某黃土高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索極限抗拔力對(duì)比試驗(yàn)及支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳西臣

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430064)

1 工程概況

擬建的山西某電廠建設(shè)規(guī)模為2×50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組配3×220 t/h循環(huán)床鍋爐。該電廠傍山而建，場(chǎng)地平整后在主廠房西側(cè)形成了最高達(dá)40 m的黃土高邊坡，同時(shí)在該高邊坡上擬建一條永久性公路，該邊坡的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到主廠房的安全。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 自然地理及氣象

擬建電廠東距太原市約10 km，由公路和鐵路相通，交通便利。

該區(qū)屬大陸性半干旱氣候區(qū)，降水量最低在1月，平均4～6 mm;最高在7月，平均140～160 mm;年平均降水量400～600 mm，年蒸發(fā)量平均1 500～1 700 mm。標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為100 cm。

2.2 地形地貌

本邊坡的地貌為低山山間溝谷地貌，原始地形最高標(biāo)高為1 017.55m，最低標(biāo)高為982.46m，最大高度約35.0 m;坡中標(biāo)高1 002 m處平臺(tái)中建有煤泥棚;分級(jí)臺(tái)階坡度約35°。

2.3 邊坡地層結(jié)構(gòu)

本高邊坡坡體主要地層為人工填土層、上更新統(tǒng)馬蘭黃土和中更新統(tǒng)離石黃土，下伏基巖為二疊系石盒子組砂巖夾泥巖。坡面上有少量全新統(tǒng)坡洪積層。

①層素填土(Qml) 灰—灰褐色，稍密，主要由粉質(zhì)粘土和粉土組成，含大量灰渣、磚塊。零星分布于坡頂平臺(tái)中，最大揭露厚度2.8 m。

②層黃土狀粉土(Q4dl+pl) 褐黃色，稍濕狀態(tài)，大孔隙多，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中等壓縮性土。主要分布于邊坡上部表層。鉆孔揭露厚度2.0～3.5 m。

③層馬蘭黃土(Q3eol) 以粉土為主，局部夾薄層粉質(zhì)粘土，黃—褐黃色，呈稍濕、稍密狀，土質(zhì)均勻，含少量姜石，干強(qiáng)度低，韌性低。屬中等壓縮性土層，具濕陷性。鉆孔揭露厚度6.0～14.0 m。

④層離石黃土(Q2eol) 主要為粉質(zhì)粘土，為棕紅、褐紅色，局部夾黃褐—褐色粉土。孔隙較少，土質(zhì)不均勻，含大量姜石。屬中等壓縮性土層。鉆孔揭露厚度2.0 ～15.7 m。

⑤層砂巖夾泥巖(P2s1) 灰黃、灰綠、灰黑色砂巖夾紫紅色、杏黃色泥巖，鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，中—厚層狀，產(chǎn)狀:走向 55°∠11°，傾向坡內(nèi)。

2.4 水文地質(zhì)條件

邊坡開挖深度范圍內(nèi)未見地下水，邊坡水文地質(zhì)簡單，基本不受地下水的影響。

2.5 設(shè)計(jì)參數(shù)

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及支護(hù)方案

本邊坡原始坡高約35 m，為兩級(jí)臺(tái)階，坡度35°，經(jīng)調(diào)查及邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，坡體及坡頂無明顯位移及裂縫發(fā)育，整體穩(wěn)定性良好。

按照廠區(qū)規(guī)劃，擬在本邊坡坡腳修建電廠主廠房，將對(duì)坡腳進(jìn)行切坡開挖，且其平場(chǎng)標(biāo)高為976.5 m，將形成高度達(dá)40 m的人工高邊坡。另外，邊坡上部996.5 m標(biāo)高處將修建一條永久性公路，為廠區(qū)重載車輛行車通道，長期車輛動(dòng)荷載作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性十分不利。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Parameter table of geotechnical physics-mechanics

受邊坡周邊環(huán)境限制，邊坡放坡開挖坡率無法滿足自穩(wěn)要求［1］。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，如不采取有效的支護(hù)措施，邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅1.053，存在失穩(wěn)可能。邊坡一旦失穩(wěn)將對(duì)電廠主廠房造成毀滅性的破壞。因此，必須進(jìn)行邊坡支護(hù)。

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件，結(jié)合地區(qū)邊坡支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，擬采用分級(jí)放坡開挖，其中擬建道路標(biāo)高以上部分邊坡維持原有坡率不變，僅進(jìn)行局部消坡平整綠化。道路以下分兩級(jí)放坡開挖，一級(jí)坡坡高6.5 m，坡度30°，坡面采用錨桿+噴射混凝土面板支護(hù);二級(jí)坡坡高11.50 m，坡率1∶0.75，坡面采用預(yù)應(yīng)力錨索 +格構(gòu)豎梁+噴射混凝土面板的加固治理措施;坡中990.0 m標(biāo)高處設(shè)2.0 m寬馬道。

4 預(yù)應(yīng)力錨索極限抗拔力對(duì)比試驗(yàn)

巖土體與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值是錨索設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。施工前開展錨索基本試驗(yàn)，其目的是確定錨索設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝，為邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4.1 試驗(yàn)錨索布置

