譚彬建,俞 敏,息 飏,黃定平

(1.廣西桂林水文工程地質(zhì)勘察院,廣西桂林 541002;2.廣西地礦建設(shè)工程有限公司,廣西南寧530023;3.永福縣國土局,廣西永福 541800）

桂柳高速公路邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固方案設(shè)計

譚彬建1,俞 敏1,息 飏2,黃定平3

(1.廣西桂林水文工程地質(zhì)勘察院,廣西桂林 541002;2.廣西地礦建設(shè)工程有限公司,廣西南寧530023;3.永福縣國土局,廣西永福 541800）

本設(shè)計為桂柳高速公路K444+710～822上行線邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固方案設(shè)計。通過對不穩(wěn)定邊坡區(qū)的地貌及巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征、氣候及水文地質(zhì)條件以及邊坡變形破壞形成機(jī)制分析,簡單的進(jìn)行邊坡加固方案論證并提出最佳的加固方案,對該方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。經(jīng)過多個雨季的考驗,證明所提出的加固方案科學(xué)可行。

邊坡加固;預(yù)應(yīng)力錨索;桂柳高速公路

由于廣西地貌特征較特殊,桂柳高速公路大部分路段不得不穿越低山丘陵地帶。深挖方和高填方路基極常見,形成許多大小不一的人工高邊坡。

桂柳高速公路建成使用幾年后,由于邊坡復(fù)雜、特殊的工程地質(zhì)條件加上氣候等外界因素的影響,常發(fā)生邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象,對高速公路正常營運(yùn)和行車安全構(gòu)成極大威脅。

1 工程地質(zhì)條件與環(huán)境條件

1.1 地貌及巖性

桂柳高速公路K444+712～822上行線路段邊坡原始地貌為構(gòu)造剝蝕低山丘陵,山高坡陡,自然坡度25°～45°,高差30～120 m。

邊坡屬巖質(zhì)邊坡,坡頂為坡殘積碎石土覆蓋。邊坡出露地層為泥盆系上統(tǒng)郁江組上段(D2y2）,巖性主要為泥質(zhì)細(xì)砂巖,泥質(zhì)粉砂巖及泥巖(夾層）組成,泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖厚度10～50 cm,泥巖厚度2～10 cm,其組合厚度12～60 cm。就巖性而言,泥巖較泥質(zhì)細(xì)砂、粉砂巖對邊坡穩(wěn)定性的影響較大,由于邊坡泥巖多以薄層狀軟弱夾層形態(tài)(厚2～ 10 cm）產(chǎn)出于泥質(zhì)細(xì)砂、粉砂巖層之間,形成軟硬相間的地層組合,在一定的坡型條件下,邊坡巖體更易沿泥巖這一軟弱層產(chǎn)生破壞。

1.2 氣候、水文地質(zhì)條件

該路段邊坡處于區(qū)域地下水位之上,受區(qū)域地下水的影響不大,但邊坡內(nèi)松散的含碎石粉質(zhì)粘土和中～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖中孔隙、裂隙較發(fā)育,具中等透水性;泥巖雖然裂隙發(fā)育,但多被充填,呈弱透水性,為相對隔水層,由于坡頂截排地表水的天溝損壞失效,水流較易滲入裂隙發(fā)育的泥質(zhì)粉砂、細(xì)砂巖中,向下滲透流動,受弱透水層泥巖阻隔時,形成上層滯水,部分地下水沿裂隙向深部滲透,部分沿泥巖層面排出。

根據(jù)對邊坡變形破壞與降雨量關(guān)系的調(diào)查分析,降雨量相對集中的時段,邊坡變形破壞發(fā)生和發(fā)展的可能性越大;而降雨量較小的時段,邊坡變形破壞發(fā)生和發(fā)展的可能性則相對較小。

1.3 邊坡變形破壞形成機(jī)制分析

該路段邊坡變形破壞形成機(jī)制主要是受巖層層面控制的平面型破壞,結(jié)合野外調(diào)查及錨索孔資料,邊坡變形破壞為滑移～彎曲型。其形成機(jī)制主要是中厚層泥質(zhì)粉細(xì)砂巖夾薄層泥巖巖體沿其泥巖與粉砂、細(xì)砂巖層面向下滑動,由于下部受阻,在順滑移方向的壓應(yīng)力作用下發(fā)生縱彎曲變形,首先是在彎曲部位出現(xiàn)順層拉裂面,局部地段巖石被壓碎,坡面輕微隆起,巖體出現(xiàn)松動,并伴隨著降水滲入,引起一系列的不良作用(見圖1）。

圖1 K444+710～822上行線滑坡過程示意圖

2 邊坡加固方案分析

K444+710～822上行線邊坡危巖有以下特點(diǎn):

