3）。格构底部脱空是表面土层长期受雨水掏刷的结果，边坡截排水措施不足。

图3 BC 段典型照片

DE 段为岩土混合边坡，长度约90m，高度10～11m，上部土层主要为粉质黏土，厚度2.5～4.5m。现已按照1:1 坡率进行分阶放坡，已设置格构进行支护。现状调查该段边坡格构变形开裂严重，且格构连接处基本处于断开状态（图4）。格构梁断开可侧面说明边坡土体或受雨水冲刷，或内部发生蠕动从而发生滑移，格构梁未能完全抵抗土体的下滑力。

图4 DE 段典型照片

EF 段为岩质边坡，长度约210m，高度2～32m，现已按照1:1坡率进行分阶放坡，已设置格构进行支护，坡脚设置有高0.7m左右的护脚墙。经调查该段边坡坡脚护脚墙有开裂现象，但无明显外倾，护脚墙上部格构局部临空。格构底部脱空，露筋现象严重，说明这一部分边坡的截排水措施也有问题。

据有关质量检测公司的鉴定报告，鉴定结论总结如下：

（1）两边坡格子梁与坡体脱空严重，坡体表面冲刷、脱落风化严重；

（2）两边坡的截排水措施存在严重问题，影响边坡稳定；

（3）格子梁混凝土强度不满足原设计要求；

（4）格子梁配筋不满足设计要求；

（5）两边坡没有按照设计要求施作锚杆。

边坡评定为Dsu 级，《建筑边坡工程鉴定与加固技术规范》解读为“严重不符合国家现行标准的安全性要求，严重影响整体安全”，必须立即采取措施。根据鉴定报告结论和地勘结论，土体边坡有内部滑动迹象，岩质边坡整体稳定，格构梁存在安全隐患。

对此，本次边坡二次加固的目标主要有三个：一是在不考虑原有格构式锚杆护坡能发挥作用的前提下，重新对边坡进行坡面防护设计（增设锚杆框架梁）；二是尽量让新增的锚杆框架梁与原来的格构共同发挥作用（脱空处采用原槽浇筑混凝土）；三是通过一些辅助措施（坡顶减载、有效排水、坡脚压坡等）保证边坡的整体稳定。

2.3 格构式锚杆护坡二次加固方案

总体来说，两边坡整体稳定，对现状坡面格构梁护坡进行加固处治，具体加固方案如表1 所示。

表1 边坡二次加固措施一览表

土质边坡1:2 调整边坡坡率后进行坡面防护1.坡面冲刷和风化对坡面进行锚喷防护2.格子梁脱空 采用混凝土对脱空处进行原槽填补加强岩质边坡3.格子梁混凝土强度不满足原设计要求通过增加钢筋混凝土结构防止原格构掉落和破坏，坡脚增设钢筋混凝土垫梁4.格子梁配筋不满足原设计要求1:1 1:1通过增加钢筋混凝土结构防止原格构掉落和破坏，坡脚增设钢筋混凝土垫梁通过增加钢筋混凝土结构防止原格构掉落和破坏，坡脚增设钢筋混凝土垫梁6.格子梁漏筋，麻面5.没有按原设计施作锚杆采用局部的环氧混凝土补强加固7.格子梁断裂，脱落 直接清除并植筋更换截排水沟堵塞 - - 清理截排水沟，并保持通畅

总的来说，本次边坡加固设计运用了以下措施：①减载措施；②排水与截水措施；③锚固措施；④支挡措施；⑤压坡措施。

2.3.1 减载措施与支挡措施

对边坡顶部进行削坡减载，能有效减小下滑力，增加边坡整体稳定性。具体措施为对于1 号边坡AB 段的上部土层，先人工清除部分混凝土格构梁，再以1:2 的坡率清坡（原设计坡率1:1），确保边坡的稳定，土体坡面采用喷射C25 混凝土进行封闭处理。对于2 号边坡的DE 段，由于现状格构梁处于严重风化层上，该段边坡的格构梁损毁严重，设计先拆除该段边坡损毁严重的格构梁，并清除坡面土层或强风化层，再对边坡进行C25 混凝土锚喷防护；对该段边坡的上部土层采用清方后锚喷防护的支护形式。锚喷防护实际上也是一种支挡措施，能避免边坡的局部掉块现象，从而保障行车安全。

