多雨山區深路塹錨索框架梁防護設計分析

朱榮卡

（深圳華粵城市建設工程設計有限公司粵西分公司，廣東 茂名 525000）

0 引 言

近年來，公路工程乃至城市市政道路工程建設范圍出現了新的變化。由于城市擴張越來越快，開發程度愈來愈高，用地越來越緊張，使得道路建設向更為復雜的地形區延伸。

本文通過粵北某山區公路改擴建工程的實例經驗，針對多雨山區道路設計尤其是深路塹邊坡防護采用錨索加固時，通過設計計算乃至具體方案設計論證，避免類似氣候環境采用錨索加固措施失效導致邊坡失穩的事故發生。

1 工程概況

粵北某山區一級公路改擴建工程為雙向六車道，橫斷面為：3.75 m（人行道）+5 m（非機動車道）+2 m（側綠化帶）+11.75 m（車行道）+5 m（中央綠化帶）+11.75 m（車行道）+2 m（側綠化帶）+5 m（非機動車道）+3.75 m（人行道）=50 m，由于原公路路線一處越嶺展線，西側為較為陡峭的巖質邊坡，東側為典型坡度較緩的巖土二元結構邊坡，改擴建方案沿著東側進行擴建，為了節省工程造價，該處節點對工程斷面有所壓縮調整。

該處現狀如下：擬建公路從山體坡腳通過，坡底最低標高122～138 m，坡頂最高標高為197.51 m，山體最大自然坡角約45°，山體植被發育，生長桉樹及各種灌木、蕨類植物。

經調查該區域氣候如下：屬中亞熱帶季風型氣候，區內氣候溫和，雨量充沛，大氣降水滲入為地下水的主要補給來源，經調查區內暴雨期內山洪爆發經常發生，對邊坡影響較大。

該節點平面見圖1。

圖1 節點平面布置圖

2 邊坡穩定分析

2.1 選用公式及理論

參考公路設計習慣以及《公路路基設計規范》，本文采用圓弧滑動面邊坡穩定計算，其中簡化畢肖普法作為公路部門推薦方法。參考相關文獻，該方法是比較簡單實用，適合作為工程設計人員使用的方法。

簡化畢肖普法公式如下：

式中：K 為整個滑體剩余下滑力計算的安全系數；b為單個土條的寬度，m；W 為條塊重力，kN，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；θ 為條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，°；C、φ 為土的抗剪強度指標，采用總應力法時，取總應力指標，采用有效應力法時，取有效應力指標。

2.2 邊坡等級、計算工況以及安全系數取值

根據初步放坡方案高度測算，該項目按巖質邊坡已經超過30 m，坡腳下為一級公路，南側坡腳下接公路大橋，路線縱坡4%，南低北高，破壞后果非常嚴重，所以邊坡安全等級為一級。

根據《公路路基設計規范》（JTG 30—2015），路塹邊坡穩定安全系數見表1。

表1 路塹邊坡穩定安全系數控制表

其中正常工況：邊坡處于天然狀態下工況

非正常工況I：邊坡處于暴雨或者連續降雨狀態下的工況。

根據《公路工程抗震規范》（JTG B02）由于該地區基本地震動峰值加速度為0.05g，對應原地震基本烈度為VI 度，總體處于建筑抗震一般地段。所以非正常工況II——邊坡處于地震等荷載作用狀態下的工況不需要驗算。

綜上所述，結合工點邊坡安全等級，該工點安全系數取值如下：

正常工況安全穩定系數須在1.3 以上；

非正常工況I 安全穩定系數須在1.2 以上。

2.3 工點地質條件、土層揭露以及物理力學性質

該工點地質剖面見圖2。

圖2 地質剖面圖

土層揭露如下：

（1）殘積（Qel）4-1-1 砂質黏性土:灰褐色，硬塑，主要由粉黏粒組成；

（2）燕山期（γ）花崗巖

5-1 全風化花崗巖：淺灰黃色，結構基本破壞，呈砂土狀；

6-1 強風化花崗巖：黃褐色，結構大部分已破壞，巖芯呈砂土狀，局部夾強風化巖塊。

6-1-1 強風化花崗巖：灰黃色，裂隙發育，巖芯呈塊狀，局部夾半巖半土狀。

7-1 中風化花崗巖: 灰色，巖體裂隙發育，巖芯塊狀為主，巖質硬，聲較脆。

根據地質勘探資料該位置深路塹工點說明顯示，該處地基土層物理力學性質指標見表2。

表2 地勘土體參數表

2.4 放坡方案以及初步計算結果

該節點放坡方案如下：每隔10 m 一級，其中第一級放坡坡率采用1∶0.75；第二、三級放坡坡率采用1∶1；第四級放坡坡率采用1∶1.25；第五、六級放坡坡率采用1∶1.5，見圖3。

