預應力錨索肋板在高邊坡防護工程中的應用

侯偉濤，沈 鵬

（1.佛山市南海三山新城投資發展有限公司，廣東 佛山 528200；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

1 引言

預應力錨索肋板墻支護結構是近二十年來發展起來的一種支護形式，最早應用于公路和鐵路陡坡高路基、路塹支擋工程中。該防護結構由預應力錨索和肋板墻兩部分組成，把兩者受力的優點結合在一起，能夠很好地在高速公路路塹高邊坡加固處治中發揮作用，并有效解決坡體的穩定性及邊坡淺表病害。預應力錨索肋板墻由于其結構體系的復雜性，工作機理和受力特性尚不夠明確，理論研究滯后于工程應用。

孫庚華[1]在洛湛鐵路某陡坡路基的施工過程中，在深路塹高陡邊坡采用了預應力錨索樁板墻治理方案，為軟巖以上地質地礦土體支護提供了寶貴經驗。吳定略[2]對梅州至河源高速公路某段的預應力錨索樁板墻支擋從方案選擇到施工細則進行詳盡的介紹，加固效果明顯。針對云南紅河州某二級公路某一段由于局部斷落表層碎石、路基無法形成這一問題，羅維宏[3]采用了預應力錨索樁板墻和框架錨桿支護等綜合處理措施。

本文針對某高速公路路塹邊坡淺層山體滑塌現狀，在邊坡施工條件受限情況下，采用預應力錨索肋板墻對該段高邊坡進行加固處治。結合工程實例，介紹邊坡穩定性分析過程、預應力錨索肋板墻設計參數計算及預應力肋板墻施工要點，為類似工程提供參考。

2 工程概況

某高速公路K1182+200 至K1182+250 段左側邊坡為一級公路高速化改造施工開挖形成，改造后該段邊坡高度約為20m～40m，邊坡開挖范圍內大部分為中風化鈣質灰巖、炭質片巖，在建設期已采用噴射混凝土防護，局部地形陡峭路段采用錨索框架梁加固。

該段邊坡滑塌區域為坡腳處邊坡發生滑塌，經調查，滑塌體沿路線縱向寬度約為30m，淺層滑塌體自下而上發生較大位移，前后緣可見長度約為30m，滑塌堆積體厚度最大約6m，滑塌體積約為2500m3。

3 地質條件

3.1 地形地貌

該段邊坡屬中低山丘陵地貌區，山體呈東南走向，山間溝谷多呈“V”字型，自然地面較為陡峭，植被覆蓋較少，自然坡度70°～80°，相對高差150m～200m，高差極大。

3.2 地層巖性

該段邊坡地層主要由黃褐色第四系殘積層、灰白色石炭系鈣質灰巖、灰黑色炭質灰巖和灰青色炭質頁巖等組成，巖層節理裂隙發育，巖體破碎[4]。巖層結構面產狀155 ∠63°（K1182+200 至K1182+250 段）和315 ∠25°，經地球引力的作用，巖體互相擠壓，造成巖體出現多組節理、裂隙和不連續的構造面。塌方邊坡坡向為140°，傾角為50°～60°，巖層傾向與邊坡坡向基本一致，易產生順層滑塌。

3.3 地質構造及地震

該段邊坡影響范圍內未見斷裂構造。在石炭紀以前，受到區域斷裂活動影響，邊坡發育有連續褶皺，在區域構造作用下，巖層受到推擠作用跡象明顯。經現場調查，該段邊坡有連續向斜/背斜發育，滑塌邊坡位于背斜核部，在長期風化作用下，灰巖節理面發生變質軟化，巖體強度極低。該地區地震基本烈度為Ⅵ度，設計時不予考慮地震工況。

3.4 水文地質條件

該段邊坡區域氣候溫和，降雨較多且集中在4～8月份，占全年降雨量的70%以上，最大年降雨量為3139mm。本區主要水文地質類型是巖溶水，水量豐沛，地表、地下巖溶發育，補給水來源主要為大氣降水。

