順層路塹巖質邊坡預支護開挖分析

陳 東，周 雄，夏國邦

(1.云南交通職業技術學院，昆明 650500；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070；3.云南省公路開發投資有限公司，昆明 650500)

邊坡工程是巖土工程建造領域中最重要的部分之一，邊坡的穩定性直接影響到建(構)筑物的穩定與安全。邊坡的開挖擾動必然會引起邊坡內部靜力平衡重分布，導致邊坡卸荷失穩，往往會造成嚴重的破壞。隨著邊坡支護技術的發展，很多學者提出邊坡工程預支護或超前支護措施[1-3]。所謂邊坡預支護或超前支護，通常是指在邊坡開挖施工過程中，在下一個開挖階段會引起邊坡不穩定，需要在邊坡發生或將發生破壞前對其進行結構支護，保證施工邊坡穩定性，降低開挖過程破壞的可能性[4]。

預支護技術在隧道施工中被普遍采用，預支護或超前支護方法同樣適用于邊坡工程領域。因此，預支護技術對于邊坡工程施工具有重要意義，特別是對于開挖不穩定坡體的安全處理[5]。

選取某典型順層路塹邊坡坡段作為研究對象，采用極限平衡法對邊坡開挖穩定性進行研究。選取兩種預支護設計方案，并對預支護處理后的模型進行穩定性分析，評價預支護措施的可行性。

1 工程地質條件及支護設計

1.1 工程地質條件

所選邊坡為粉砂質頁巖類順層路塹高邊坡，巖石結構面不易風化且基本不受地下水影響。粉砂質頁巖類邊坡巖性穩定性好，邊坡的巖層傾角為18°～24°。研究地區地貌屬于丘陵河谷及中低山區并受流水作用，地貌主要受地質構造、巖層性質以及內外應力影響。研究地區氣候屬于亞熱帶濕潤季風氣候，時有降雨，地下水主要以基巖裂隙水以及第四系地質裂隙水為主。

1.2 設計支護措施

所選粉砂質頁巖路塹邊坡設計的開挖支護流程為先進行順層清方再進行預支護加固，支護設計加固類型為預加固樁+擋土墻使用。

2 邊坡開挖穩定性分析

粉砂質頁巖類邊坡順層路塹邊坡的典型斷面圖如圖1所示。根據路塹邊坡開挖施工要求，一般采用開挖與支護循環交替進行，以便于維護邊坡開挖的穩定。由于圖1邊坡左側為穩定好的逆向邊坡，故研究選取圖1邊坡右側坡(順層坡)為研究對象。

2.1 邊坡穩定性分析方法與邊坡參數

極限平衡法是計算邊坡穩定性的重要方法，極限平衡法的基本思路是建立邊坡靜力平衡關系求解出邊坡的安全系數，能夠獲取邊坡最危險滑動面以及與之對應的邊坡安全系數。極限平衡法理論成熟，應用廣泛。因此，采用極限平衡法計算順層巖質路塹高邊坡的開挖穩定性。

由圖1的開挖設計，建立右側邊坡開挖模型如圖2所示，順層巖層傾角θ=22°，邊坡角αp=12°。首先進行順層清方(圖2中①)，高度h=7.5 m，然后進行切層開挖(圖2中②)，高度H=15.5 m。第一層順層清方因未形成切層邊坡，開挖邊坡穩定，開挖前不需進行預支護處理。此節主要分析第二層開挖后邊坡的穩定性。所選順層路塹邊坡屬于典型平面滑動邊坡穩定問題，選取巖體及結構面物理力學參數如表1所示。

表1 邊坡巖體與結構面參數表

2.2 開挖過程穩定性分析

由《建筑邊坡工程技術規范GB 50330—2013》可知，順層路塹巖質邊坡的安全系數Ks為

(1)

由此，可由式(1)獲得邊坡第二步開挖完成后的安全系數Ks=0.89<1，邊坡開挖后處于不穩定狀態，容易造成右側順層邊坡沿著巖層滑動，造成滑坡，故需要在邊坡第二層開挖失穩前對坡體進行預支護處理。

3 順層路塹巖質邊坡預支護設計

3.1 預支護方案設計

通過前面分析可以確定邊坡第二步開挖前需要預支護，否則無法保證開挖過程邊坡穩定。根據順層清方后邊坡形態，邊坡預支護措施可選擇錨桿支護或者抗滑樁支護。預支護方法一：在邊坡第二層開挖前在坡面位置設置錨桿，錨桿埋設方向與巖體結構面成75°，錨桿預支護示意圖如圖3所示。預支護方法二：在邊坡第二層開挖前在開挖坡角位置設置抗滑樁，以確保抗滑樁后側邊坡的穩定，抗滑樁預支護如圖4所示。

