某路塹高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框梁與抗滑樁設(shè)計(jì)

張 韋 華

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

在道路的修建中，由于開挖山體形成路基路塹高邊坡，現(xiàn)對超過30 m的高邊坡進(jìn)行分析與綜合設(shè)計(jì)。擬采用預(yù)應(yīng)力錨索框梁與抗滑樁的雙重措施，一起受力。充分利用雙重措施以加強(qiáng)對路塹高邊坡的加固。本文結(jié)合某路塹高邊坡的治理工程實(shí)例，介紹預(yù)應(yīng)力錨索框梁與抗滑樁在滑坡治理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 地形地貌

場區(qū)屬于丘陵地貌，山體高大，形態(tài)復(fù)雜，山坡陡峭。線路切割的山體呈陡坡狀，山坡自然坡度25°～50°，局部陡坡陡坎，山坡局部為廢棄舊石場，坡體植被較為發(fā)育，主要為雜樹、灌木等；山坡底部附近村莊有鄉(xiāng)村公路通過，交通條件較好。

1.2 地層巖性

1.3 水文地質(zhì)概況

場區(qū)位于山坡上部，地表無長年性水流，僅在雨季有短暫地表徑流；地下水由上部土層孔隙潛水和深部基巖裂隙水組成，含水量較小，其補(bǔ)給來源主要靠大氣降水的入滲補(bǔ)給，排泄基準(zhǔn)面為山坡坡腳低洼處。本次勘察期間，鉆孔深度內(nèi)測得地下水位埋深為18.60 m～20.40 m，高程為106.91 m～136.79 m，年水位變化幅度在1 m～2 m。

1.4 穩(wěn)定性評價(jià)

該段路基開挖后，出露地層為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，局部為雜填土、殘積砂質(zhì)黏性土，因此該路塹邊坡主要為類土質(zhì)邊坡為主，局部為土質(zhì)邊坡。邊坡開挖后，將使山體的應(yīng)力重新分布，坡腳會導(dǎo)致應(yīng)力集中，在大氣降雨(尤其是突發(fā)性大暴雨)的作用下，孔隙水壓力會增大，邊坡自重增加，巖(土)體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度將顯著降低，可能由于坡腳應(yīng)力集中和巖土強(qiáng)度不足而產(chǎn)生沿相對軟弱面(順向的節(jié)理面、風(fēng)化界面)的坍塌滑動變形或圓弧形滑動變形，這對邊坡的穩(wěn)定是不利的。建議以緩坡為宜，并采用必要的措施進(jìn)行加固處理。

場地巖石節(jié)理裂隙極發(fā)育，主要見有3組：J1:55°∠68°，J2:140°∠36°，J3:303°∠44°，左側(cè)開挖坡面傾向約254°，右側(cè)開挖坡面傾向約74°，根據(jù)赤平投影圖分析，節(jié)理J1，J2與右側(cè)邊坡斜交，為斜交順向坡，對邊坡穩(wěn)定較為不利。

2 邊坡變形機(jī)理分析及設(shè)計(jì)思路

2.1 邊坡變形機(jī)理

本區(qū)邊坡的穩(wěn)定性主要由以下幾個因素控制：

1)線路以深挖方的形式通過，形成路塹高邊坡，因開挖方量較大導(dǎo)致地應(yīng)力重新調(diào)整大，形成較大的松弛區(qū)，使路塹邊坡的安全穩(wěn)定性大幅降低。

2)構(gòu)成本邊坡主要由砂質(zhì)黏性土和強(qiáng)風(fēng)化片麻巖組成。巖土體強(qiáng)度低，加之巖體風(fēng)化強(qiáng)烈。存在邊坡因自身強(qiáng)度不足產(chǎn)生失穩(wěn)的可能。

3)邊坡開挖后，在水作用下容易沿不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生崩塌、滑坡等邊坡病害。