(1）危巖體高懸,一般的支擋措施難以湊效。該邊坡高度大(36～45 m）,坡度陡(53°～65°）,滑動面埋藏深(6～12 m）,采用一般的支擋結(jié)構(gòu)(重力式擋土墻、托盤式擋土墻、懸臂式擋土墻、抗滑樁等）難以治理。

(2）下方有公路等構(gòu)筑物,一般爆破不能保證已有構(gòu)筑物的安全,而控制爆破也存在對邊坡的防護(hù)問題,且費(fèi)用較高。

鑒于以上分析,采用預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)加固危巖不失為一種便捷而安全的措施,輔助以錨桿、嵌補(bǔ)支頂、掛網(wǎng)、施打泄水孔和修復(fù)天溝等措施進(jìn)行綜合加固治理。

3 滑坡剩余推力計算

為給設(shè)計加固工程提供定量數(shù)據(jù),在滑坡形成機(jī)制分析、巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定后,選擇K444+740、K444+783.5、K444+801三條平行剖面進(jìn)行剩余推力計算。計算公式如下:

按有關(guān)經(jīng)驗,工程安全等級為一級的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)大于1.25,而計算的各斷面穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.25,所以K444+710～822邊坡穩(wěn)定程度低,特別是雨季時處于不穩(wěn)定狀態(tài),需加固處理以確保安全。

其作用于滑塊的基本力系見圖2,由類似工程經(jīng)驗值及上述計算公式,各斷面滑體剩余下滑力結(jié)果見表1。

圖2 作用于滑塊的基本力系

表1 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果一覽表

4 錨索設(shè)計

4.1 錨固類型的選擇

根據(jù)野外查明的邊坡工程地質(zhì)條件、邊坡變形破壞特征和穩(wěn)定性計算結(jié)果,結(jié)合鄰近工程的設(shè)計、試驗和施工經(jīng)驗,該邊坡采用錨孔為圓柱狀,結(jié)構(gòu)受力形式為拉-壓混合型。

4.2 錨索抗拔力、傾角及錨固力的確定

根據(jù)邊坡巖性及滑坡現(xiàn)狀、滑坡剩余推力值、施工條件,選擇抗拔力為500 kN、便于施工的小噸位錨索,按3.5 m×8 m或3.5 m×10 m(寬×高）等間距布置,目的是使之在整個坡面以及其上部危巖體形成一個均勻受壓面。

4.2.1 錨索抗拔力的確定

錨索提供的抗拔力為:

若滑裂面的傾角為θ,則θ=α±β,將式(1）取α的一階導(dǎo)數(shù),并令其等于0,錨索可獲得最大抗滑力P抗max:

由式(2）可知,理論上500 kN級錨索可獲得大于500 kN的抗滑力。

4.2.2 錨索傾角的確定

從經(jīng)濟(jì)性角度上對鉆孔傾角的選擇作詳細(xì)介紹。設(shè)錨索孔口至滑裂面垂直距離為H,則索長(不計錨固段長度）L=H/sinα。令α=36°,對500 kN級錨索可獲得最大抗滑力為618 kN,L=1.7H,即錨索長度為垂直滑面距離的1.7倍。同樣情況下,垂直于滑裂面布置錨索最短,其抗滑力為:

由此,當(dāng)α=φ時,可獲得最大抗滑力,但錨索過長;α=90°時,錨索最短,但抗滑力最小。因此必然存在一個最優(yōu)錨索與滑裂面夾角,可使錨索不至太長,又可獲得滿意抗滑力,該角度為(參見圖3）:

圖3 錨索傾角計算圖

4.2.3 錨索錨固力的確定

以K444+783.5斷面為例,其剩余下滑力(錨索縱向間距為3.5 m）T=460×3.5=1610 kN,平均錨固角α=63°,滑面綜合內(nèi)摩擦角φ=36°,荷載安全系數(shù)K0=1.2,所需錨固力為:

該斷面共布置5根500 kN錨索,可提供錨固力2500 kN,大于1754 kN,滿足要求。

根據(jù)表1中的剩余下滑力值,用上述公式可算出:

K444+740斷面,錨固力為1243 kN,應(yīng)布置3根500 kN錨索,可提供1500 kN的錨固力,滿足要求;

K444+801斷面,錨固力為1373 kN,應(yīng)布置4根500 kN錨索,可提供2000 kN的錨固力,滿足要求。

根據(jù)以上設(shè)計,在112 m寬、36～45 m高范圍內(nèi)共布置3～5排預(yù)應(yīng)力錨索,確定共布置121根預(yù)應(yīng)力錨索,具體布置見圖4。

圖4 橫斷面設(shè)計示意圖

4.3 錨索體材料及截面確定

錨索(桿）的拉桿應(yīng)采用高強(qiáng)度材料,如鋼絞線、高強(qiáng)度鋼絲或高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋等。在本邊坡錨固工程中均采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

