順傾紅層邊坡錨固參數的優化設計

張玉芳

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著我國山區鐵路事業的迅速發展，邊坡支護工程越來越多。由于錨桿強度高，能夠讓邊坡達到要求的安全度，如何通過錨桿提高邊坡的抗滑性也受到了業界的廣泛重視。采用錨桿加固邊坡時，須要將錨桿底端打入邊坡穩定巖層，并通過錨桿的傳力機制提高邊坡的抗滑性能，錨固段長度、錨固角度、預應力大小等錨固參數及組合布置方式均能對邊坡的穩定性產生較大影響［1-4］。由于邊坡巖體強度材料參數差異化嚴重，邊坡失穩破壞的形式須具體工況具體分析，采用工程經驗類比法可能影響到邊坡穩定性分析的評價精度［5］。本文以一鐵路紅層邊坡工點為例，通過對錨固參數的優化，對邊坡錨固性能進行研究。

1 工程概況

1.1 工程設計

該工點線路以隧道方式從山體中部穿過。隧道出口洞頂平臺上方仰坡為五級坡：第一級坡率1∶0.3，垂向高度4～6 m，坡頂平臺寬約2 m；第二級坡率1∶0.5，垂向高度4～6 m，坡頂平臺寬約2 m；第三級坡率1∶1，垂向高度約7 m，坡頂平臺寬約2 m；第四級坡率1∶1.5，垂向高度約8 m，坡頂為寬約2 m 緩坡平臺，平臺靠山側設有檢查通道及截水天溝；第五級坡率約1∶1，最大垂向高度約3 m，坡頂以上為緩坡耕地，如圖1所示。

圖1 隧道出口仰坡全貌

1.2 工程地質

該工點所在區域屬構造侵蝕、剝蝕低中山地貌區，區域內地形起伏較大，山高谷深，自然斜坡坡度40°～60°，局部較陡峭近直立。周邊多為林地并有少量旱地，總體植被覆蓋良好。表層覆蓋殘坡積粉質黏土，下伏基巖為泥巖，裂隙發育，巖體破碎，屬典型紅層地區。

該區域屬亞熱帶季風濕潤型山地氣候，高山地帶冬季長半年左右，春連夏無秋，氣候寒冷，風雪大，常有濃霧籠罩。區域內年平均雨量在1 000～2 000 mm。周邊常流地表水系經過，地下水以第四系松散孔隙水及基巖裂隙水為主。

2 邊坡病害評估

現場調查發現，該工點邊坡主要病害有4種。

病害1：隧道出口邊坡、仰坡均為巖質邊坡，巖性為泥巖，抗風化能力弱，強風化層厚，遇水軟化嚴重，且發育兩組豎向貫通裂隙，易與近水平層面組合切割形成危巖體，在長期降雨入滲、風化等共同作用下易引發崩塌、淺表層溜坍等。

病害2：隧道洞頂上方第一至第三級坡最大高差近35 m，坡面掛網噴混凝土，施工質量差，噴層厚度不足，且錨桿與鋼筋網未有效連接，防護能力弱，現場調查多處可見噴層剝落掉塊。

病害3：隧道洞頂仰坡第四級坡為土質裸坡，覆蓋層厚度約1.5 m，在降雨地表水流沖刷作用下易發生淺表層溜坍。

病害4：隧道洞頂仰坡第五級坡為巖土二元邊坡，較陡，表層土體結構松散，下部基巖風化強烈，在降雨地表水流沖刷作用下易引發淺表層溜坍、垮塌，導致天溝堵塞。

3 邊坡錨固設計優化研究

3.1 邊坡支護方案設計

邊坡病害主要是由隧道出口、仰坡和沖溝附近發生溜坍所致。因此在設計治理方案時主要從以下兩方面入手：①拆除隧道上方第五級仰坡既有天溝外溝幫后新設一道C25混凝土擋墻，兼做該段天溝外溝幫。墻身自溝底以上設一排泄水孔。②清除隧道出口左側第二級坡及正上方第四級坡坡面松散覆蓋層，而后對隧道出口左側邊坡、右側邊坡及正上方仰坡均采用HRB400 螺紋鋼筋潛孔鉆錨桿掛網噴C25 混凝土進行封閉加固。

為了更好地發揮邊坡支護的加固性能，一共設計了4種錨桿設置方案，通過FLAC 3D軟件進行模擬，對比得到最優的錨桿施工設計。

方案1：第1至第12排錨桿長度均為7.5 m。

方案2：第1至第12排錨桿長度均為9 m。

方案3：自坡腳以上第1至第5排錨桿長度為12 m，第6 至第7 排錨桿長度為9 m，第8 至第12 排錨桿長度為6 m。

方案4：第1至第12排錨桿長度均為12 m。

3.2 計算模型的建立與參數確定

3.2.1 模型邊界及監測設置

圖2 數值計算模型

計算模型如圖2所示。模型底部與側面采用固定約束，頂部不施加約束。采用摩爾庫倫強度準則。錨桿采用cable 單元模擬，在邊坡中布置5 排豎向位移監測點，用以監測邊坡深部位移。

3.2.2 數值計算流程設計

1）根據工程地質研判結果進行數值建模、參數賦值、試算。

2）根據現場邊坡實況進行參數修正，確定準確的模型和參數。

3）工點所在區域降雨量大，且紅層軟巖具有遇水易崩解的特性，在暴雨或持續強降雨的情況下危險性更大，因此選取降雨工況對4 種方案進行模擬。將土體含水率接近飽和時的土體參數作為反映降雨條件下的工況設計［6］。