2.2 設(shè)計(jì)思路

1)該路段邊坡為破碎巖質(zhì)邊坡，因山坡較陡，為避免剝山皮式開挖，采用陡開挖，強(qiáng)加固措施，坡腳采用抗滑樁收腳。

2)本著“固腳強(qiáng)腰”的理念，采用適當(dāng)?shù)募庸谭雷o(hù)措施，確保穩(wěn)定的邊坡，同時(shí)注重邊坡美觀。

3)在工程中采用合理排水方案，疏導(dǎo)邊坡地下水及地表水，降低土體的含水量，增加路塹邊坡的安全穩(wěn)定性。

3 邊坡的穩(wěn)定安全性計(jì)算

該段邊坡最高約39.1 m，為二元結(jié)構(gòu)邊坡，該邊坡上覆砂質(zhì)黏性土；其下為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖及微～中風(fēng)化片麻巖，本次計(jì)算選取了YK1+360右側(cè)斷面按折線滑動法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足表1規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

路塹邊坡防護(hù)加固是依據(jù)路塹邊坡穩(wěn)定程度與等級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，本路段路塹邊坡是按照“一級邊坡工程”進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體防護(hù)加固工程設(shè)計(jì)方法如下：

1)對于穩(wěn)定性差的邊坡，由于地質(zhì)因素的不確定性和坡體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加強(qiáng)其動態(tài)設(shè)計(jì)工作，根據(jù)其施工實(shí)際揭露地層情況和坡體結(jié)構(gòu)，及時(shí)分析判斷，必要時(shí)調(diào)整防護(hù)或增補(bǔ)支擋加固工程措施，確保坡體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

2)對于不穩(wěn)定的邊坡，即邊坡在正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0，必須增加支擋加固工程，或放緩邊坡坡率，以及采用刷坡放緩與支擋加固相結(jié)合處理，從而維持坡體穩(wěn)定，確保邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定兩種工況下的要求。對于欠穩(wěn)定的邊坡，即邊坡在正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)介于1.0～1.35之間，若不增設(shè)支擋加固工程，可以保持暫時(shí)穩(wěn)定，但在考慮各種不利因素的作用下，將有邊坡失穩(wěn)的可能，建議增補(bǔ)一定的支擋加固工程，或經(jīng)刷坡放級處理，使邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高到1.35以上，并滿足其他兩種非正常工況下規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定系數(shù)。

3)對于穩(wěn)定的路塹邊坡，即邊坡在正常工況及其他兩種非正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，一般無需增設(shè)額外支擋加固工程，即可維持坡體的總體穩(wěn)定，必要時(shí)局部調(diào)整坡率設(shè)計(jì)或防護(hù)工程措施。

4)同時(shí)邊坡穩(wěn)定性應(yīng)考慮工程的特殊性，在隧道口邊坡可適當(dāng)提高邊坡加固后的安全儲備。

本次采用巖土專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行邊坡模擬計(jì)算，分別對邊坡開挖后，自然工況、暴雨工況、邊坡加固后自然工況、路塹邊坡加固后的暴雨工況穩(wěn)定安全性進(jìn)行四項(xiàng)穩(wěn)定性計(jì)算。巖土體的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)勘察時(shí)提供的室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合地方巖土經(jīng)驗(yàn)確定。一般而言，暴雨工況下，不同巖土體強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減，折減分別為10%～15%。

a.巖土體強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表2 主斷面滑帶土參數(shù)

b.穩(wěn)定性計(jì)算見表3。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

邊坡開挖及加固后，自然工況及暴雨工況見圖1～圖4。

邊坡加固后，在自然工況下，邊坡安全儲備系數(shù)1.36，大于1.35，滿足規(guī)范要求。

邊坡加固后，在暴雨工況下，邊坡安全儲備系數(shù)1.101，大于1.1，滿足規(guī)范要求。

4 抗滑樁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

抗滑樁是將樁插入滑面以下的穩(wěn)固地層內(nèi)，用以支擋滑體的滑動力，起穩(wěn)定邊坡的作用，平衡滑坡推力，適用于淺層和中厚層的滑坡，土方量小，是穩(wěn)定滑坡的一種結(jié)構(gòu)物。除邊坡加固及滑坡治理工程外，抗滑樁還可用于橋臺、隧道等加固工程。抗滑樁剪力包絡(luò)圖見圖5。彎矩包絡(luò)圖見圖6。

