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        預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

        2016-08-01 08:07:32陶學(xué)俊
        鐵道勘察 2016年3期
        關(guān)鍵詞:路塹錨桿預(yù)應(yīng)力

        陶學(xué)俊

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

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        預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

        陶學(xué)俊

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢430063)

        摘要以湖南岳陽(yáng)某高速公路路塹高邊坡工點(diǎn)為例,介紹邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)思路、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算、邊坡錨固計(jì)算流程和要點(diǎn),包括錨固力、錨桿間距、錨桿長(zhǎng)度和錨固角等,并提出施工和監(jiān)測(cè)方面的注意事項(xiàng)。邊坡錨固是一個(gè)系統(tǒng)工程,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)錨固方案的合理性、安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合論證分析,選擇最佳方案,并需做好前期勘察和后期監(jiān)測(cè)工作。

        關(guān)鍵詞高邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿錨固防護(hù)

        路塹邊坡治理是公路和鐵路建設(shè)中比較常見的問(wèn)題,但近年來(lái)依然頻見邊坡事故的發(fā)生,如何對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確分析并提出經(jīng)濟(jì)安全的加固方案,值得深入研究。邊坡錨固是一種發(fā)展中的加固措施,預(yù)應(yīng)力錨桿在路塹邊坡防護(hù)工程中得到了大范圍的應(yīng)用,并取得良好的加固效果[1-5]。

        1工程概況

        1.1地形地貌及氣候條件

        湖南岳陽(yáng)某高速公路有一長(zhǎng)達(dá)12 km的路段,地層主要由燕山期花崗巖構(gòu)成,地貌形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單,屬于構(gòu)造侵蝕、剝蝕地貌,大部分為低矮的圓緩狀丘陵山體和谷地。

        項(xiàng)目所在地區(qū)處于中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的地帶,其氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候。年平均降水量為1 200~1 300 mm,雨水多集中在3~8月,約占全年降雨量69%。

        1.2工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

        根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪及鉆探成果,場(chǎng)地內(nèi)分布的地層主要有第四系覆蓋層和燕山期花崗巖,地層巖性單一,構(gòu)造不發(fā)育,地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

        根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。域內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g,對(duì)應(yīng)中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖的地震基本烈度為6度區(qū)。

        本路段地表水主要為河流支流沖溝水,地表徑流量變化顯著,年際間豐、平、枯交替明顯,溪溝水位受降水量影響明顯,山洪對(duì)路基及構(gòu)筑物存在較強(qiáng)的沖刷作用。路線區(qū)地下水按照地下水賦存條件及運(yùn)移特征可劃分為孔隙水和基巖裂隙水兩類??紫端饕x存于河流階地的砂、卵石層、山坡,以及山間谷地坡積成因的粉土、砂土層中,以大氣降水及地表水補(bǔ)給為主。基巖裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙、層間裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中,以風(fēng)化裂隙含水為主,主要靠大氣降水通過(guò)松散堆積層間接補(bǔ)給或上層地下水的補(bǔ)給,部分基巖裸露的山體為降水直接補(bǔ)給。

        本路段因挖方產(chǎn)生很多高邊坡,下面以K12+880~K13+120段左側(cè)的深路塹邊坡為例進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和錨固設(shè)計(jì)。該段邊坡原地面坡度10°~15°,用地界有一定限制。

        2邊坡穩(wěn)定性分析

        本段邊坡受地形地貌限制,開挖高度較大,根據(jù)邊坡高度、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、排水措施、施工方法,并結(jié)合沿線區(qū)域既有邊坡綜合調(diào)查結(jié)果,采取臺(tái)階式邊坡。邊坡坡率:頂層邊坡坡率為1∶1.25,其他層邊坡坡率為1∶1.0。臺(tái)階式邊坡每隔8 m設(shè)一級(jí)平臺(tái),平臺(tái)寬2 m。邊坡刷至自然山坡坡頂,最高達(dá)31 m。

        取K12+980處的邊坡橫斷面為算例,進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提供的資料,各土層計(jì)算參數(shù)見表1。

        表1 土層分布及計(jì)算參數(shù)

        開挖后的人工邊坡計(jì)算模型如圖1所示,邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2,其結(jié)果不滿足相應(yīng)規(guī)范要求,需對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。

        圖1 開挖后的人工邊坡計(jì)算模型

        計(jì)算方法瑞典法Bishop法Janbu法安全系數(shù)值0.9631.0971.025

        3邊坡錨固設(shè)計(jì)

        根據(jù)該段邊坡地形特點(diǎn)、地質(zhì)情況以及用地限制條件,對(duì)抗滑擋墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨桿框架等路基防護(hù)和支擋方案作經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較后,采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架并結(jié)合排水措施對(duì)該路塹高邊坡進(jìn)行加固。