考慮到場(chǎng)地工程地質(zhì)條件的差異，共布置2組試驗(yàn)錨索。其中1組布置3根一次常壓注漿錨索，試驗(yàn)錨索編號(hào)為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3;1組布置4根二次高壓注漿錨索，試驗(yàn)錨索編號(hào)為Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4。

4.2 試驗(yàn)錨索設(shè)計(jì)及施工參數(shù)

表2 試驗(yàn)錨索設(shè)計(jì)及施工參數(shù)一覽表Table 2 Schedule of anchorage cables design and construction parameter

4.3 錨索試驗(yàn)設(shè)備

錨索試驗(yàn)張拉設(shè)備采用輕型油壓千斤頂。試驗(yàn)設(shè)備安裝如下:

(1)錨索周圍2.0 m×1.5 m范圍內(nèi)土層整平，并澆筑50 mm厚砂漿墊層;

(2)砂漿墊層上安裝20 mm厚2.0 m×1.2 m鋼板;鋼板上安裝4根長1.2 m的橫鋼軌及2根長2.0 m豎鋼軌;

(3)豎鋼軌上安裝3塊400mm×400mm的20mm厚鋼墊板;鋼墊板上安裝工作錨具及油壓千斤頂?shù)妊b置。

4.4 錨索試驗(yàn)方法及步驟

錨索試驗(yàn)方法和加載步驟按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2002)［2］及《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(CECS22∶90)［3］等有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

(1)預(yù)計(jì)破壞荷載400 kN，初始荷載從40 kN開始施加;

(2)加荷前，先用80 kN對(duì)錨索預(yù)拉2次，以使錨索拉直和保證千斤頂、基座接觸緊密;

(3)按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行六個(gè)循環(huán)的加載試驗(yàn)，繪制Q(荷載)—S(位移)曲線，填寫試驗(yàn)記錄;

(4)400 kN以后，每級(jí)增加40 kN，直至破壞。

4.5 錨索試驗(yàn)成果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的錨索拉力與位移關(guān)系典型曲線詳見圖1～圖2。

圖1 一次常壓注漿試驗(yàn)成果Fig.1 Test results of common pressure grouting

圖2 二次高壓注漿試驗(yàn)成果Fig.2 Test results of second high-pressure grouting

從表3中可以看出，二次高壓注漿與一次常壓注漿相比錨索極限承載力可提高56%。

表3 錨索試驗(yàn)成果對(duì)比分析表Table 3 Comparative analysis of anchorage cable results

另一方面，采用二次高壓注漿對(duì)一次常壓注漿所形成的圓柱形錨固體外土體進(jìn)行劈裂注漿加固、擠密，提高了錨固體周邊土體強(qiáng)度及兩者咬合程度［4］，致使其在控制位移方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，同在360 kN拉力作用下，前者位移僅83 mm，后者位移達(dá)133 mm，減小位移達(dá)37.6%。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)及治理效果

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，共布置二次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨索 9排，錨索水平間距為1.25 m，垂直間距1.2 m，直徑為150 mm，方形布置(圖3)。注漿采用水灰比為 0.45 ～0.50 的純水泥漿，水泥為 P.O42.5R。第一次注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿量為每米水泥用量不少于30 kg;二次注漿壓力為2 MPa。錨索設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表4。

表4 錨索設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 4 Parameter table of anchorage cables design

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.3 Profile of supporting structure

5.2 錨索驗(yàn)收試驗(yàn)

在錨索施工完成后，在892根錨索中隨機(jī)抽取58根錨索進(jìn)行驗(yàn)收檢測(cè)。錨索設(shè)計(jì)錨固力Nt=200 kN，在1.5 Nt荷載作用下，錨頭位移穩(wěn)定，總彈性位移滿足驗(yàn)收試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 邊坡位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，施工期間邊坡最大水平位移為7.5 mm，最大沉降僅8.7 mm，邊坡變形一直控制在允許范圍之內(nèi)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);施工完成后，邊坡在一年運(yùn)營期內(nèi)水平位移最大僅4.12 mm，垂直沉降僅3.00 mm，表明邊坡穩(wěn)定性良好。

6 結(jié)論與建議

通過一次常壓注漿及二次高壓注漿錨索極限抗拔力對(duì)比試驗(yàn)確定了錨索設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)，由于采用二次高壓注漿工藝，使得錨索的承載力提高了50%余，整個(gè)錨索加固區(qū)共布置18 703 m二次高壓注漿型錨索，與一次常壓注漿型錨索相比，工程量減少了近10 000 m，工程造價(jià)節(jié)省250多萬元。由于工程量的減少縮短了工期，保證了邊坡穩(wěn)定安全，確保了電廠提前發(fā)電，產(chǎn)生了很大的間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］常士驃，張?zhí)K民，主編.工程地質(zhì)手冊(cè)［S］.第四版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］GB50330—2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］CECS22∶90，土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［4］閆莫明，徐禎祥，蘇自約，主編.巖土錨固技術(shù)手冊(cè)［S］.北京:人民交通出版社，2004.