楊秀芝 YANG Xiu-zhi;張作海 ZHANG Zuo-hai
(河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,鄭州450052)
復(fù)雜地質(zhì)條件下高邊坡的加固設(shè)計(jì)與有效治理是山區(qū)高速公路建設(shè)中常常遇到的難題之一,它直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全、工期和成本。在工程實(shí)踐中,對(duì)高速公路深挖路塹邊坡一般采用邊施工邊設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。洛陽(yáng)至嵩縣高速公路是河南省地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜的山區(qū)高速公路之一,全長(zhǎng)62.699公里。沿線地形非常復(fù)雜,尤其是山嶺區(qū),山大溝深,給項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工都帶來(lái)一定難度。沿線曾發(fā)生過(guò)多個(gè)自然滑坡、崩塌、坍塌現(xiàn)象,以下結(jié)合洛嵩高速公路土建9標(biāo)段的K53+460~K53+600段左側(cè)路塹邊坡在施工中出現(xiàn)的滑塌問(wèn)題,探索出有效的綜合治理設(shè)計(jì)方法,從而為山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下路塹高邊坡的設(shè)計(jì)帶來(lái)一些借鑒。
K53+460~K53+600段邊坡位于道路前進(jìn)方向左側(cè),屬洛嵩高速公路第9標(biāo)段,邊坡長(zhǎng)度140m,最大挖深約40 米,邊坡走向 267°。原開(kāi)挖邊坡率為 1:0.5~1:1.0,分 5級(jí)開(kāi)挖,每級(jí)高8米,平臺(tái)寬2米。由于2010年8、9月份洛陽(yáng)地區(qū)遭遇多年罕見(jiàn)強(qiáng)降雨,在樁號(hào)K53+514-K53+600段出現(xiàn)滑坡(見(jiàn)圖1)。該滑坡主滑方向?yàn)?83°,從坡頂至坡腳高約32米?;瑒?dòng)面青灰色膨脹性土明顯,滑坡體內(nèi)存在多級(jí)下錯(cuò)、拉裂變形跡象,垂直主滑動(dòng)方向發(fā)育多級(jí)錯(cuò)臺(tái),其與原地面形成0.1~1.0m落差。由于最后一級(jí)沒(méi)有開(kāi)挖,二、三級(jí)為強(qiáng)風(fēng)化安山巖,滑坡體前緣位移量較小,安山巖受外力作用,在表面形成深約15cm的痕跡,如圖1。
圖1 K53+460-K53+600段邊坡全貌
該滑坡段邊坡地層上層卵石和粉質(zhì)黏土土,下伏強(qiáng)風(fēng)化安山巖,如圖2。詳細(xì)地質(zhì)如下:
第一層粉質(zhì)黏土:褐黃色,褐紅色,可塑-硬塑,局部具膨脹性,干強(qiáng)度大,含有卵石,含量約30%左右,粒徑5-20cm,最大30cm,上部有0.5m的耕植土。
第二層泥卵石層:青灰色,褐紅色,密實(shí),夾膨脹性粉質(zhì)黏土,青灰色,卵石含量約70%-90%,粒徑5-30cm,最大1m。局部夾有青灰色膨脹性粉質(zhì)黏土和褐紅色粗砂層。
第三層強(qiáng)風(fēng)化安山巖:灰色,全風(fēng)化,母巖主要為長(zhǎng)石和石英,含黑色鐵錳質(zhì)斑塊,巖芯破碎,呈碎屑狀,裂隙發(fā)育,局部存在磋動(dòng)帶,充填物為全風(fēng)化安山巖,極破碎。該層上部局部含膨脹性粉質(zhì)粘土塊,褐紅色,青灰色。
第四層中-微風(fēng)化安山巖:青灰色,灰色,強(qiáng)風(fēng)化,母巖成分主要為長(zhǎng)石和石英,含黑色鐵錳質(zhì)斑塊,巖芯較破碎,呈碎塊狀,裂隙極發(fā)育。
圖2 K53+460-K53+600段邊坡地層巖性
邊坡工程所處場(chǎng)地水系屬黃河水系中的二級(jí)支流伊洛河水系中的伊河水系,邊坡場(chǎng)地周?chē)捶植济黠@地表徑流,主要是自然降雨補(bǔ)給。由于場(chǎng)地微地貌主要為單斜順向坡地形,地表水排泄條件好,場(chǎng)地兩側(cè)有沖溝發(fā)育,地表水在坡體呈散流狀,匯入兩側(cè)沖溝及邊坡底部伊河中。
場(chǎng)區(qū)地下水主要由降雨補(bǔ)給,場(chǎng)區(qū)內(nèi)未見(jiàn)有井泉水出露。地下水按賦存介質(zhì)分為孔隙水??紫端饕x存于第四系坡洪積物中,地下水類(lèi)型為孔隙潛水,主要接受大氣降水補(bǔ)給。上部潛水水位較淺。在地勢(shì)低洼處排泄于地表,受季節(jié)影響較大,旱季多干涸。
4.1 計(jì)算模型 由于K53+460~K53+600段左側(cè)邊坡部分坡段已經(jīng)出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象,所以對(duì)該段邊坡進(jìn)行治理設(shè)計(jì)時(shí),分為滑坡區(qū)工程邊坡與非滑坡區(qū)工程邊坡區(qū)別對(duì)待,其中,K53+460-K53+514段為非滑坡區(qū);K53+514-K53+600段為滑坡區(qū)。在滑坡區(qū)選取主剖面(K53+562)進(jìn)行穩(wěn)定性和推力計(jì)算,計(jì)算模型具體見(jiàn)圖3~4。