        3.1錨固力計(jì)算

        在對(duì)錨固邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),需要將錨固作用力簡(jiǎn)化。有兩種簡(jiǎn)化的方式,一是將錨力簡(jiǎn)化為作用于滑面上的一個(gè)集中力,二是將錨力簡(jiǎn)化為作用于坡面上的一個(gè)集中力。為安全起見,一般采用兩種方法計(jì)算結(jié)果的較小值,錨固作用力的簡(jiǎn)化如圖2所示[6-8]。

        圖2 錨固作用力的簡(jiǎn)化

        邊坡加固力按公式(1)進(jìn)行計(jì)算

        (1)

        式中T——錨桿設(shè)計(jì)錨固力/kN;

        E——邊坡下滑力/kN;

        α——錨桿與滑動(dòng)面相交處的滑動(dòng)面傾角/(°);

        β——錨桿與水平面的夾角/(°);

        φ——滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角/(°)。

        根據(jù)公式(1),算得該單位厚度邊坡所需的錨固力為732 kN。

        3.2預(yù)應(yīng)力錨桿間距

        當(dāng)錨桿的水平間距和垂直間距設(shè)置過(guò)小時(shí),容易產(chǎn)生群錨效應(yīng),導(dǎo)致錨固力降低;當(dāng)設(shè)置過(guò)大時(shí),容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象(因?yàn)閱胃^桿承載力過(guò)大)。錨桿的水平間距和垂直間距一般應(yīng)控制在1.5 m至4.0 m之間。在本邊坡錨固中,水平間距為3.0 m,垂直間距為4.0 m。

        3.3預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度

        預(yù)應(yīng)力錨桿總長(zhǎng)度主要包括錨固段長(zhǎng)度和自由段長(zhǎng)度。

        錨固體的承載能力一般由三部分控制:地層與注漿體的粘結(jié)強(qiáng)度、注漿體與錨桿體的粘結(jié)強(qiáng)度以及錨桿強(qiáng)度,設(shè)計(jì)時(shí)取三者小值。

        地層與注漿體的粘結(jié)長(zhǎng)度按公式(2)進(jìn)行計(jì)算

        (2)

        式中La——地層與注漿體的粘結(jié)長(zhǎng)度/m;

        K——預(yù)應(yīng)力錨桿錨固體設(shè)計(jì)安全系數(shù);

        ζa——地層和錨固體粘結(jié)工作條件系數(shù),永久性錨桿取1.0;

        da——錨固段鉆孔直徑/m;

        fa——地層與注漿體的粘結(jié)強(qiáng)度/kPa;

        其余符號(hào)意義同前。

        注漿體與錨桿體的粘結(jié)長(zhǎng)度按公式(3)進(jìn)行計(jì)算

        (3)

        式中Lb——注漿體與錨桿體的粘結(jié)長(zhǎng)度/m;

        ζb——砂漿和錨固體粘結(jié)工作條件系數(shù),永久性錨桿取0.6;

        db——錨桿體材料直徑/m;

        fb——注漿體與錨桿體的粘結(jié)強(qiáng)度/kPa;

        n——錨桿體根數(shù)。

        其余符號(hào)意義同前。

        確定錨桿錨固段長(zhǎng)度時(shí),分別對(duì)錨桿粘結(jié)長(zhǎng)度La和Lb進(jìn)行計(jì)算,并取兩者中的大值。本工點(diǎn)邊坡取10 m。

        一般由穩(wěn)定地層界面決定錨桿自由段的長(zhǎng)度,在本邊坡中自由段伸入滑動(dòng)面的長(zhǎng)度為不小于1 m。

        3.4預(yù)應(yīng)力錨桿錨固角

        錨桿布設(shè)方向在邊坡預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵。理論上講,逆滑動(dòng)方向布設(shè)是最佳的布設(shè)角度,但實(shí)際施工時(shí)因受到現(xiàn)場(chǎng)條件等限制,只能按照一定方向布設(shè)。為了達(dá)到比較有效的加固效果,應(yīng)盡可能選擇比較合適的錨固角度。本邊坡在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)比選,錨桿錨固角取與水平面呈20°夾角下傾。

        3.5邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果

        邊坡工點(diǎn)斷面K12+980最終設(shè)計(jì)如下:

        第一、二、三級(jí)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架加固,設(shè)置2排,設(shè)計(jì)錨固力450 kN。第一級(jí)邊坡第一排錨桿長(zhǎng)16 m,第二排錨桿長(zhǎng)18 m。第二級(jí)邊坡第一排錨桿長(zhǎng)20 m,第二排錨桿長(zhǎng)22 m。第三級(jí)邊坡第一排錨桿長(zhǎng)20 m,第二排錨桿長(zhǎng)20 m。