3.2.3 模型參數

修正后得到邊坡斷面粉質黏土及泥巖層的物理力學參數，見表1。

表1 邊坡斷面地層物理力學參數

3.3 計算結果

采用FLAC 3D 軟件計算模型的穩定系數，得到自然狀態下邊坡穩定系數為0.99。《滑坡的分析與防治》［7］中規定穩定系數0.95～1.00 的滑坡屬于滑動階段，其特點為沿后緣張拉裂縫發育滑壁，兩側的剪切裂縫已在撕開后產生明顯的相對位移等，與現場勘察情況較為一致。

通過對4 種不同錨桿設計方案的數值計算分析，研究不同錨固深度對邊坡的變形和塑性區的影響。

3.3.1 方案1

方案1 邊坡不同位置的位移見圖3。可知：①粉質黏土地層發生明顯位移，其中第一級坡和第二級坡處位移最為明顯，最大位移分別為816，696 mm。雨水入滲坡體后，導致坡體內部巖土性質改變，邊坡呈向下蠕動的趨勢，下滑力不斷增大；7.5 m 錨桿提供抗滑力后，下滑力仍然較大，導致邊坡位移也不斷增大。7.5 m 的錨桿未能有效地控制邊坡位移。②邊坡位移主要發生在土巖交界面以上，交界面處其位移變化最為明顯，在交界面以上土體位移不斷增大直至地表。

圖3 方案1邊坡不同位置的位移

邊坡表面受到拉應力破壞的影響較大（圖4），在土巖交界面處表層土體和下部剪出口受到剪應力破壞的影響較大。總體來說，7.5 m 錨桿提供的抗滑力較弱，對邊坡的防護效果有限，邊坡破壞較為嚴重。7.5 m的錨桿防護未能使邊坡達到最佳防護效果。

圖4 方案1邊坡塑性區

3.3.2 方案2

方案2邊坡不同位置的位移見圖5。可知：第一級坡和第二級坡處位移最為明顯，土體最大位移分別為542，431 mm。9 m 錨桿提供抗滑力后，下滑力仍然相對較大，導致邊坡位移也不斷增大，9 m 的錨桿防護未能有效地控制邊坡位移。邊坡深部位移模式未發生改變。

圖5 方案2邊坡不同位置的位移

方案2 邊坡塑性區見圖6。邊坡表面零星區域受到拉應力破壞，下部剪出口受到的剪應力破壞影響較大，土巖交界面處未受剪應力影響。9 m 的錨桿防護確實能夠有效地減小邊坡的下滑力，增大邊坡的抗滑力，但下部剪出口仍受到影響，9 m 的錨桿防護同樣未能使邊坡達到最佳防護效果。

圖6 方案2邊坡塑性區

3.3.3 方案3

方案3邊坡不同位置的位移見圖7。可知：第二級坡處位移最為明顯，最大位移為386 mm。隨著邊坡向下蠕動，下滑力不斷增大。由于伴隨下滑力不斷增大其錨桿錨固設計長度也在不斷增長，使得下滑力大小始終保持穩定，邊坡位移也始終控制在200～400 mm，有效地控制了邊坡位移。邊坡深部位移模式并未發生改變。

圖7 方案3邊坡不同位置的位移

邊坡表面零星區域受到拉應力破壞，未受到剪應力影響，邊坡塑性區狀態良好。通過改變錨桿的錨固深度，確實能夠有效地減小邊坡的下滑力，增大邊坡的抗滑力，維持邊坡的穩定。不同深度錨桿混合防護使邊坡達到最佳防護效果，見圖8。

圖8 方案3邊坡塑性區

3.3.4 方案4

方案4邊坡不同位置的位移見圖9。可知：第二級坡處位移明顯，土體最大位移為290 mm。隨著下滑力不斷增大，12 m 錨桿提供抗滑力后，下滑力大幅度減小，位移60～300 mm，12 m 的錨桿能有效地控制邊坡變形。邊坡深部位移模式同樣未發生改變。

邊坡未受到拉應力和剪應力影響發生破壞，邊坡塑性區狀態良好。12 m 的錨桿能夠有效地減小邊坡的下滑力，增大邊坡的抗滑力，維持邊坡的穩定。12 m的錨桿使邊坡達到最佳防護效果，見圖10。

圖9 方案4邊坡不同位置的位移

圖10 方案4邊坡塑性區

3.4 邊坡錨固措施優化

4 種方案錨固效果見表2。可知：方案1 和方案2防護效果并不理想，方案3 和方案4 防護效果較為理想。但結合其經濟性考慮，方案3 為最優邊坡加固處理方案。

表2 4種方案錨固效果

4 結論

1）按照自坡腳以上第1 至第5 排錨桿長度為12 m，第6 至第7 排錨桿長度為9 m，第8 至第12 排錨桿長度為6 m 的方案進行錨桿施工時，邊坡最大位移和塑性區均處在較為理想的狀態，能夠使邊坡的加固性能達到最大。該方案為最優邊坡加固處理方案。

2）在進行邊坡錨桿防護設計時，錨桿支護對改善邊坡整體性有良好作用。在下滑力大的地方適當增加錨桿的錨固深度，在下滑力較小的地方適當減小錨桿錨固深度，這樣既能更好地發揮邊坡的加固性能，又能保證施工的經濟性。