張躍亭，胡青峰，雷 斌

(1.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州450046;2.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450045)

隨著大型鐵路、公路工程的興建及大規(guī)模礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，必然會出現(xiàn)很多高填方邊坡工程。高填方邊坡具有處理難度大，處理后隱患多等特點(diǎn)，如果處理不好必然會帶來不可估量的損失，因此該類邊坡治理也越來越受到人們的重視。目前對于高填方邊坡治理，國內(nèi)常采用的手段為重力式擋墻、加筋擋土墻、微型樁、錨索等，但是這些都存在工程量大、施工難度大和難以成孔等難題。錨管加固是近年出現(xiàn)的一種邊坡治理的新工藝［1～3］，而打入式錨管技術(shù)是在錨管桿體上設(shè)置注漿孔，采用氣動沖擊打管機(jī)直接打入土層并注漿，通過漿體向周圍地層的滲透硬化后形成堅(jiān)實(shí)的灌漿體將錨管與周圍土層錨固在一起，使錨管錨固段與土體間產(chǎn)生粘結(jié)摩阻力，把高填方邊坡土產(chǎn)生的主動側(cè)壓力傳至土層深處，從而很大程度地提高原狀土體的強(qiáng)度和剛度，并能顯著提高高填方邊坡的整體穩(wěn)定性。

工程實(shí)踐證明，錨管支護(hù)技術(shù)能有效達(dá)到支護(hù)高邊坡、控制變形的目的，而且對地層的適應(yīng)能力強(qiáng)，特別是能解決砂卵石、雜填土等難于成孔的地層中的施工難題，錨管支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益好，推廣應(yīng)用前景廣闊。本文在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對打入式錨管加固高填方邊坡的加固機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬分析，然后給出其具體的施工工藝，為類似工程提供參考。

1 工程概況

擬建某工程工業(yè)廣場高填方邊坡位于河南省新密縣，地形起伏不平，地勢南北高中間低，為“兩山夾一溝”，總體趨勢西南高東北低，地面高程最高點(diǎn)在西南朝陽處，最低點(diǎn)在中間溝內(nèi)，相對高差約60 m。本區(qū)地貌成因類型屬構(gòu)造剝蝕地貌，地貌單元為低山丘陵，場地內(nèi)局部基巖裸露，其余大部分為第四系堆(沉)積物所掩蓋，因此該場地可稱為基巖半裸露區(qū)。

2 地質(zhì)條件

本場地地層屬第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和三疊系砂巖，場地土分為5個地質(zhì)單元層，自上而下分層描述如下。

①1層:素填土(Q4ml)，以黃褐～褐黃色粉土為主，局部夾有卵石等，屬于新近回填土，平均厚度3.72 m;

①層:粉土(Q4al+pl)，該層主要分布在場地北部山上，南部山上表層分布薄層，平均厚度3.98 m;

②層:粉質(zhì)粘土(Q3al+pl)，層底局部夾有碎石，平均厚度5.47 m;

③層:微風(fēng)化砂巖(T)，巖層傾角約300°，東高西低，平均厚度0.96 m;

④層:砂巖(T)，巖層傾角約300°，東高西低，該層在勘探孔深度內(nèi)未能揭穿，最大揭露厚度19.0 m。

3 高邊坡數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型結(jié)合《某工程工業(yè)廣場巖土工程勘察報(bào)告》，對該高填方邊坡的一個典型地質(zhì)剖面加固治理進(jìn)行數(shù)值模擬，側(cè)向擴(kuò)展10 m范圍設(shè)計(jì)模型，模型計(jì)算范圍(圖1):長×寬×高=97 m×10 m×26 m，合計(jì)共劃分161940個單元，174930個節(jié)點(diǎn)。模型地表表面設(shè)為自由邊界，側(cè)面限制水平移動，底部固定。計(jì)算僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。初始地應(yīng)力計(jì)算材料符合彈性本構(gòu)，材料破壞符合Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖1 邊坡工程地質(zhì)模型

3.2 土層參數(shù)

土層計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 工業(yè)廣場邊坡工程土體物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.3 計(jì)算方法及過程

