二廣高速公路南陽段路塹巖質高邊坡錨桿格構加固設計

摘要：本文以二廣高速公路洛陽至南陽段路塹巖質高邊坡，采取削方整形、錨桿格構、漿砌石護坡、地表排水等加固防護工程的設計為實例，詳細闡述了錨桿格構設計計算過程。對于巖質高邊坡加固設計有一定的參考意義。

關鍵詞：巖質高邊坡；穩定性分析；錨桿；格構；設計

引言

隨著高速公路建設的不斷發展，工程建設中路塹開挖產生的人工高邊坡問題越來越多。如何安全經濟、科學合理地處理好高邊坡問題，對邊坡治理本身及日后工程運營都具有十分重要的意義，同時也具有顯著的社會經濟效益。

1邊坡工程地質條件概述

二廣高速公路侄分水嶺至南陽段開挖有一系列巖質邊坡，本文選取的邊坡是一個中心最大開挖深度達21m的高路塹巖質邊坡。

1.1邊坡工程地質條件

本高邊坡所處地貌整體為中低山地貌形態，地勢起伏較平緩。邊坡長105m坡面產狀為298°∠47°。該邊坡為一巖質邊坡，巖體為變質泥巖、變質頁巖和變質砂巖，這3種巖體交互發育。邊坡為大角度斜交坡，坡體為一傾向北東的單斜巖層構造.該邊坡內部節理較發育，共見4組節理，這些節理面分布較均勻，貫通性較差，相互間少見穿透切斷現象，節理面大部分延伸長度較小，多呈微張型。位于邊坡左下側還發育一條寬10cm，長20m的擠壓破碎帶。

1.2"邊坡穩定性評價

根據高邊坡地質勘察資料和邊坡穩定的計算，該高邊坡自北西側向南東側穩定系數逐步增大。西北側1-1至4-4剖面目前處于極限平衡狀態，在特殊工況時，隨時可以失去穩定。中間的5-5剖面基本工況下基本穩定，但安全系數小于規定的安全運行安全系數。在特殊工況，邊坡處于極限平衡狀態。6-6剖面基本工況和特殊工況都能滿足規定的安全運行安全系數。南東側的7-7、8-8剖面，穩定性較好，在基本工況時安全系數大于1.3，特殊工況下安全系數大于1.0，但小于規定的安全運行安全系數。

2邊坡加固設計

由路面向坡上，以1：0.58坡比削坡至坡頂；在高出公路6m處留平臺。平臺以采用漿砌塊石護坡；平臺以上為格構錨桿護坡，格構內培土植草。

2.1削坡整形設計

清除坡體表層殘坡積土，按1：0.58坡比削至高出路面高程6m處，留出1.8m寬平臺，平臺上再按1：0.58坡比削至21m高處陡坎邊緣，每級坡高不超過15m。

經削坡后，除剖面7-7，邊坡的穩定性狀態在基本工況和特殊工況都得到提高，但安全安全系數還未到達規定的安全運行安全系數，必須通過錨固工程來提高邊坡安全系數[1]。

2.2錨桿設計

在平臺以上采取錨桿格構支護。格構的縱梁水平間距3m；縱梁之間設置弧形鋼筋混凝土橫梁，間距為3m。在格構梁的交點設置錨桿。格構縱梁上設縱向排水溝，在框格之間植花種草，美化環境。

2.2.1錨桿設計計算[2]

①巖石側壓力計算：

式中：ehk——巖石側向壓力水平分力標準值（kN/m2）；

Ehk——巖石側向壓力合力水平分力標準值（kN/m）；

H——邊坡高度（m）。

=257/（0.9×23）=12.42kN/m2

②錨桿所受水平拉力計算：

Htk=ehk×sxj×syj

式中：Htk——錨桿所受水平拉力標準值（kN）；

sxj——錨桿的水平間距（m）；

syj——錨桿的垂直間距（m）

根據工程類比，初步擬定錨桿橫向間距和縱向間距均為3m，坡率1：0.58則syj=2.3m。=ehk×sxj×syj=12.42×3×2.3=85.7（kN）

③錨桿軸向拉力標準值計算：

式中：Nak——錨桿軸向拉力標準值（kN）；

α——錨桿傾角（°）。

根據規范和工程類比，取α=20°。

=85.7/cos20°=91.2（kN）

④錨桿軸向拉力設計值計算：

式中：Na——錨桿軸向拉力設計值（kN）；

——荷載分項系數，取1.3。

=1.3×91.2=118.6（kN）

⑤錨桿鋼筋截面面積計算：

式中：As——錨桿鋼筋截面面積（m2）；

——邊坡工程重要性系數，取1.0；

——錨筋抗拉工作條件系數，永久性錨桿取0.69；

——錨筋抗拉強度設計值（kPa）。

根據規范，采用二級鋼筋。

=118.6/(0.69×290000)=0.0005927（m2）

選用φ28Ⅱ級鋼筋。

⑥錨固段長度

式中：——錨固段長度（m）；

——錨固體直徑（m）；

——地層與錨固體粘結強度特征值（kPa）；

——錨固體與地層粘結工作條件系數，取1.00；

——錨桿直徑（m）；

——鋼筋根數；

——鋼筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值（kPa）；

——鋼筋與砂漿粘結強度工作條件系數，取0.60。

=91.2/(3.14×0.1×150)=1.93（m）

=118.6/(0.6×1×3.14×0.028×2100)=1.07（m）

取≥1.93m

2.2.2錨桿構造設計

根據計算和規范要求，設計錨桿縱向、橫向間距均為3m，設在格構交點處。錨桿直徑φ28mm，錨桿長度8m，錨固體直徑100mm。

2.3格構設計

2.3.1格構內力計算[3]