4 邊坡工程穩定性分析

根據現場地質調查、建設期地質勘查資料，并輔助監測手段對該段邊坡進行穩定性調查分析。

4.1 滑塌體成因分析

4.1.1 地形地貌條件

該段滑塌邊坡為高陡邊坡，相對高差大，為邊坡滑塌形成了臨空面，加之巖體碎裂，為滑塌發育提供了條件。

4.1.2 地質構造原因

該段邊坡在區域構造作用下，巖層受到推擠，根據現場調查，該段邊坡有連續向斜/背斜發育且位于背斜（向斜）核部，在地質構造推擠作用下，核部巖體極易碎裂；在長期風化作用下，灰巖節理面發生變質軟化是造成本次巖質滑坡發育的主要內在原因。

4.1.3 邊坡所在區域巖體特性

①灰質灰巖下伏的鈣質灰巖在構造擠壓作用下發生完全碎裂，雁型節理密集發育，節理交錯切割巖體，在早期擠壓構造作用、后期物理風化作用和巖體變質作用強烈等條件下，造成該部分鈣質巖體強度急劇下降。

②鈣質灰巖，夾雜有煤線（碳質軟巖），該種夾層為極軟夾層，含碳量極高，光滑，雖為極薄層，但對該段邊坡失穩具有一定影響。

③發育崩滑段巖體位于構造核部/側翼位置，巖體節理裂隙極其發育且被破壞，因此邊坡強度實際上是由巖體上的結構面控制的。三組以上的節理面將巖體切割成了碎塊狀，形成了貫通面，而坡腳有很好的臨空面，隨著風化作用加劇，該段邊坡表層發生滑動破壞。

4.1.4 強降雨

短時強降雨也是該段邊坡滑塌的主要誘因，強降雨伴隨的裂隙水急劇匯聚并填充在裂隙內，水壓力上升，導致結構面有效應力急劇下降，進而引發邊坡土體滑移。根據臨近已加固邊坡坡面錨索上安裝的錨索測力計采集的數據可以發現，強降雨發生后，錨索上拉力急劇上升，在降雨完成后兩到三天錨索拉力才逐步降至原有強度，這也表明，強降雨對該處邊坡穩定性影響極大。

4.2 邊坡穩定性分析評價

本次穩定性評價主要針對發生滑塌后滑塌體的母巖邊坡進行穩定性分析。

4.2.1 定性分析評價

現場調查發現，滑塌體后緣外側10m 范圍內分布有兩道張拉裂縫，裂縫長度約為12m，寬度約為3cm，受近期降雨影響，該張拉裂縫有進一步發展擴大趨勢，并有可能形成遷移式滑坡。

對該段邊坡所處的地質條件進行綜合分析，認為該段邊坡總體處于欠穩定狀態，在不利工況下，該段邊坡總體趨于不穩定狀態。

4.2.2 定量計算分析評價

目前針對邊坡穩定性分析的方法主要有Bishop法、Janbu法、Spencer法、Sarma法等[5]，Sarma法應用較為廣泛，且該方法適用于任意復雜形態的滑動面。Sarma法[6，7]是Sarma 在1979 年提出對滑坡體進行傾斜分條的極限平衡分析法，是極限平衡理論中較為先進的方法，其滑體可以非垂直條分，滑動面可以是任意形狀。

本文利用Sarma 改進法對該段高邊坡穩定性進行分析，求出安全系數，并與規定中穩定系數FS進行對比。當FS＜1 時，邊坡處于不穩定狀態；1≤FS＜1.05 時，邊坡處于欠穩定狀態；當1.05≤FS＜1.15時，邊坡處于基本穩定狀態；當FS≥1.15時，邊坡處于穩定狀態。

①計算方法。

綜合分析邊坡特征后，認為本段巖質邊坡后續發生滑塌滑動面為折線形，采用巖質邊坡Sarma 改進法進行安全技術分析計算。將巖質邊坡劃分為若干相對滑動的塊體，滑體的滑動形式如圖1 所示，力學分析模型如圖2所示。

圖1 滑體滑動形式簡圖

圖2 Sarma法力學模型

計算模型中Wi為塊體重量，Ki為臨界加速度系數，Xi、Ei為塊體側面上的切向及法向力，Ti、Ni為塊體結構面上的切向及法向力，α1為塊體結構面傾角，δi為塊體側面與垂直面的夾角，bi為塊體底面水平面上的投影長度，C′i分別為塊體底滑面和底側面的粘聚力，φi′分別為塊體底面和側面的摩擦角。

