某高速公路邊坡滑塌處治設計研究

王啟葉楠,周 舟

(浙江數智交院科技股份有限公司 杭州市 310031)

1 工程概況

某高速公路右側路塹邊坡原設計為六級邊坡,第一級為仰斜式擋墻,墻高2m,第二級～第五級坡率為1:1.5,第六級坡率為1:2,單級坡高10m,第二級～六級邊坡的防護方案均為錨桿框格梁結合厚層基材防護。該處邊坡在開挖至第四級時產生滑塌,滑塌變形破壞形式主要表現為坡體向路線中心線方向的滑塌、下錯,前緣鼓出口位于第四級坡坡腳,滑塌后壁位于第五級坡中間偏上位置。發生滑塌的巖土體大部分位于第四級邊坡,第五級坡淺表層巖土體受到牽引而滑塌、變形從而造成了部分已經施工的框格梁拉裂、斷開。

2 工程地質條件

根據地質資料及現場地質調查判斷,該段邊坡巖體整體受剪切構造作用強烈,表現為巖石風化程度高,全強風化深度大,節理裂隙發育～極發育,巖體完整性差。其中有一條帶狀范圍內的巖體受構造影響表現得尤其明顯,控制該段特別破碎巖體的結構面產狀為6°∠80°,與線路斜交。從第四級邊坡開挖面上揭示,該段特別破碎巖體與周圍一般破碎巖體相比,風化程度更為強烈,巖體更為破碎,呈碎石夾土、散體狀。隨著開挖深度的加大,兩者之間界限趨于模糊,巖體破碎程度的差異變小,總體上呈碎裂、碎裂鑲嵌結構,橫斷面圖見圖1。

圖1 邊坡地質工點橫斷面圖

3 滑塌原因分析

通過現場工程地質調查,結合勘察階段的鉆探、試驗等進行分析,本次滑塌主要有以下幾點原因:

(1)地層巖性

地層巖性條件是構成滑塌的內在因素。滑塌體主要由前述特別破碎的全風化巖體組成,呈土夾碎石、碎石夾土狀,結構松散,工程地質條件較差,飽和狀態下,容重增大,抗剪強度降低。

(2)降水作用

降水是促使滑塌形成的重要激發因素。本項目所在區域屬于亞熱帶氣候,降雨充沛,邊坡開挖正值9月份降雨期間,大量雨水滲入坡體,增大巖土體的容重,使淺表層巖土體處于飽水狀態,強度急劇降低,且由于下伏強～中風化基巖相較全風化巖富水性、導水性差,風化界線形成了相對隔水層,地下水沿著相對隔水層底板向前緣坡腳發生滲流,隨著地下水位線的上升,孔隙水壓力和動水壓力大大增加,增加了下滑力[1-2],致使邊坡發生變形破壞。

4 滑塌處治設計

4.1 邊坡巖土體物理力學參數

通過工程地質調繪、土工試驗[3]、參數反算[4-5]等方法綜合確定巖土體參數,見表1。

表1 巖土物理力學參數表

4.2 滑坡推力計算

該處邊坡滑塌體的前后緣均已揭露明確,可推斷出滑塌面,故采用傳遞系數法即式(1)、式(2)計算剩余下滑力[6]。

Ti=KSWisinαi-Wicosαitanφi-ciLi+ψiTi-1

(1)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中:Ti為第i塊滑塊剩余下滑力(kN/m);Ks為穩定安全系數,對于正常工況取1.30,非正常工況I取1.20;Wi為第i滑塊的自重力(kN/m);αi為第i滑塊對應滑面的傾角;φi為第i滑塊滑面內摩擦角;ci為第i滑塊滑面粘聚力(kPa);Li為第i滑塊滑面長度(m);ψi為傳遞系數。

