某高速公路边坡滑塌处治设计研究

2023-09-22王启叶楠

北方交通 2023年9期

王启叶楠,周舟

(浙江数智交院科技股份有限公司杭州市 310031)

1 工程概况

某高速公路右侧路堑边坡原设计为六级边坡,第一级为仰斜式挡墙,墙高2m,第二级～第五级坡率为1:1.5,第六级坡率为1:2,单级坡高10m,第二级～六级边坡的防护方案均为锚杆框格梁结合厚层基材防护。该处边坡在开挖至第四级时产生滑塌,滑塌变形破坏形式主要表现为坡体向路线中心线方向的滑塌、下错,前缘鼓出口位于第四级坡坡脚,滑塌后壁位于第五级坡中间偏上位置。发生滑塌的岩土体大部分位于第四级边坡,第五级坡浅表层岩土体受到牵引而滑塌、变形从而造成了部分已经施工的框格梁拉裂、断开。

2 工程地质条件

根据地质资料及现场地质调查判断,该段边坡岩体整体受剪切构造作用强烈,表现为岩石风化程度高,全强风化深度大,节理裂隙发育～极发育,岩体完整性差。其中有一条带状范围内的岩体受构造影响表现得尤其明显,控制该段特别破碎岩体的结构面产状为6°∠80°,与线路斜交。从第四级边坡开挖面上揭示,该段特别破碎岩体与周围一般破碎岩体相比,风化程度更为强烈,岩体更为破碎,呈碎石夹土、散体状。随着开挖深度的加大,两者之间界限趋于模糊,岩体破碎程度的差异变小,总体上呈碎裂、碎裂镶嵌结构,横断面图见图1。

图1 边坡地质工点横断面图

3 滑塌原因分析

通过现场工程地质调查,结合勘察阶段的钻探、试验等进行分析,本次滑塌主要有以下几点原因:

(1)地层岩性

地层岩性条件是构成滑塌的内在因素。滑塌体主要由前述特别破碎的全风化岩体组成,呈土夹碎石、碎石夹土状,结构松散,工程地质条件较差,饱和状态下,容重增大,抗剪强度降低。

(2)降水作用

降水是促使滑塌形成的重要激发因素。本项目所在区域属于亚热带气候,降雨充沛,边坡开挖正值9月份降雨期间,大量雨水渗入坡体,增大岩土体的容重,使浅表层岩土体处于饱水状态,强度急剧降低,且由于下伏强～中风化基岩相较全风化岩富水性、导水性差,风化界线形成了相对隔水层,地下水沿着相对隔水层底板向前缘坡脚发生渗流,随着地下水位线的上升,孔隙水压力和动水压力大大增加,增加了下滑力[1-2],致使边坡发生变形破坏。

4 滑塌处治设计

4.1 边坡岩土体物理力学参数

通过工程地质调绘、土工试验[3]、参数反算[4-5]等方法综合确定岩土体参数,见表1。

表1 岩土物理力学参数表

4.2 滑坡推力计算

该处边坡滑塌体的前后缘均已揭露明确,可推断出滑塌面,故采用传递系数法即式(1)、式(2)计算剩余下滑力[6]。

Ti=KSWisinαi-Wicosαitanφi-ciLi+ψiTi-1

(1)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中:Ti为第i块滑块剩余下滑力(kN/m);Ks为稳定安全系数,对于正常工况取1.30,非正常工况I取1.20;Wi为第i滑块的自重力(kN/m);αi为第i滑块对应滑面的倾角;φi为第i滑块滑面内摩擦角;ci为第i滑块滑面粘聚力(kPa);Li为第i滑块滑面长度(m);ψi为传递系数。

计算得到正常工况下的剩余下滑力为142kN/m;非正常工况I下的剩余下滑力为460kN/m。本项目所在区域地震峰值加速度为0.05g,无需做地震工况验算[7]。

4.3 边坡加固设计

考虑到该处边坡部分已施工的锚杆框格梁存在断裂现象,需对其加强防护,拟采用预应力锚索进行加固处理,锚索采用5根Φ15.24mm1860级钢绞线,锚索竖向及横向间距均为3m,钻孔直径为15cm。

4.3.1设计锚固力计算

根据上文计算结果,锚索应承担的总抗滑力为460kN/m。锚索横向、竖向间距均为3m,单级坡竖向可打设3根锚索,考虑先施工第四级坡锚索,锚索承担的下滑力先期均由该级坡锚索承担,因此单根锚索需承担的抗滑力为:

E=460×3/3=460kN

(3)

根据《公路路基设计规范》[8]中的式5.5.4,计算得到单根锚索的设计锚固力为:

(4)

式中:α、β、Φ分别为锚杆与滑动面相交处滑动面倾角、锚杆与水平面夹角、滑动面内摩擦角,分别取20°、20°、13°。

4.3.2锚索截面积验算

根据《公路路基设计规范》[8]中的式5.5.5计算锚索体最小截面积:

(5)

式中:K1为安全系数,根据《公路路基设计规范》表5.5.6-4取2.0;Fptk为锚杆体材料抗拉强度标准值,对于1860级钢绞线取值1860MPa,以上数值带入式(5)计算得到A=5.4×10-4m2。

单根Φ15.24mm钢绞线的截面积为1.4×10-4m2[9],本次采用5根上述钢绞线,因此总截面面积为7×10-4m2,大于上述锚索体最小截面面积,满足要求。

4.3.3设计锚固长度计算

根据《公路路基设计规范》[8]中的式5.5.6-1计算地层与注浆体间的黏结长度:

(6)

式中:K2为安全系数,根据《公路路基设计规范》表5.5.6-4取2.2;d为钻孔直径,取15cm;frb为地层与注浆间粘结强度设计值,锚索体按进入强风化岩控制,根据表5.5.6-1frb取300kPa,以上数值带入式(6)计算得到Lr=7.8m,即锚索体进入强风化岩应不小于7.8m。

根据《公路路基设计规范》式5.5.6-2计算注浆体与锚索体间的黏结长度:

(7)

式中:n为锚索钢绞线根数,取5;dg为锚索钢绞线直径,取0.01524m;fb为注浆体与锚索体间粘结强度,注浆体采用M30水泥砂浆强度,根据《公路路基设计规范》表5.5.6-3,取2950kPa。以上数值带入式(7)计算得到Lg=2m。设计锚固长度(即进入强风化岩的长度)应同时满足不小于Lr和Lg,且锚索应打穿构造破碎带,综上所述本次锚索设计长度取25m。

4.3.4滑塌区处理及加固设计

对于滑塌区松散的土体进行清理并人工夯实,外部采用70cm厚浆砌片石封面,对已破坏的框格梁进行凿除新建,而后进行施工锚索。考虑到边坡第四级～第五级均位于破碎带或全风化岩层中,为加强对边坡的防护,设计对第四级～第五级边坡均采用打设锚索加固,锚索打设于框格竖梁。第一级坡仍维持原挡墙设计,第二级～第三级坡仍维持原锚杆框格梁设计,加固后典型横断面设计图见图2。

4.2.5加固后边坡稳定性验算

通过有限元软件对采用锚索加固的边坡进行稳定安全性验算,取全段面开挖后的最不利断面,计算得到正常工况下稳定安全系数为1.47,非正常工况I条件下的稳定安全系数为1.31,满足规范要求。计算结果云图见图3。