圖3 路基橫斷面設計圖（一）

經采用簡化畢肖普法計算，巖土計算參數見表3。

表3 巖土參數取值表

計算結果如下：

正常工況下，滑動安全系數=1.27；

非正常工況I 下，滑動安全系數=1.085；

以上取值根據該山區環境下進行了充分考量，根據計算結果未能滿足設計要求。同時針對該地質剖面，類似于順層滑動，需要對邊坡進行加固設計。

2.4 采用加固方案計算結果

根據上述計算滑動面位置，本工程提出采用預應力錨索+ 框架梁進行主動加固的設計方案，其中加固方案如下：

第三、四、五級加固：采用預應力錨索+ 框架梁防護，其中采用φ150 錨索，長25 m，主筋6×φ15.2，錨固段8 m，設計抗拔力600 kN，傾角為25°，見圖4。

圖4 路基橫斷面設計圖（二）

采用簡化畢肖普法計算，采用上述巖土參數，經過加固處理以及泄水措施后，調整了6-1 強風化層內摩擦角為27°（非正常工況I），計算結果如下：

正常工況下，滑動安全系數= 1.415；

非正常工況I 下，滑動安全系數= 1.219；

滿足設計要求。

2.5 工程方案應用

通過以上計算結果，深路塹采用預應力錨索框架梁防護可以滿足設計要求，從而得出可行工程方案。實際應用中應注意以下幾點：

（1）在多雨山區環境中，如何模擬暴雨工況使得計算更滿足實際要求。本工程主要計算指標粘聚力C 以及內摩擦角φ 采用直接快剪的方式，計算采用總應力法進行計算，天然狀態下，土層含水率為18%～32%，為了模擬暴雨工況，根據工程經驗，對關鍵土層的主要計算指標粘聚力C 以及內摩擦角φ 進行折減，一般情況下內摩擦角φ 折減10%，本工程考慮多雨山區，山洪時常爆發，根據氣候環境對最不利土層內摩擦角φ 折減15%。

（2）在多雨山區環境中，采用預應力錨索的同時，對錨索的防腐進行加強考慮，由于地表水下滲比其他環境中更為厲害，所以本工程采用無粘結鋼絞線預應力錨索，由原來的拉力集中型錨索改為應力分散型錨索，有效避免在這種環境中由于腐蝕失效的情況。

（3）在多雨山區環境中，增強排水設施設計，如在重要程度較高的路段，增大截水溝尺寸，增大路塹坡腳排水邊溝尺寸，增大急流槽尺寸等等，使得減少瞬時沖刷對錨索加固防護的影響。

3 總結分析

（1）在類似地質剖面巖土二相邊坡設計計算，特別需要注意的問題是，設計當中不能僅僅采用圓弧法進行計算，還應根據類似土層分布采用折線法進行設計驗算復核，避免由于雨水下滲沿著土層分界進行滑移。計算結果兩種方法當中取最不利作為計算結果。

（2）在多雨山區環境中類似的地質剖面進行加固設計，尤其采用預應力錨索+ 框架梁進行防護設計時，需要重點關注的關鍵技術是預應力錨索失效問題以及施工質量控制，設計既要考慮采用類似于無黏結后張預應力法，又要考慮施工質量問題，詳細質量控制指標進行說明。同時增強泄水管布置以及路基排水設計，使得路基邊坡設計更加安全。

（3）在多雨山區環境中，結合設計計算，本工程設計采用無粘結鋼絞線預應力錨索+ 框架梁主動加固防護，通過以上邊坡穩定分析，本工程設計方案基本滿足路基邊坡防護設計要求，達到設計預期效果。