圖3 路塹邊坡現(xiàn)有開(kāi)挖剖面模型
4.2 計(jì)算參數(shù)確定 根據(jù)勘察試驗(yàn)結(jié)果,滑坡勘察報(bào)告提供了滑坡體各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
4.3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算成果分析 根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-2002和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD30-2004,確定該段邊坡工程等級(jí)為Ⅰ級(jí)。邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí),其穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足表2。以非正常工況Ⅰ為設(shè)計(jì)工況,非正常工況Ⅱ?yàn)樾:斯r。
圖4 路塹邊坡未來(lái)開(kāi)挖剖面模型
表1 滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)
表2 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)
邊坡下滑力計(jì)算中涉及安全系數(shù)Ks,考慮該邊坡的重要性及危害性,參考相關(guān)規(guī)范,選取如下:天然工況:采用Ks=1.2~1.3;暴雨工況:采用Ks=1.1~1.2;地震工況:采用Ks=1.05~1.1。本次計(jì)算中Ks=1.15。本次設(shè)計(jì)中考慮后期路塹邊坡開(kāi)挖,因而對(duì)于滑坡推力的計(jì)算主要針對(duì)未來(lái)開(kāi)挖工況。
在穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上,按照相關(guān)規(guī)范,采用傳遞系數(shù)法和上述對(duì)應(yīng)工況的安全系數(shù),進(jìn)行滑坡推力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 邊坡穩(wěn)定性和推力計(jì)算成果
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,主剖面均可能發(fā)生深層及淺層的滑動(dòng)可能,因而在對(duì)滑坡進(jìn)行坡腳抗滑樁支擋的基礎(chǔ)上,對(duì)坡體中部淺層滑塌部位同樣需要進(jìn)行治理。
根據(jù)場(chǎng)地特征、邊坡變形破壞情況和邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合邊坡土質(zhì)水文特征,對(duì)于滑坡區(qū),以削坡+排水+抗滑樁+錨索框架結(jié)構(gòu)+坡面防護(hù)+裂縫封堵的思路進(jìn)行邊坡治理,即前部采用抗滑樁支擋,確保滑坡的整體穩(wěn)定性;滑坡體中部采用預(yù)應(yīng)力錨索、后緣采用坡面防護(hù);在坡體后緣設(shè)置1條截排水溝,在一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)邊坡平臺(tái)上各設(shè)1條排水溝,改善邊坡排水條件,提高坡體的穩(wěn)定性具體設(shè)計(jì)方法如下:
5.1 削坡 現(xiàn)有邊坡一級(jí)邊坡坡率為1:0.5,二級(jí)邊坡坡率為1:0.75,三級(jí)以上邊坡坡率均為1:1.0,邊坡平臺(tái)寬均為2.0m。
對(duì)現(xiàn)有邊坡進(jìn)行削坡,一級(jí)坡設(shè)置抗滑樁,二級(jí)坡1:0.75,三級(jí)坡1:1.25,四級(jí)坡1:2.0,五級(jí)坡1:2.25,邊坡平臺(tái)寬度不變,所有邊坡平臺(tái)內(nèi)傾5%。
5.2 抗滑樁工程
5.2.1 抗滑樁的內(nèi)力計(jì)算 抗滑樁的設(shè)計(jì)荷載為2888.7kN/m;截面尺寸均為2.0m×3.0m,樁間距(中對(duì)中距)均為4m。樁長(zhǎng)16m,受荷段長(zhǎng)8m,錨固段長(zhǎng)8m。假設(shè)作用在抗滑樁上的滑坡推力分布形式為矩型,樁底支承條件為鉸支端。采用“k”法進(jìn)行樁身內(nèi)力計(jì)算,抗滑樁錨固段巖層地基系數(shù)K=0.3×106kPa,側(cè)向容許值σ=1750kPa。
抗滑樁樁身最大彎矩為80828.28kN.m,最大剪力26318.143kN??够瑯兜膹澗貓D和剪力圖詳見(jiàn)圖5~6。
圖5 Ⅰ型抗滑樁身彎矩圖
圖6 Ⅰ型抗滑樁樁身剪力圖
