預應力錨索框架梁在路基高邊坡防護中的應用

何志俊

（山西省交通開發投資集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著山西省高速公路骨架網的建成，高速公路運營期所面臨的地質災害問題也日益凸顯[1]。運營期邊坡地質災害治理的思路主要有[2-3]：降低水的不利影響；改善邊坡的力學平衡；增強軟弱結構面的物理力學性質等。相應的治理方案主要包括防排水、卸載、擋墻護腳、抗滑樁、錨索（桿）支護等。由于預應力錨索框架支護是一種邊坡原位加固結構，不僅可以提高邊坡巖土體的整體性、改善結構受力條件和巖土體的強度、減小邊坡巖土體的變形，使巖土體達到要求的穩定安全度，且該技術目前相對成熟，因此被廣泛應用于復雜巖土體邊坡治理中[4-5]。

針對運營期高速公路某段路基高邊坡地質災害，探索適用于該邊坡工程地質條件的預應力錨索框架支護結構。

1 工程概況

G1812滄榆高速公路忻保段運營期間某段路基上邊坡坡面噴錨防護空鼓開裂，一級坡護面墻錯斷開裂、脫落，坡頂出現張拉裂縫，長度約300 m，以上特征均表明該段邊坡處于不穩定狀態，有滑坡趨勢。該段邊坡位于山西省忻州市靜樂縣境內，大體呈東西走向，屬于陰坡，邊坡共4級，坡率1∶0.5 ～1∶0.75，總高度約45 m。邊坡現有防護結構為：一級邊坡為漿砌片石護面墻防護，二、三、四級邊坡全部采用噴錨進行防護。

圖1 坡頂張拉裂縫

2 不良地質特征形成機理分析

2.1 地質地形因素

該段邊坡微地貌為黃土峁、緩坡、沖溝，邊坡頂部地形平緩、植被茂密，受公路切坡影響，改變了原有的自然排水系統，降低了排水效果，垂直下滲量增加，加之邊坡屬光照較弱的陰坡面，水份蒸發速度緩慢，地表水下滲后主要通過滲透排泄，長期在邊坡巖土體中賦存。邊坡未設置截水溝，坡頂覆蓋薄層濕陷性粉土，受大氣降水沖蝕、潛蝕形成裂縫、落水洞等水流通道，水流沿通道下滲并通過基巖裂隙滲入下一級邊坡。邊坡巖性為砂巖泥巖互層，邊坡中泥巖屬軟質巖，為隔水層，遇水后泥化變軟變滑，從而為不良地質的形成創造了條件。

2.2 滑坡條件分析

邊坡地層主要為二疊系P2s砂、泥巖結構，兩種巖性差異風化明顯，砂巖呈碎塊狀結構，泥巖全風化呈土狀，且傾角較大。巖層產狀340°∠40°，巖層傾向與坡向相同，且巖層產出狀態與路線斜交。砂巖節理裂隙發育，巖體較破碎，泥巖為泥質結構，坡面滲水及砂巖裂隙水沿砂巖節理裂隙通道下滲，在泥巖層形成隔水層，泥巖遇水易軟化變軟，邊坡在巖體重力及傾角作用下有滑坡的隱患。

2.3 邊坡排水設施

邊坡頂部未設置截水溝，地形平緩，邊坡頂部覆蓋薄層濕陷性粉土，受大氣降水沖蝕、潛蝕形成裂縫、落水洞等水流通道。邊坡平臺排水溝不連續，且為漿砌片石施工工藝，經多年運營，砌體砂漿脫落嚴重，砌體開裂，水流沿片石間裂縫下滲，在邊坡防護層后形成沖蝕溝槽，從而造成局部防護坍塌。

綜上所述，該段邊坡產生地質災害隱患原因為：邊坡工程地質條件差為內因，背陰坡水毀為誘因。

3 錨索框架梁技術在滑坡段的應用

3.1 預應力錨索防護計算

根據坡頂張拉裂縫及一級坡護面墻錯斷口，通過計算分析可知邊坡深處存在一潛在滑面，潛在滑面埋深13～25 m。根據計算結果及現場地形、地質條件，繪制該邊坡1號地質剖面示意圖，如圖2所示，圖中顯示松動變形巖體的穩定性較差，是剖面中最明顯滑面即為松動變形巖體的底界。而深處的潛在滑面為順層滑坡，規模大，危險性較大。