        路塹邊坡錨固結(jié)果如圖3所示。

        圖3 路塹邊坡錨固結(jié)果(單位:m)

        3.6條分法土條應(yīng)力

        用條分法對(duì)錨固邊坡滑動(dòng)面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,土條底部法向力曲線和切向力曲線分別如圖4和圖5所示。

        圖4 土條底部法向力曲線

        圖5 土條底部切向力曲線

        3.7坡面防護(hù)和排水措施

        為保證邊坡開挖及運(yùn)營(yíng)工程中坡面穩(wěn)定,防止雨水沖刷及坡面松弛,改善美化坡面景觀,采取骨架護(hù)坡及錨桿框架內(nèi)厚層基材噴射植被防護(hù)等工程措施。

        本段邊坡坡體地下水發(fā)育,設(shè)計(jì)采用仰斜排水孔引排地下水。路塹頂5 m外設(shè)置截水溝,將地表水引入邊溝中。

        4施工和監(jiān)測(cè)

        4.1施工注意事項(xiàng)

        (1)土石方工程

        對(duì)于設(shè)有錨固工程的路塹高邊坡土石方工程開挖,在進(jìn)行下一級(jí)邊坡的土石方開挖前,需等到上一級(jí)邊坡全部實(shí)施完錨固工程且產(chǎn)生加固力,按照由上而下的開挖施工順序逐級(jí)進(jìn)行開挖和加固,這樣才能保證邊坡體的穩(wěn)定和錨固結(jié)構(gòu)的安全。

        對(duì)于石方邊坡開挖,為了盡量減少爆破施工產(chǎn)生的巖體結(jié)構(gòu)破壞,接近路塹邊坡工程部位嚴(yán)禁采用大爆破,在距離設(shè)計(jì)坡面一定范圍內(nèi)采用光面控制爆破,一般通過(guò)爆破震動(dòng)影響監(jiān)測(cè)的結(jié)果確定具體范圍。

        (2)錨桿施工[9-10]

        鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中禁止水沖,在鉆進(jìn)過(guò)程中如果遇到嚴(yán)重坍孔,應(yīng)立即停鉆并進(jìn)行灌漿固壁處理,灌漿36 h后再掃孔鉆進(jìn)。錨孔內(nèi)灌注M30水泥砂漿,水灰比和灰砂比具體值應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定,必要時(shí)可適當(dāng)增加外加劑。錨桿注漿應(yīng)采用孔底返漿法進(jìn)行注漿。

        4.2邊坡監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

        監(jiān)測(cè)有兩種,一種是施工期監(jiān)測(cè),另一種是運(yùn)行期監(jiān)測(cè)。施工過(guò)程中,開挖和降雨等因素會(huì)影響其實(shí)施效果,進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)有利于掌握邊坡變形特點(diǎn)以及影響程度,從而檢驗(yàn)施工質(zhì)量以及邊坡治理的效果。

        在本預(yù)應(yīng)力錨固工程中,各階段的監(jiān)測(cè)主要有兩項(xiàng)內(nèi)容:一是錨桿體本身的監(jiān)測(cè),另一項(xiàng)是對(duì)錨固對(duì)象即深路塹邊坡的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)具體項(xiàng)目主要包括地表變形監(jiān)測(cè)、深孔位移監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)工作時(shí)間主要為施工期和公路營(yíng)運(yùn)初期,邊坡開挖和雨季時(shí)相應(yīng)加密監(jiān)測(cè)次數(shù)。

        該邊坡已完成施工一年,各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),預(yù)應(yīng)力錨桿在該邊坡防護(hù)中得到了較好的應(yīng)用。

        5結(jié)論

        邊坡防護(hù)時(shí),應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析資料,鑒別邊坡的破壞模式,確定邊坡不穩(wěn)定程度及范圍,對(duì)錨固方案的合理性、安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合論證分析。通過(guò)采用預(yù)應(yīng)力錨桿框架對(duì)本路段路塹高邊坡進(jìn)行加固,有效防止了邊坡失穩(wěn)破壞,取得了較好效果。邊坡錨固是一個(gè)系統(tǒng)工程,設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和加固方案計(jì)算比較,另外還需做好前期勘察及后期監(jiān)測(cè)工作。

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        收稿日期:2016-03-07

        作者簡(jiǎn)介:陶學(xué)俊(1984—),男,2009年畢業(yè)于河海大學(xué)巖土工程專業(yè),工學(xué)碩士,工程師。

        文章編號(hào):1672-7479(2016)03-0040-03

        中圖分類號(hào):TU753.8

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

        The Application of Prestressed Anchor in Cutting Slope Protection

        TAO Xuejun

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