計算得到正常工況下的剩余下滑力為142kN/m;非正常工況I下的剩余下滑力為460kN/m。本項目所在區域地震峰值加速度為0.05g,無需做地震工況驗算[7]。

4.3 邊坡加固設計

考慮到該處邊坡部分已施工的錨桿框格梁存在斷裂現象,需對其加強防護,擬采用預應力錨索進行加固處理,錨索采用5根Φ15.24mm1860級鋼絞線,錨索豎向及橫向間距均為3m,鉆孔直徑為15cm。

4.3.1設計錨固力計算

根據上文計算結果,錨索應承擔的總抗滑力為460kN/m。錨索橫向、豎向間距均為3m,單級坡豎向可打設3根錨索,考慮先施工第四級坡錨索,錨索承擔的下滑力先期均由該級坡錨索承擔,因此單根錨索需承擔的抗滑力為:

E=460×3/3=460kN

(3)

根據《公路路基設計規范》[8]中的式5.5.4,計算得到單根錨索的設計錨固力為:

(4)

式中:α、β、Φ分別為錨桿與滑動面相交處滑動面傾角、錨桿與水平面夾角、滑動面內摩擦角,分別取20°、20°、13°。

4.3.2錨索截面積驗算

根據《公路路基設計規范》[8]中的式5.5.5計算錨索體最小截面積:

(5)

式中:K1為安全系數,根據《公路路基設計規范》表5.5.6-4取2.0;Fptk為錨桿體材料抗拉強度標準值,對于1860級鋼絞線取值1860MPa,以上數值帶入式(5)計算得到A=5.4×10-4m2。

單根Φ15.24mm鋼絞線的截面積為1.4×10-4m2[9],本次采用5根上述鋼絞線,因此總截面面積為7×10-4m2,大于上述錨索體最小截面面積,滿足要求。

4.3.3設計錨固長度計算

根據《公路路基設計規范》[8]中的式5.5.6-1計算地層與注漿體間的黏結長度:

(6)

式中:K2為安全系數,根據《公路路基設計規范》表5.5.6-4取2.2;d為鉆孔直徑,取15cm;frb為地層與注漿間粘結強度設計值,錨索體按進入強風化巖控制,根據表5.5.6-1frb取300kPa,以上數值帶入式(6)計算得到Lr=7.8m,即錨索體進入強風化巖應不小于7.8m。

根據《公路路基設計規范》式5.5.6-2計算注漿體與錨索體間的黏結長度:

(7)

式中:n為錨索鋼絞線根數,取5;dg為錨索鋼絞線直徑,取0.01524m;fb為注漿體與錨索體間粘結強度,注漿體采用M30水泥砂漿強度,根據《公路路基設計規范》表5.5.6-3,取2950kPa。以上數值帶入式(7)計算得到Lg=2m。設計錨固長度(即進入強風化巖的長度)應同時滿足不小于Lr和Lg,且錨索應打穿構造破碎帶,綜上所述本次錨索設計長度取25m。

4.3.4滑塌區處理及加固設計

對于滑塌區松散的土體進行清理并人工夯實,外部采用70cm厚漿砌片石封面,對已破壞的框格梁進行鑿除新建,而后進行施工錨索。考慮到邊坡第四級～第五級均位于破碎帶或全風化巖層中,為加強對邊坡的防護,設計對第四級～第五級邊坡均采用打設錨索加固,錨索打設于框格豎梁。第一級坡仍維持原擋墻設計,第二級～第三級坡仍維持原錨桿框格梁設計,加固后典型橫斷面設計圖見圖2。

4.2.5加固后邊坡穩定性驗算

通過有限元軟件對采用錨索加固的邊坡進行穩定安全性驗算,取全段面開挖后的最不利斷面,計算得到正常工況下穩定安全系數為1.47,非正常工況I條件下的穩定安全系數為1.31,滿足規范要求。計算結果云圖見圖3。

圖3 采用錨索加固后的全斷面開挖邊坡穩定性計算結果云圖

5 結語

邊坡滑塌處治的方案多樣,對于地質條件復雜、巖層性質較差的邊坡滑塌,采用錨索加固是較為可靠的處治方案。文章以實際工程案例為背景,介紹了錨索加固邊坡的設計方法,可為類似工程項目提供參考。