Sarma法的計算公式[8]見式（1）。

式中：

②穩定系數計算。

通過程序迭代計算，kC與F 呈單調遞減函數關系，如圖3 所示。用插值法可求出任意kC所對應的安全系數FS。

圖3 FS與kC函數關系

③計算參數的選取。

根據《工程巖體分級標準》（GB50218-2014）[9]及該段邊坡地質條件，綜合確定該段邊坡為Ⅲ級巖質邊坡，巖體完整程度為較完整，發生滑塌母巖巖體基本質量級別為Ⅳ級，結構面為硬性結構面3級，邊坡穩定性計算分析時，分別以天然工況和暴雨工況兩種工況進行穩定性計算，該段邊坡母巖強度重度、內摩察角取值見表1。

表1 巖土層參數表

通過Sarma 計算方法，可以得出天然工況下F=1.033，邊坡處于欠穩定狀態，暴雨工況下F=0.946，邊坡處于不穩定狀態。需要采取措施對該段邊坡進行加固處治。

5 方案設計及計算分析

5.1 鋼筋混凝土肋梁配筋計算

肋板墻按以肋柱為支座的簡支梁進行驗算，其計算跨度LO為兩肋中點的距離，土壓力荷載傳到擋土墻，擋土墻荷載傳遞到兩邊的肋柱，肋柱荷載傳遞到錨索。

①荷載取擋土墻所在位置土壓力的平均值，即q=（σ′+σn）×h/2

式中，q、σ、h 分別表示作用在肋梁上均布荷載（kN/m）、靜止土壓力（kN/m2）、兩肋梁間擋土墻寬度（m）。

②肋梁跨中最大彎矩為Mmax=qlp2/8，剪力Q=qlp/2，根據擋土板的內力進行配筋計算。

5.2 預應力錨索計算

①設計錨固力應根據邊坡下滑力確定，按公式（8）計算。

式中，Pd、E、φ、α和β分別表示設計錨固力（kN）、下滑力（kN）、滑動面內摩擦角（°）、錨索與滑動面相交處滑動面傾角（°）和錨索與水平面的夾角（°）。

根據該段地質情況，在飽和水狀態下，E 取值1141.3kN，φ 取值25°，α 取值40°，β 取值20°。通過計算，飽水狀態下Pd=1255.7kN。因此，選用飽水狀態下的下滑力作為需要錨固力的計算，每延米需要錨固力為1314.8kN。

由于錨索間距3m，縱向一排布12 孔錨索，經計算，錨索總所需錨固力為3767.1kN，單孔錨索設計錨固力為313.9kN。根據計算，單孔錨索設計錨固力采用400kN，每孔錨索采用4根鋼絞線。

②預應力錨索采用粘結型錨固體，錨固體的承載能力由注漿體與錨孔壁的粘結強度、錨索與注漿體的粘結強度及錨索強度三部分控制，設計時取其最小值[10]。

錨索總長度按公式（9）計算，

式中，Lr為地層與注漿體間粘結長度，m；

Lg為注漿體與錨索體間粘結長度，m；

Lw為錨索外露段長度，m；其長度參照相應規范進行取值。

根據公路路基設計規范[11]可知，地層與注漿體間粘結長度計算公式和注漿體與錨索體間粘結長度計算公式如下：

式中，K、ξ、d、dg、?rb、?b、n 分別表示安全系數、錨固體與地層粘結工作條件系數、錨固段鉆孔直徑（m）、錨索體材料直徑（m）、地層與注漿體間粘結強度（kPa）、注漿體與錨索體間粘結強度（kPa）、錨索體根數（根）。

根據該段地質情況及規范規定，在計算Lr時，K 取值1.8，ξ 取值1.0，d 取值0.13，?rb取值180kN。經計算，Lr=9.780m。

設計錨索年限大于兩年，采用M30 水泥砂漿，因此在計算Lg時，K 取值2.0，ξ 取值0.6，dg取值0.015m，?b取值2950kN，n取值4根。經計算，Lg=2.4m。

每孔錨索設計錨固力400kN，單根為100kN，經驗算，設計所采用鋼絞線滿足設計要求。

5.3 邊坡加固設計方案

采用在滑塌體區域設置錨索肋板墻的形式對邊坡坡腳面進行補填式支檔加固，避免上部巖體失去支撐后逐步、逐段發生滑塌。肋板墻采用C25 鋼筋混凝土澆筑，墻板厚40cm，間隔3m 設置一條縱肋條，肋寬0.4m，肋板墻嵌入坡腳0.5m，在肋條上縱向間隔3m 打設一根錨索，錨索長度20m，采用4 根Φ15.24 高強度低松弛鋼絞線，鉆孔直徑150mm，下傾20°，M30 水泥砂漿固結，錨索鎖定荷載為設計荷載80%。錨固段長度不小于10m，共計104根。