5.2.2 抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在上述內(nèi)力分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)樁的內(nèi)力特點(diǎn),按受彎構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。樁身砼選用C30,受力鋼筋選用HRB400、箍筋選用HRB335,構(gòu)造筋選用HPB235。其中,背側(cè)布筋方案:實(shí)配(計(jì)算)面積(mm2):70773(70750);背側(cè)布筋方案:實(shí)配(計(jì)算)面積(mm2):17693(17500);箍筋方案:實(shí)配(計(jì)算)面積(mm2):13994(13968),經(jīng)過(guò)分析計(jì)算,抗滑樁結(jié)構(gòu)配筋見(jiàn)表4。
表4 抗滑樁(2.5m×3.5m,H=16m)結(jié)構(gòu)配筋表
在一級(jí)邊坡平臺(tái)外側(cè)布置抗滑樁,樁頂標(biāo)高為一級(jí)馬道標(biāo)高,樁長(zhǎng)16m,樁截面2.0×3.0m2,樁間距4.0m。樁與樁之間采用M7.5漿砌塊石砌筑拱墻支撐,墻后填筑卵礫石等濾水材料。樁頂統(tǒng)一采用冠梁聯(lián)系,冠梁截面尺寸3.4×0.6m2。
5.3 錨索框架結(jié)構(gòu) 在二、三級(jí)邊坡坡面上,采用錨索框架結(jié)構(gòu)加固。錨索采用自下向上布置,第一排錨索距一級(jí)馬道高程距離<1.5m,以上縱向間距為3.0m,最上一排錨索距邊坡平臺(tái)高程面不大于1.5m~2.5m,錨索橫向間距4.0m。二、三級(jí)邊坡分別設(shè)置三排錨索。
錨索采用6Φs15.2mm,橫縱間距4m。錨索孔徑130mm,錨桿與水平面的夾角為20°,采用無(wú)水鉆進(jìn)工藝。臺(tái)座砼墊塊應(yīng)與格架梁同時(shí)現(xiàn)澆成整體。架線環(huán)鋼筋應(yīng)與錨索體焊接牢靠,2m等間距布設(shè)。鉆孔完成后將錨桿緩慢送入至設(shè)計(jì)位置,采用孔底注漿法注漿,注漿壓力為0.2~0.6MPa;錨索設(shè)計(jì)荷載為604.869kN,在施工初期,應(yīng)按工作錨索數(shù)量的1%~3%進(jìn)行抗拉拔試驗(yàn),以確定注漿參數(shù)。
格構(gòu)梁截面為寬300mm×高400mm,采用C30砼架模澆注,橫梁及縱梁按連續(xù)梁來(lái)考慮,采用通長(zhǎng)配筋,頂部(遠(yuǎn)離坡面?zhèn)龋┡浣睿?Φ16的HRB335級(jí)螺紋鋼筋,中部配筋:2Φ16的HRB335級(jí)螺紋鋼筋,底部(靠近坡面?zhèn)龋┡浣睿?Φ16的HRB335級(jí)螺紋鋼筋,箍筋配筋:Φ8@200 HPB235鋼筋。格構(gòu)梁橫向每隔20m設(shè)置永久伸縮縫,縫寬20mm,填塞瀝青麻筋或?yàn)r青木板。
錨索類(lèi)型為6Φs15.2,設(shè)計(jì)錨固段長(zhǎng)度大于10m,錨索孔徑130mm,錨桿與水平面的夾角為20°,錨索橫縱間距4m。格構(gòu)梁為C30現(xiàn)澆混凝土,格構(gòu)單元為3.0m×4.0m,梁斷面尺寸為0.3m×0.4m,格構(gòu)單元內(nèi)客土噴播。
5.4 客土噴播 對(duì)整個(gè)坡面采用客土噴播方法進(jìn)行坡面防護(hù),鉚釘采用Φ16鋼筋,長(zhǎng)度分1m和2m兩種,長(zhǎng)短相間,彎頭長(zhǎng)0.1m。掛網(wǎng)采用鍍鋅鐵絲網(wǎng),網(wǎng)孔50mm×50mm。施工順序?yàn)椋喝斯で迤?掛鐵絲網(wǎng)-固網(wǎng)-噴射有機(jī)基材及灌草種-養(yǎng)護(hù)。
5.5 裂縫封填 采用粘性土封填拉張裂縫,施工時(shí),分層搗實(shí),防止地表水下滲。
洛嵩高速公路K53+460~K53+600段左側(cè)邊坡滑坡危害嚴(yán)重,通過(guò)對(duì)該段邊坡進(jìn)行治理,能有效遏制坡體的進(jìn)一步變形破壞,又能消除其對(duì)即將建成的高速公路安全所產(chǎn)生的巨大威脅,避免滑坡所造成的進(jìn)一步經(jīng)濟(jì)損失,實(shí)現(xiàn)低投入、高收益的治理效果。
由于復(fù)雜的地形地質(zhì)條件,滑坡與高邊坡工程始終是山區(qū)鐵路和公路建設(shè)中一個(gè)重大工程地質(zhì)問(wèn)題,因此加強(qiáng)滑坡和高邊坡病害的防治研究,不僅將對(duì)高原山區(qū)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展有重要意義,也將對(duì)我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治理論以及防治技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生積極作用。
該邊坡工程經(jīng)過(guò)以上綜合治理后,通車(chē)至今已近2年,監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示,邊坡變形數(shù)據(jù)收斂,邊坡逐漸趨于穩(wěn)定。
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