根據(jù)原始地貌，只考慮重力作用，生成初始應(yīng)力場，對邊坡穩(wěn)定性的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行力學(xué)分析。設(shè)定體系最大不平衡力與典型內(nèi)力比值下限為1×10－5，以此作為計(jì)算迭代終止的判定標(biāo)準(zhǔn)。圖2為邊坡在進(jìn)行經(jīng)歷計(jì)算時各自的系統(tǒng)不平衡力演化過程曲線。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力場演變分析

4.1.1 最大主應(yīng)力分析

圖2 邊坡計(jì)算時的系統(tǒng)不平衡力演化全過程曲線

圖3為邊坡的第一主應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在坡腳處出現(xiàn)較小區(qū)域的拉應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值小，在0～40 kPa范圍。在坡頂?shù)牡乇砗笱?，出現(xiàn)逐漸擴(kuò)散的拉應(yīng)力區(qū)域，拉應(yīng)力值也同樣在0～40 kPa范圍，其它區(qū)域基本上以壓應(yīng)力為主。由于錨管支護(hù)的影響，坡體表面的最大主應(yīng)力從高到底有逐漸增大的趨勢，但數(shù)值較小，說明土體較為穩(wěn)定，但坡腳與坡頂后沿出現(xiàn)拉應(yīng)力，容易引起坡腳土體的破壞和邊坡后沿的拉裂縫破壞。

圖3 邊坡最大主應(yīng)力場分布圖

4.1.2 最小主力分析

從圖4中可以看出，淺部最小主應(yīng)力等值線平滑，幾乎相互平行，未出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)。在深部的最小主應(yīng)力等值線也基本相互平行，基本沒有出現(xiàn)突變。最小主應(yīng)力無論淺部還是深部均為壓應(yīng)力，僅在邊坡表面形成了一定的拉應(yīng)力區(qū)域，但是數(shù)值較小，不會對邊坡穩(wěn)定造成太大的影響。

圖4 邊坡最小主應(yīng)力場分布圖

4.2 變形場演變分析

4.2.1 邊坡整體位移場變形分析

為節(jié)省篇幅，圖5僅僅給出了邊坡最大位移場分布圖，從最大位移場分布圖可以看出，最大位移區(qū)域迅速向坡腳集中和轉(zhuǎn)移，并且隨著坡腳最大位移區(qū)域的產(chǎn)生，整個邊坡的最大位移場也發(fā)生了明顯變化。

圖5 邊坡最大位移場分布圖

從垂直位移場分布圖可以看出，坡頂處地表位移變化量較大，而坡腳處位移變化量較小。這一現(xiàn)象說明邊坡的位移變化的主要影響因素是x方向的位移。而水平位移隨著計(jì)算的進(jìn)行不斷增大，越靠近坡腳位移增量越反而越小;整體變化較為穩(wěn)定，說明支護(hù)效果較為顯著。

從邊坡的位移矢量場分布情況可以看出，邊坡的位移場整體相對比較均勻，這說明錨管支護(hù)措施對于邊坡的位移控制起到了較好的作用。

4.2.2 邊坡剪應(yīng)變增量變化分析

剪應(yīng)變增量反映了邊坡剪切變形發(fā)生明顯增長的部位，是邊坡剪切變形的集中區(qū)域，對于土體邊坡，剪應(yīng)變增量的分布區(qū)域即是邊坡的潛在滑動面分布區(qū)域，從圖6可以看出，剪應(yīng)變增量主要分布在坡頂區(qū)域，但是影響范圍較小，說明上方的素填土層可能的破壞模式和發(fā)生剪切破壞變形最大的分布區(qū)域。

圖6 邊坡剪應(yīng)變增量分布圖

4.2.3 邊坡塑性區(qū)分析

塑性區(qū)反映了土體集中破壞的部位，從圖7可以看出，塑性區(qū)主要附著在邊坡表面以及坡頂?shù)乇砀浇?，破壞形式主要是拉伸破壞，沒有發(fā)現(xiàn)剪切破壞形式，結(jié)合土體剪應(yīng)變增量的分布圖，這說明錨管能夠極大限度的抑制土體的剪切變形。