5 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)采用六級邊坡方案；一級邊坡采用抗滑樁截面為2.0 m×2.5 m的樁板墻固腳收坡；二級采用預(yù)應(yīng)力錨索框梁加固，框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播；三級采用預(yù)應(yīng)力錨索框梁加固，框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播；四級采用錨索框架梁加固，框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播；五級采用錨索框架梁加固，框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播；六級采用掛網(wǎng)客土噴播。

5.1 邊坡坡形、坡率

1)邊坡各級的坡率具體如下：

一級：坡高14 m，為直立式；

二級：坡高8 m，坡率為1∶0.5；

三級：坡高8 m，坡率為1∶0.5；

四級：坡高8 m，坡率為1∶0.5；

五級：坡高8 m，坡率為1∶1；

六級：坡高不等，坡率為1∶1。

2)一、二、三、四、五級平臺寬2 m。

3)邊溝合并碎落臺寬2.8 m。防護(hù)加固工程立面圖見圖7。

5.2 邊坡加固防護(hù)措施設(shè)計(jì)

加固工程代表性橫斷面設(shè)計(jì)圖見圖8。

1)一級：YK1+328～YK1+450段采用樁板墻固腳收坡，邊坡高度14 m，抗滑樁截面為2.0 m×2.5 m，樁長16 m～28 m，樁間距6 m，樁頭布設(shè)4孔錨索，錨索長度31 m，錨固段長10 m。2)二級：YK1+340～YK1+395采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框梁加固，錨索長31 m，錨固段長10 m，間距4 m×3 m。框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播。3)三級：YK1+342～YK1+395采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框梁加固，錨索長度分別為33 m，35 m，37 m，錨固段長10 m，間距4 m×3 m。框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播。4)四級：YK1+354～YK1+389采用3排錨索框架梁加固，錨索長30 m，31.5 m，32.5 m，間距4 m×3 m，框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播。5)五級：YK1+358.4～YK1+390采用3排錨索框架梁加固，錨索長30.5 m，31.5 m，33 m，間距4 m×3 m，框梁內(nèi)采用掛網(wǎng)客土噴播。6)六級：YK1+370～YK1+380采用掛網(wǎng)客土噴播。

每級邊坡在適當(dāng)位置設(shè)置檢查踏步，各級平臺采用C15素混凝土硬化。

5.3 排水設(shè)計(jì)

每級邊坡平臺上均設(shè)置平臺截水溝，各級平臺采用10 cm C15素混凝土硬化。全段路塹頂部開口線5 m外設(shè)置塹頂截水溝，用于塹頂擋水及排除平臺截水溝匯水。各級邊坡平臺大里程端設(shè)引流槽連通平臺截水溝與塹頂截水溝，排除坡面匯水，引流槽形式與塹頂截水溝一致。一級邊坡坡腳設(shè)置邊溝。均采用C20混凝土預(yù)制塊，厚0.19 m。

一級坡坡腳抗滑樁之間布設(shè)一排斜孔排水，排水孔填充硬塑透水管(φ110 mm)，內(nèi)端頭用2層無紡布包裹。孔徑φ130 mm，間距6 m，孔深15 m。

5.4 加固防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔直徑150 mm，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)度、低松弛的普通預(yù)應(yīng)力鋼絞線編制。錨索體采用6束φ15.24 mm，錨固段長10 m，框架梁錨索設(shè)計(jì)張拉力700 kN，抗滑樁錨索鎖定拉力為500 kN。采用二次注漿，灌注強(qiáng)度為M40的水泥漿，注漿壓力不小于1.0 MPa。