4.3.1 錨索設(shè)計的軸向拉應(yīng)力確定

錨索的設(shè)計軸向拉應(yīng)力以下式計算:

由于國內(nèi)錨索設(shè)計和施工規(guī)范尚未正式頒布,因而安全系數(shù)取值常采用工程類比法。K444邊坡錨固工程采用K設(shè)=0.5～0.6,安全儲備較高。

4.3.2 錨索體截面積及鋼絞線根數(shù)的確定

錨索體截面積采用下式計算:

即該錨索應(yīng)使用4根鋼絞線。

4.4 錨索注漿體與地層之間粘結(jié)長度的確定

錨索錨固段漿體與地層界面間的粘結(jié)力受諸多因素制約,包括巖石的強(qiáng)度、漿體類型和強(qiáng)度、錨索類型、錨固段結(jié)構(gòu)形式及施工工藝等,錨固段長度的確定按下式計算:

根據(jù)類似工程的試驗結(jié)果及施工經(jīng)驗,其水泥砂漿與孔壁設(shè)計粘結(jié)強(qiáng)度取值C=0.6 MPa,安全系數(shù)Sf=3.0,計算得錨固漿體與地層之間粘結(jié)長度Lm1=6.1～6.7 m。

4.5 錨索錨固漿體與錨索體之間的粘結(jié)長度計算

錨固漿體的漿液及灌注質(zhì)量,直接影響錨索的錨固能力及耐久性,按握裹作用計算錨固段長度采用下式:

計算得Lm2=5.2 m。

4.6 錨固段、張拉段長度及錨固深度的確定

4.6.1 錨固段長度

錨固段最佳長度與粘結(jié)力分布范圍、地層類型及錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計值有關(guān)。在確定錨索錨固段長度時,應(yīng)具體分析錨固段所處地層情況,為安全起見,都要對錨索結(jié)合長度和握裹長度分別計算,設(shè)計時實際錨固段長度應(yīng)取較大值。因Lm1(6.1～6.7 m） >Lm2(5.2 m）,所以錨固段長度取Lm1。

錨固段置于最深層滑動面之下,其孔壁巖性為中～微風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)、粉砂巖夾薄層泥巖,是良好的錨固基礎(chǔ),為防止弱風(fēng)化泥巖夾層受水軟化形成新的滑面,以及局部由節(jié)理切割的巖體承受拉力后松動,錨固段實際設(shè)計長度為1010 m。

4.6.2 張拉段長度

錨索張拉段長度根據(jù)錨索與滑移面、邊坡面交點(diǎn)距離確定,其考慮因素包括:(1）按前述的最經(jīng)濟(jì)傾角計算法計算;(2）為保證被錨固地層的穩(wěn)定性、錨固段的可靠性,防止錨固段頂端出現(xiàn)嚴(yán)重張拉區(qū); (3）自由段底端一般要超過破裂面1.0 m且自由段長度不宜小于5.0 m。K444邊坡加固工程滑動面埋深6～12 m,張拉自由段長度7.3～16.3 m,滿足要求。

4.6.3 錨固深度

錨固深度是指穩(wěn)定地層表面至錨固段中點(diǎn)的地層厚度,計算公式為:

該邊坡主要軟弱結(jié)構(gòu)面地層埋深(12.3～21.3 m）均大于計算的錨固深度(h=9.6 m）。

4.7 錨索型式和防腐措施的確定

4.7.1 錨索型式

工程采用拉-壓混合結(jié)構(gòu)類型錨索,每束錨索由4根“15124 mm鋼絞線制成。錨固段內(nèi)剝?nèi)E套管保護(hù)層,并擦凈油脂,自由段保留PE套管保護(hù)層,鋼絞線間用波紋管制成的支承架固定,以使錨索體居中,并使各股鋼絞線相互分離,底端用鋼板和擠壓套“握裹”鋼絞線,形成P型內(nèi)錨具,焊接錐形導(dǎo)向帽,以方便錨索推送到位。

外錨頭由十字形槽鋼承臺、錨具、承壓板構(gòu)成。

4.7.2 承臺

承臺是按錨具的集中荷載均勻地傳到巖石面的構(gòu)件,其底面積大小主要取決于錨索設(shè)計錨固力和地基容許承載力[δ0],采用下式計算:

計算得F=0.5 m2,而采用的承臺底面積S= 112×0.25+0.95×0.25=0.54 m2,S>F,滿足要求。

十字形承臺為一較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系,應(yīng)考慮十字交叉梁與巖體的共同作用。本工程采用了簡化方法,分析方法的關(guān)鍵在于如何進(jìn)行交叉點(diǎn)處荷載的分配,一旦確定荷載的分配值,交叉型承臺分別按縱、橫兩個方向的梁計算。按照上述方法進(jìn)行荷載分配后,可分別按縱、橫兩個方向?qū)Σ垆搹?qiáng)度進(jìn)行驗算,但這樣計算,在交叉點(diǎn)處基底重疊部分面積重復(fù)計算了一次,結(jié)果使地基反力減少,致使計算結(jié)果偏于不安全,故在節(jié)點(diǎn)荷載分配后還需進(jìn)行調(diào)整。

5 錨固效果與社會效益評估

K444+710～822上行線邊坡錨固工程于2000年5月9日全部竣工。到目前為止,經(jīng)歷了多個雨季的考驗。通過設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)對坡面裂隙及擋土墻裂隙進(jìn)行觀察、監(jiān)測,均無發(fā)展趨勢;對各錨索承臺控制點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果分析說明,其變形位移量較少。預(yù)應(yīng)力觀測表明,其賦存的預(yù)應(yīng)力除隨氣候條件改變而變化外,沒有預(yù)應(yīng)力持續(xù)損失現(xiàn)象,說明錨索已發(fā)揮加固作用。邊坡加固后的效果見圖5。

圖5 邊坡加固效果

K444+710～822上行線邊坡加固工程中采用預(yù)應(yīng)力錨索、普通錨桿,結(jié)合掛網(wǎng)、排水等綜合整治措施(見圖5）,不僅結(jié)構(gòu)合理,工程造價較低,與環(huán)境協(xié)調(diào),而且施工速度快,不影響公路運(yùn)營。其技術(shù)成果可以推廣到區(qū)內(nèi)外類似地區(qū),也可提供給高速公路和重點(diǎn)工程項目選線(址）設(shè)計和建設(shè)中的高(超高）邊坡加固治理工程參考之用。施工中所采用的技術(shù)方法、施工工藝和組織管理經(jīng)驗也有一定的借鑒價值。

6 結(jié)語

該邊坡加固工程采用了拉-壓混合型錨索,該錨索在拉力型錨索的基礎(chǔ)上增加了內(nèi)錨板,很大程度上改變了錨索的受力條件,改變了錨索工作狀態(tài),增加了錨索的安全度。該邊坡加固工程證明,預(yù)應(yīng)力錨索治理高陡邊坡,充分利用了錨固技術(shù)靈活多樣的特點(diǎn),且針對性強(qiáng),工程造價低廉,施工速度快,干擾少,適應(yīng)性廣,是一項值得大力推廣的邊坡加固治理措施。

[1] 俞敏,等.桂柳高速公路K420～450路段地質(zhì)災(zāi)害勘查及預(yù)應(yīng)力錨索錨固體系試驗研究[R].2001.

[2] 李傳珠,等.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁錨索錨固力形成機(jī)理及錨索設(shè)計拉力的確定[A].一九八七年全國滑坡學(xué)術(shù)討論會滑坡論文選集[C].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1996.

[3] 華代清.漫灣水電站邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計的幾個問題[A].巖土錨固工程技術(shù)[C].北京:人民交通出版社,1996.

[4] 馮學(xué)知,李恒寶.超深預(yù)應(yīng)力錨索在三峽庫區(qū)滑坡治理工程中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(10）.

[5] 俞敏,李旺珍,胡華敏,等.預(yù)應(yīng)力錨索在公路高陡邊坡加固整治工程中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2006,33(8）.

Design of Pre2stressed Anchor Cable Re inforcement for Side Slope of Guilin-L iuzhou Highway

TAN B in-jian1,YU M in1,XI Yang2,HUANG D ing-ping3(1.Guangxi Guilin Institute of Hydrogeology and Engineering Geology Prospecting, Guilin Guangxi541002,China;2.Guangxi Geo-construction Engineering Co.,Ltd.,Nanning Guangxi530023,China;3. Bureau ofLand and Resources of Yongfu,Yongfu Guangxi 541800,China）

The paper introduced the design of pre-stressed anchor cable reinforcement for K444+710～82-upline side slope of Guilin-Liuzhou highway.The design scheme demonstration wasmade on the basis of the analysis on landform and lithology,geological structure characteristics,climate and hydrogeology conditions and formationmechanism of slop deform-ation destruction,the best reinforcementplanwaspresented.It has been proved in several raining seasons that the planwas feasible.

side slope reinforcement;pre2stressed anchor cable;Guilin-Liuzhou Highway

U418.5+2

:A

:1672-7428(2010）05-0073-05

2010-01-12;

2010-04-11

譚彬建(1971-）,男(漢族）,廣西桂林人,廣西桂林水文工程地質(zhì)勘察院工程師,水工環(huán)專業(yè),從事工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害勘查治理設(shè)計工作,廣西桂林市鐵西一里8號,tanbinjian@163.com。