6 預應力錨索肋板墻施工

6.1 施工工藝流程圖

預應力錨索肋板墻施工工藝流程如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖

6.2 施工注意要點

①根據現場情況機械配合人工清理坡面，按照由上往下的順序進行坡面清理，在邊坡上部采取有效臨時措施后才可清理靠近坡腳位置的松土。

②坡面清理完成后按設計要求布設錨索孔位，錨索孔施鉆時，要控制設計角度，并經常檢查，不斷調整，控制角度差在設計允許范圍內。在錨索孔鉆孔過程中，遇到塌孔、縮孔等不良鉆進現象時，要立即停鉆，并采取措施對鉆孔進行固壁處理，并做好現場記錄。鉆進過程中，要記錄地層情況，如遇地下水和煤層等特殊情況，要做好記錄，如鉆到設計深度是煤層，則繼續鉆進，孔深需要穿過煤層2m～3m。

③錨索材料要按照設計要求采用高強度、低松弛應力鋼絞線，鋼絞線強度不得低于設計強度，錨索應采用切割機切割，禁止采用電焊切割。預應力錨索拉拔試驗應按照設計提供的參數分級施加荷載，由專門技術人員詳細記錄每級荷載下不同觀測時間的錨頭位移量。

④施工時先施工安裝錨索，再施工肋板墻，每一級肋板墻的擋土墻和肋柱同時現澆一次成型。在確保坡面穩定的情況下，采用從下往上現澆方式逐級施工肋板墻，直至全部防護完畢。肋板墻鋼筋綁扎時，鋼筋接頭需要錯開，同一截面鋼筋接頭數量要滿足設計及規范要求。模板要安裝牢固，可以利用已經安裝完成的錨索固定模板在坡面上。

⑤完善排水系統，減少雨水對坡體穩定性的影響。在邊坡坡面修建截水溝、急流槽，在坡腳修建排水溝，在肋板墻施工時預留疏干孔。肋板墻頂部需要嵌入坡體，防止雨水從肋板墻頂部滲入坡體，避免造成肋板墻內土壓力增大。排水溝開挖后地基土體松軟時，應對地基進行夯實處理。排水溝溝底應平順，排水暢通，急流槽應使排水溝水流與路基邊溝之間形成過渡。

7 邊坡監測

為指導該段高邊坡加固施工，了解邊坡穩定趨勢，需重視邊坡監測。該段邊坡監測分為兩個階段，第一階段是加固施工階段邊坡監測，第二階段是施工后1年內邊坡穩定性監測。第一階段主要以坡面調查、人工巡視、雨量觀測和地表位移監測為主，第二階段以邊坡表面位移監測和深部應力應變監測為主。由于施工階段為雨季，應加大雨量觀測頻率，設計確定每周雨量觀測頻率為3 次。在坡頂裂縫位置處及肋板墻頂部位置分別設置1處位移樁，在防護范圍選擇兩個斷面布錨索應力計，在施工錨索的同時在錨索上裝入應力計。在施工過程中，本邊坡最大橫向位移為15mm，縱向位移為11mm，監測變形趨于穩定，邊坡加固施工過程中較安全。

8 結語

①本文結合某高速公路高邊坡加固工程實例，通過詳細分析邊坡地質條件，利用巖質邊坡Sarma 改進法安全技術分析進行邊坡穩定性分析，確定邊坡穩定狀態，為選擇邊坡加固方案提供依據。

②公路高邊坡處于營運時期時，進行邊坡加固施工不僅要保障車輛通行暢通，而且要保障過往車輛通行安全，在選擇邊坡加固方案時要考慮施工條件的限制。實例證明，采用預應力錨索肋板墻加固方案受外界環境條件及地質條件受限較少，容易開展，能有效解決坡體的穩定性。本文還通過計算分析確定預應力錨索肋板墻設計參數，總結預應力錨桿肋板墻方案設計施工注意要點，為類似工程提供參考。

③不同地區的地質條件不同，在施工過程中要結合實際地質情況和外界條件的要求對設計方案進行調整，施工過程中做好邊坡監測，確保施工安全。