5 主要施工工藝

5.1 錨管的選材及加工

圖7 邊坡塑性區(qū)分布圖

圖8 錨管外形圖［1］

5.2 錨管施工

錨管采用人工操作氣動沖擊錘打入邊坡，一般情況下應(yīng)先噴射第一層混凝土，使坑壁穩(wěn)定，再打入錨管，錨管不夠長時應(yīng)進(jìn)行分段分別打入，打入一段焊接一段，焊接接長采用周邊幫條焊對接。

5.3 注漿

注漿分第一次常壓注漿和第二次分段劈裂注漿。

(1)一次常壓注漿:當(dāng)錨管打入土體后，先泵送少量清水將孔底殘?jiān)谐?，然后進(jìn)行第一次注漿，使得水泥漿從錨管底向外回流，當(dāng)流出的漿液為純水泥漿時，即停止注漿，然后用棉紗和水泥砂漿封孔。

(2)二次分段劈裂注漿［1］:一次注漿后大約12 h后即可開始進(jìn)行二次劈裂注漿，劈裂注漿從孔底向上進(jìn)行，先將注漿鋼管伸入到錨管底端附近，安裝密封蓋，連接高壓注漿管，打開排氣閥，逐漸加壓注漿，排出管內(nèi)氣體或殘留水，當(dāng)排氣閥流出水泥漿液時，將排氣閥封堵，繼續(xù)加壓注漿，操作過程中注意觀察、記錄注漿量和孔口壓力表壓力的變化。

5.4 框架施工［1，4，5］

框架采用C20混凝土澆筑，框架嵌入坡面20 cm，橫梁、豎梁基礎(chǔ)先采用5 cm水泥砂漿調(diào)平，再進(jìn)行鋼筋制作安裝，鋼筋接頭需錯開，因錨管無預(yù)應(yīng)力，錨管尾部不需外露、不需加工絲口、不用螺帽和混凝土錨頭封塊，只需將錨管尾部與豎梁鋼筋相焊接成一整體，若錨管與箍筋相干擾可局部調(diào)整箍筋的間距。模板采用木模板，用短錨管固定在坡面上，混凝土澆注時，尤其在錨孔周圍，鋼筋較密集，一定要仔細(xì)振搗，保證質(zhì)量?？蚣芊制┕ぃ瑱M梁每10～15 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，以瀝青麻絮填塞。

6 結(jié)論

通過對該高填方邊坡打入式錨管加固機(jī)理的研究，取得以下幾點(diǎn)主要結(jié)論。

(1)高邊坡坡腳與坡頂后沿出現(xiàn)拉應(yīng)力，容易引起坡腳土體的破壞和邊坡后沿的拉裂縫破壞。

(2)從邊坡的位移矢量場分布情況可以看出，邊坡的位移場整體比較均勻，這說明支護(hù)措施對于邊坡的位移控制起到了較好的作用。

(3)剪應(yīng)變增量主要分布在坡頂區(qū)域，但是影響范圍較小，說明上方的素填土層可能的破壞模式和發(fā)生剪切破壞變形最大的分布區(qū)域。

(4)塑性區(qū)主要附著在邊坡表面以及坡頂?shù)乇砀浇?，破壞形式主要是拉伸破壞，沒有發(fā)現(xiàn)剪切破壞形式，結(jié)合土體剪應(yīng)變增量的分布圖，這說明錨管能夠極大限度的抑制土體的剪切變形。

(5)本工程的順利實(shí)施為打入式錨管加固高填方邊坡提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

［1］汪勉濤.錨管式土釘支護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2010.

［2］朱英，王迪，趙憲富.松江河石龍電站邊坡加固工程施工技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):71 －74.

［3］趙明階，何光春，王多垠.邊坡工程處置技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］呂慶，孫紅月，尚岳全，等.預(yù)應(yīng)力錨索框格梁體系加固破碎巖質(zhì)邊坡合理間距研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1):136－140.

［5］張全文，楊波，劉勝.深路塹格梁式錨索擋土墻施工［J］.路基工程，2008，(2):164－165.