①縱梁內力計算

設計錨固力118kN，作為集中力作用在梁上，按彈性地基梁計算，按風化巖石取基床系數k=200000kN/m。坡高15m，坡比1：0.58，則坡長17.3m，格構節點縱向間距為3m，上端伸臂長2.3m，下端伸臂長3m。

計算結果最大剪力73.6kN，最大彎矩59.1kN。

②弧形橫梁內力計算

橫梁一方面受到錨桿作用力，一方面受到坡面回填土的下滑分力作用。在錨桿作用下產生的內力和縱梁計算方法相同，回填土按弧形連續梁計算，均布荷載為10.4kN/m。

計算得：錨桿作用力產生最大剪力93.1kN，最大彎矩-52.1kNm（跨中上部受拉），和25.1kNm；回填土產生最大剪力28.5kN，跨中最大彎矩8.5kNm，支座最大彎矩－17.1kNm。

2.3.2格構結構設計

取梁斷面為300mm×300mm，混凝土采用C25。

①縱梁配筋計算

錨桿作用點處截面最大彎矩69.1，選用4φ22的Ⅱ級筋；

跨中負彎矩最大值18.9，選用2φ22的Ⅱ級筋；

按構造要求選擇φ8@150雙肢箍筋。

經校核滿足強度要求。

②弧形梁配筋

錨桿作用點處截面最大彎矩40.1，選用2φ22選用的Ⅱ級筋；

跨中負彎矩最大值25.2，選用2φ22的Ⅱ級筋；

按構造要求選擇φ8@150雙肢箍筋。

經校核滿足強度要求。

縱梁表面做排水槽，因構造需要縱梁采用高400mm寬400mm，弧形橫梁為高400mm寬300mm，截面形式和配筋見附圖。每隔21m設置20mm伸縮縫，填塞瀝青麻筋和瀝青木板。

2.4回填種植土

所有格構框格之間回填厚度為25cm的種植土，要求種植土壤有機質含量高，保水保肥，通氣性能好。采用易成活、生長快、葉莖低矮的多年生草種，建議采用鼠尾草和小冠花等幾種草籽混合播種，形成良好的覆蓋層[4]。

2.5漿砌塊石護坡設計

級平臺以下采用漿砌塊石護坡根據規范和工程類比，采用底寬600mm，頂寬300mm漿砌塊石護坡。每隔5m設一漿砌塊石肋梁。在距坡底0.5m處設置3m深泄水孔，間距3m。坡面設計美術圖案。

2.6排水設計

2.6.1地表排水溝設計流量的計算

該地區50年一遇最大降雨量為70.6mm即196.1L/s·公頃，100年一遇最大小時降雨量為79.4mm即220.6L/s·公頃。

試中：Qp——設計排水流量

Du——排水溝堵塞影響系數，取1.2

φ——徑流系數，取0.7

q——暴雨強度，取220.6L/s

F——匯水面積

地表排水溝設兩條橫向排水溝，一條縱向排水溝。第一道橫向排水溝設在邊坡頂部做截水溝，匯水面積為1.333公頃，第二道排水溝設在二級平臺處，匯水面積為0.89公頃，

將以上面積和其他確定參數代入流量計算公式可求得實際流量分別為截水溝Q1＝0.247m3/s，第二道排水溝Q2=0.165m3/s，縱溝Q2=0.412m3/s

2.6.2排水溝設計

依據設計流量，縱向排水溝截面設計為底凈寬0.4m，最小深度0.5m，頂寬0.6m梯形截面。在水流流速超過8m/s處采用溝底階梯消能，削能臺階高0.2m，寬0.3m。截水溝截面設計為底凈寬0.3m，最小深度0.5m，頂寬0.5m梯形截面；第二道排水溝以格構底梁和二級平臺綠化帶擋墻為排水溝側壁，深0.4m，寬0.4m矩形截面。排水溝采用漿砌塊石砌筑。

3 結論

本工程是典型的巖質高邊坡加固工程，通過本加固工程的設計，得出以下結論：

（1）合理確定削方量。結合邊坡勘察工程地質條件，科學確定削方坡比。坡緩雖穩定，削方量將大大增加，在天然工況下達到整體穩定，對運行安全系數不足部分通過錨固工程來提高到達。

（2）錨桿加固工程是通過錨桿與錨固體之間的握裹力，錨固體與錨孔之間的粘結力來達到的，因此，錨孔孔徑、桿桿直徑和長度是能否達到加固目的的關鍵，必須按照有關規范，通過詳細計算來確定。

（3）在高速公路路塹巖質高邊坡加固工程設計中，在考慮加固邊坡穩定的同時，要充分考慮綠化來美化環境，避免高速公路上成片的水泥灰色形成視覺疲勞。

參考文獻：

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[3]許英姿、唐輝明，格構錨固措施及其在滑坡防治中的應用[J].地質科技情報，2001，20(2)：91-94。

[4]許文年、王鐵橋、葉建軍，巖石邊坡護坡綠化技術應用研究[J].水利水電技術，2002，33(7)：35-37。