2.3.2 排水与截水措施

边坡上水的存在会使岩体强度降低，从而引发滑坡，因此保障边坡的有效排水不容忽视。对两边坡均已堵塞的马道及坡顶截排水沟，进行清理并保持通畅。对现状已损坏的截排水沟进行修缮，保证边坡表面的有效排水。同时在坡面补充设置泄水孔，保证边坡内部的有效排水。

2.3.3 锚固措施

对1 号边坡AB 段的下部岩质边坡、BC 段岩质边坡以及2号边坡EF 段的岩质边坡进行格构梁加固。考虑到锚杆对边坡体的加固影响深度有限，而锚杆与框架梁的结合可以形成整体防护加固系统，使坡体开挖后的顺坡向最大水平位移显著减小[15]，因此在加固时希望发挥锚杆与框架梁的共同作用优势，故在现状格构梁内增设框格梁和锚杆，目的主要有两个：一是在不考虑原有格构式锚杆护坡的作用下对边坡重新进行防护设计，即采用锚杆框格梁的护坡方式，保障边坡的整体稳定；二是防止现状的格构梁脱落或再损毁，对行人、行车安全造成二次伤害。框格梁内的岩层采用锚喷的方式进行防护（图5、图6），能防止边坡的局部掉块现象。

图5 1 号边坡矩形格构加固图

加固采用在现状格构梁内增设钢筋混凝土框格梁的方式，框格梁断面尺寸为0.3×0.3m，框格梁锚杆采用直径25mm 的钢筋，要求锚入稳定中风化岩层6m。1 号边坡矩形格构加固时，横向框格梁中部设置1 根锚杆，单侧竖向框格梁中部均匀分布3 根锚杆，一个矩形格构单元共设置7 根锚杆；2 号边坡菱形格构加固时，单侧框格梁均匀分布2 根锚杆，一个菱形格构单元共设置4 根锚杆。每一个格构单元内均采用钢筋混凝土挂网锚喷进行护面，要求锚喷的钢筋网置于框格梁下。

在进行锚杆计算时，现状格构梁有下滑趋势，受到重力和摩阻力作用，而因摩阻力是有利作用，故计算时仅考虑现状格构梁和新增钢筋混凝土框格梁的重力。可取一个计算单元分析，发现锚杆提供的抗拔力远大于结构重力，故相当于构造锚杆的作用，可根据实际边坡情况确定锚杆直径及锚固长度。

2.3.4 压坡措施

在每级边坡的坡脚增设钢筋混凝土垫梁（图7），一方面垫梁可以抵挡一部分下滑力，防止坡面发生滑动从坡脚剪出；另一方面垫梁也能为坡面增设的框格梁提供良好的基础，使框格梁更好地发挥作用。通过人为增强约束以防止边坡滑动，增强边坡稳定性。

图7 新增坡脚垫梁大样图

2.4 施工要点

二次加固方案对施工顺序要求较高，若颠倒施工顺序，可能产生严重安全隐患，故设计人员应在施工前强调以下施工要点：

（1）加固施工工序如下：①清除坡面的风化层并清表；②施工坡脚垫梁；③由下到上施工锚杆、框格梁，并实施钢筋混凝土锚喷防护；④完善坡顶及马道截排水沟和护栏防护；

（2）施工坡脚垫梁时必须分段跳槽开挖实施，每一段垫梁长度控制在10m 以内，确保施工阶段格构梁不下滑；

（3）确保岩质边坡加固施工顺序为从下到上进行施工；

（4）新建框格梁和现状格构梁脱空处采用原槽浇筑，回填脱空处混凝土的同时，实施新增加的格构梁；

（5）土质边坡的清坡采用自上而下逆作法施工，分层防护、及时支护的施工顺序，严禁无序大开挖、大爆破作业，以确保边坡安全。

3 结语

边坡内部土体发生滑动，支挡结构失效是滑坡地质灾害中常见的类型。西南地区地质条件复杂，给边坡防护工作带来了巨大挑战。格构式锚杆护坡是当今工程设计中常用的防护方式之一，具有经济性强、稳固性好等特点，同时也有一定不足，存在加固失效的情况。本文结合工程实例对现状格构梁失效特征进行详细描述，并对其失效的可能原因进行分析，最后提出五种二次加固的方法，以期为日后设计人员及边坡防护人员的工作提供借鉴。