圖2 該邊坡1號剖面示意圖

在充分進行工程地質調查的基礎上，根據現場實測巖石力學數據，對滑坡下滑力進行計算，結合滑坡體的規模、成因、下滑力確定采用預應力錨索與框架梁支護結構，輔以截排水處置措施，確保坡體長期穩定，計算書見表1。根據計算書提供的參數，確定錨索最佳參數：錨索選用4束12.5 mm高強度低松弛無黏結預應力鋼絞線，入射角度15°，錨索長度18～30 m，其余參數根據計算結果并參照規范執行，錨索結構如圖3所示。經計算該設計方案在暴雨工況下安全系數K=1.24，因此安全系數在各工況下均可滿足設計要求。

圖3 錨索框架法向投影圖（單位：cm）

表1 錨索設計計算書

3.2 邊坡預應力錨索框架設計

施工前先對邊坡進行修整，確保每級邊坡高度8 m，坡率采用1∶0.75，平臺寬2 m，每級邊坡均采用預應力錨索加固，每孔錨索采用4束15.2 mm低松弛鋼絞，每孔錨索設計拉力620 kN，錨孔與邊坡入射角為15°。由于單獨使用預應力錨索進行邊坡加固，錨索拉力過大會引起表層坡體的變形，甚至破壞，而坡體的變形又會導致錨索預應力的損失，從而減弱預應力錨索的支護效果。采用預應力錨索與框架梁的復合結構，框架梁不僅起表層固坡作用，還有傳力、散力作用，支護效果更加安全穩定。框架梁采用4 m×3 m鋼筋混凝土澆筑，截面尺寸0.4 m×0.4 m，如圖3所示。

3.3 預應力錨索框架梁復合結構優化

研究區邊坡地質條件為易風化的砂泥巖互層結構，錨索施加預應力后即便有框架梁散力也可能會面臨局部出現松弛的現象，為了進一步提高支護安全余量，將預應力錨索框架支護結構優化為預應力錨索+框架梁+錨固柱結構，錨索構造圖如圖4所示，即在充分清除表面松動變形巖體后，在框架節點即錨頭位置沿鉆孔走向深挖1.5 m，直徑300 mm，回填C30混凝土形成錨固柱后方可進行框架節點施工，錨固柱與框架梁聯合使用，共同起作用。優化后的框架梁與坡面的有效接觸面積更大，且錨固柱坐落于更加堅硬的巖層上，故錨索變形能得到很好的限制。

圖4 4 m×3 m錨索構造圖（比例：1∶100）（單位：cm）

3.4 錨索框架施工工藝流程

坡面清理→錨索孔測量放線→鉆機就位→鉆孔（孔直徑150 mm）→錨孔清理→孔口擴孔（孔直徑300 mm）→錨索體制作及安裝→錨固注漿→錨固柱施工→框架梁制作→錨索張拉及鎖定、封錨。

3.5 加固效果評價

經計算該邊坡加固后安全系數為1.40，滿足規范要求。且工程施工完畢后，監測數據表明邊坡最大位移量為3.1 mm，邊坡處于穩定狀態，加固效果良好。監測數據顯示，該治理邊坡的長期預應力損失均在5%以內，且在2～3個月內全部完成。框架所受的土抗力變化很小。從錨索拉力和土抗力長期監測的結果來看，預應力錨索框架處于長期、有效的工作狀態之中。該邊坡施工結束已接近兩年，經過兩個雨季的考驗，坡體無任何變形跡象，表明預應力錨索框架對該段高邊坡的穩定能起到長期、有效的作用。

4 結論

a）本文以G1812滄榆高速公路忻保段某路基上邊坡地質災害為例，分析并確定了該段邊坡不良地質現象是由巖土體力學特性、地層巖性等內因和背陰坡、地形、排水等誘因共同作用的結果。

b）結合滑坡體的規模、成因、下滑力確定該段邊坡處治方案為預應力錨索與框架梁加固。并根據現場實際地質條件，方案優化為預應力錨索+框架梁+錨固柱加固的復合結構。該方案不僅能夠合理地改善結構的受力條件，并且能夠充分地利用材料本身的強度特性，支護效果更加安全穩定，具有良好的推廣應用價值。