3.2 預支護參數設計

由《建筑邊坡工程鑒定與加固技術規范GB 50843—2013》可知，錨桿加固順層路塹巖質邊坡的安全系數Ks為

(2)

式中，Pt為錨桿加固力，kN；β為錨桿與結構面夾角，為75°；其他參數意義同式(1)。

結合邊坡永久支護要求，假定設計邊坡安全系數Ks=1.3，由式(2)可以獲得錨桿加固力Pt=5 152.35 kN。根據《建筑邊坡工程技術規范GB 50330—2013》可知，錨桿鋼筋截面面積應當滿足

(3)

式中,As為錨桿鋼筋截面面積，m2；fy為普通鋼筋抗拉強度設計值，取360×103kPa；Kb為錨桿桿體抗拉安全系數，按照二級永久性錨桿取值為2.0；Nak為錨桿所受軸向拉力，錨桿采用2 m×2 m布置，則沿邊坡剖面單列錨桿需要錨固力為Nak=2Pt=10 304.7 kN。由式(3)計算得單列所有錨桿的截面積As≥57 249 mm2。

若采用φ32的鋼筋，則單列所有錨桿需要φ32的鋼筋根數為：As/(π×16×16)=71.22，可取72根。

采用4根鋼筋為一束作為錨桿，則邊坡剖面單列錨桿數為72/4=18根。則單根錨桿需要的錨固力為Nak1=Nak/18，為572.5 kN。根據《建筑邊坡工程技術規范GB 50330—2013》可知，錨桿錨固體與巖層間長度應滿足

(4)

式中,K為錨桿錨固體抗拔安全系數，永久性二級錨桿取2.4；la1為錨桿錨固段長度，m；D為錨桿錨固段鉆孔直徑，取150 mm；frbk為巖層與錨固體極限粘結強度標準值，kPa，取800 kPa。

錨桿與錨固砂漿間的錨固長度應滿足

(5)

式中,la2為錨筋與砂漿間的錨固長度，m；d為錨筋直徑，mm；fb為鋼筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值，kPa，取2 400 kPa；n為鋼筋根數；其他參數意義同式(4)。

根據式(4)與式(5)，計算得出la1=3.65 m>la2，故錨桿錨固段長度取4 m滿足規范要求。因此，錨桿預支護方法一是有效可行的，能夠保障邊坡開挖過程穩定。

當采用抗滑樁預支護方法時，假定設計巖質邊坡安全系數Ks為1.3，根據《建筑邊坡工程技術規范GB 50330—2013》，采用傳遞系數隱式法計算剩余下滑力P：

(6)

式中，P為剩余下滑力，kN；其他參數意義同式(1)。

根據式(6)算出單寬滑體剩余下滑力P=2 646.72 kN，則單寬下滑水平推力Ph=P×cosθ=2 454 kN。假定抗滑樁為鋼筋混凝土圓樁，樁長為21 m，直徑為2 m，樁間距3 m，錨固段5.5 m。由《建筑樁基技術規范JGJ 94—2008》可知，當樁身配筋率大于0.65%時，單樁水平承載力特征值Rha可估算為

(7)

式中，Rha為單樁水平承載力特征值；EI為樁身抗彎剛度，EI為2×1016mm2；α為樁的水平變形系數，取5×10-4mm-1；xoa為樁頂允許水平位移，取10 mm；υx為樁頂水平位移系數，取2.441。

由式(7)求算出單樁水平承載力特征值Rha=7 681 kN>3Ph，故可以判定采用抗滑樁預支護方法可行。

綜上所述，該順層路塹巖質邊坡開挖采用錨桿或抗滑樁預支護，都可以保證邊坡開挖的穩定性。綜合路塹邊坡坡面防護要求，設計采用預加固樁+擋土墻的措施合理。

4 結 論

以某典型順層路塹巖質邊坡坡段作為工程案例，采用極限平衡法對邊坡開挖預支護的必要性與可行性進行了研究，得出以下結論：

a.設計邊坡在進行第二層開挖后邊坡安全系數為0.89，邊坡在開挖過程中為不穩定邊坡，在開挖第二層前，需要進行邊坡預支護。

b.邊坡在第二層開挖前采取錨桿預支護或抗滑樁預支護，均可以有效地控制邊坡開挖過程中的穩定性。綜合路塹邊坡坡面防護要求，設計采用預加固樁+擋土墻的措施合理。

c.案例分析表明，順層路塹邊坡開挖預支護能夠有效保證邊坡開挖過程的穩定，是一種有效的支護措施。