2)錨索框梁截面尺寸0.5 m×0.5 m，均采用C25混凝土澆筑，每片錨索的橫梁長為6 m，施工時(shí)橫梁間設(shè)置伸縮縫。

5.5 抗滑樁配筋計(jì)算

1)正彎矩鋼筋的計(jì)算。

最大正彎矩M=γ0γGMmax=1.0×1.0×41 000=41 000 kN·m。

截面有效高度h0=h-300=2 500-300=2 200 mm。

γS=1-0.5ξ=1-0.5×0.361 6=0.819；

縱筋采用束筋配筋，1束3根，實(shí)際選取90根鋼筋。呈三排布置，間距取200 mm。

驗(yàn)算：a.b=2 000 mm時(shí)，鋼筋束間距(2 000-100×2-10×32×2)/9=128.9 mm，滿足TB 10025—2006規(guī)范對于縱筋間距要求。b.驗(yàn)算配筋率。故滿足適筋配筋率要求。

2)負(fù)彎矩鋼筋的計(jì)算。

受荷段最大負(fù)彎矩Mmax=-9 000 kN·m。

最大負(fù)彎矩M=γ0γGMmax=1.0×1.0×9 000=9 000 kN·m。

截面有效高度h0=h-300=2 500-300=2 200 mm。

γS=1-0.5ξ=1-0.5×6.7×10-2=0.967；

3)斜截面抗剪計(jì)算。

剪力設(shè)計(jì)值Q=γ0γGQmax=1.0×1.0×7 000=7 000 kN·m。

Qmax=7 000 kN<0.25βfcbh0=0.25×1.0×14 300×2.0×2.2=15 730 kN (截面滿足要求)。

因?yàn)镼>0.7ftbh0=0.7×1 430×2.0×2.2=4 404.4 kN，故需按計(jì)算配置箍筋。設(shè)四肢箍筋，箍筋選用18鋼筋,箍筋面積箍筋間距為箍筋最小配筋率箍筋的配筋率滿足要求。

5.6 錨索格梁計(jì)算

JTG D30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范5.5.5規(guī)定：在預(yù)應(yīng)力錨桿體設(shè)計(jì)時(shí)，錨桿體截面積應(yīng)按式(1)計(jì)算。錨桿預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力σcon應(yīng)符合表5.5.5的規(guī)定。

(1)

其中，A為錨桿體截面積，m2;Pd為錨桿設(shè)計(jì)錨固力,kN;K1為預(yù)應(yīng)力筋截面設(shè)計(jì)安全系數(shù)，按表4選取；Fptk為錨桿體材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa。

根據(jù)JTG D30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范5.5.6規(guī)定，錨桿設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)的取值應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表4 預(yù)應(yīng)力錨桿固體設(shè)計(jì)安全系數(shù)

根據(jù)規(guī)范規(guī)定本次設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)為:

1)抗滑樁錨索。安全系數(shù)K1:2;錨桿設(shè)計(jì)錨固力Pd:500 kN;錨桿體材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Fptk:1 860 000 kPa;根據(jù)式(1)，得錨桿體截面積A：0.000 54 m2;本次設(shè)計(jì)采用六束錨索, 錨索采用φ15.24 mm高強(qiáng)度、低松弛普通鋼絞線制作,則錨桿體截面積S:S=6πr2=6π×(0.015 24/2)2=0.001 1。根據(jù)S>A,故滿足要求。2)框格梁錨索。安全系數(shù)K1:2；錨桿設(shè)計(jì)錨固力Pd:700 kN；錨桿體材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Fptk:1 860 000 kPa;根據(jù)式(1)得錨桿體截面積A：0.000 75 m2;本次設(shè)計(jì)采用六束錨索,錨索采用φ15.24 mm高強(qiáng)度、低松弛普通鋼絞線制作,則錨桿體截面積S:S=6πr2=6π×(0.015 24/2)2=0.001 1，根據(jù)S>A,故滿足要求。

6 結(jié)語

在道路路塹高邊坡設(shè)計(jì)過程中，采用預(yù)應(yīng)力錨索框梁與抗滑樁雙重加固措施，加固后的高路塹邊坡能及時(shí)有效、因地制宜。特別是路塹較高，巖層較為破碎、地質(zhì)復(fù)雜的情況。通過本項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，為錨索、錨桿框架梁和抗滑樁聯(lián)合應(yīng)用的支護(hù)體系在路基高邊坡滑坡治理中的設(shè)計(jì)計(jì)算分析,為類似工程提供有價(jià)值的設(shè)計(jì)參考。