馬強(qiáng)中

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州　730000)

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黃土地區(qū)高陡斜坡溜坍下滑治理研究

馬強(qiáng)中

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州730000)

摘要：根據(jù)黃土高陡斜坡溜坍下滑的現(xiàn)狀、特點(diǎn)、地質(zhì)情況等，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁預(yù)加固坡腳，通過(guò)檢算各級(jí)邊坡的最不利圓弧滑動(dòng)面，設(shè)置錨索格梁、十字形錨桿格梁加固防護(hù)各級(jí)邊坡，可有效治理高陡斜坡的溜坍下滑。研究闡明本項(xiàng)目的邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)檢算與工程設(shè)置情況，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū)；高邊坡；分級(jí)穩(wěn)定；預(yù)加固；錨固樁；預(yù)應(yīng)力錨索

分級(jí)穩(wěn)定及坡腳預(yù)加固技術(shù)，是對(duì)高邊坡從上到下分級(jí)加固防護(hù)，下部坡腳采用錨固樁[1]進(jìn)行預(yù)加固。針對(duì)王洼線清石河特大橋10號(hào)墩大里程側(cè)岸坎高陡黃土邊坡溜坍下滑的現(xiàn)狀、特點(diǎn)、地質(zhì)情況等，高陡黃土邊坡下部坡腳采用預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁進(jìn)行預(yù)加固，穩(wěn)住坡腳；由于10號(hào)墩位于坡頂，錨固樁樁頂以上四級(jí)邊坡坡率均為1∶0.75，為了加強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，樁頂一級(jí)、二級(jí)坡面防護(hù)設(shè)計(jì)為錨索格梁工程，樁頂三級(jí)、四級(jí)坡面防護(hù)設(shè)計(jì)為十字形錨桿格梁工程。經(jīng)鐵三院、鐵一院等各方巖土專家現(xiàn)場(chǎng)踏勘、論證，分級(jí)穩(wěn)定及坡腳預(yù)加固技術(shù)[2]，在治理清石河特大橋10號(hào)墩大里程側(cè)岸坎高陡黃土邊坡溜坍下滑中，是完全適合現(xiàn)場(chǎng)情況的綜合治理措施。

濕陷性黃土高邊坡溜坍下滑治理的案例在鐵路、公路等工程中比較多，但清石河特大橋斜坡溜坍下滑的特點(diǎn)是斜坡頂上為10號(hào)墩，坡腳為清石河河床及11號(hào)墩，斜坡高度55 m，原邊坡接近1∶1，局部陡峭，在11號(hào)墩施工中及施工后，斜坡多次發(fā)生溜坍下滑，下滑面積及下滑土方均比較大，為治理措施和施工帶來(lái)極大困難。

1清石河特大橋及岸坎邊坡概況

清石河特大橋?yàn)樵輩^(qū)至王洼線中唯一一座特大橋，橋址位于固原市高莊村大坪隊(duì)東北部，橫跨清石河深切溝谷，橋址處溝槽于平地下切深約55 m。橋位處溝槽較順直，溝底比降約為0.4%。兩岸植被一般，溝床為黃土質(zhì)溝床，溝內(nèi)有少量的常流水；小里程側(cè)岸坎較陡，基本呈直立狀，但坡面較整齊，溝頂為平坦耕地；大里程側(cè)岸坎較小里程側(cè)稍緩，但坡面稍破碎，岸坎頂為臺(tái)階狀耕地。據(jù)調(diào)查及鉆探揭示，橋址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)溜坍堆積、沖積砂質(zhì)黃土，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、沖積砂質(zhì)黃土，上第三系泥巖，下第三系砂巖夾泥巖。砂質(zhì)黃土主要分布于清石河殘留階地上，厚度35～60 m，工程范圍內(nèi)地表分布的砂質(zhì)黃土具Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷性，濕陷土層厚約20 m。砂質(zhì)黃土層下為上第三系泥巖。

清石河特大橋全長(zhǎng)612.7 m，主跨采用(48+2×80+48) m連續(xù)梁跨越清石河溝槽。原設(shè)計(jì)考慮不破壞原地形地貌，避免對(duì)既有岸坎邊坡產(chǎn)生擾動(dòng)，設(shè)計(jì)采用2×80 m大跨連續(xù)梁跨越清石河主溝，于清石河主溝內(nèi)設(shè)11號(hào)墩，墩高81.1 m，于坎頂平地設(shè)置10號(hào)墩及12號(hào)墩，墩高均為27.1 m，10號(hào)墩及12號(hào)墩承臺(tái)均置于岸坎邊坡穩(wěn)定線后以保證兩墩臺(tái)的安全，其中10號(hào)墩承臺(tái)邊緣距原斜坡15.25 m。10、11號(hào)墩布置如圖1所示。

圖1　10、11號(hào)墩布置圖及工程設(shè)置示意(單位：m)

2岸坎邊坡的溜坍體下滑過(guò)程及分析

原設(shè)計(jì)因節(jié)省投資并且盡量不破壞原狀斜坡的原則，未對(duì)該類斜坡做防護(hù)設(shè)計(jì)，而將墩臺(tái)置于邊坡穩(wěn)定線之后，因2012年6月中旬雨季施工期間常流水積聚并改變方向后，對(duì)斜坡底部造成部分掏蝕，導(dǎo)致斜坡上溜坍體滑落。2013年8月7日，因連續(xù)數(shù)日強(qiáng)降雨的形成，導(dǎo)致雨水從施工縫隙及陷穴下滲，造成10號(hào)墩斜坡表層溜坍體大面積下滑。2014年6月斜坡頂部局部再次發(fā)生溜坍。斜坡經(jīng)過(guò)多次溜坍后，溜坍體的范圍發(fā)展到線路左側(cè)37 m，線路右側(cè)39 m，溜坍體的厚度達(dá)到3～15 m。斜坡溜坍體及鐵路工程平面如圖2所示。

圖2　斜坡溜坍體及鐵路工程平面

原地貌發(fā)生較大改變，清石河內(nèi)洪水對(duì)10號(hào)墩斜坡底部進(jìn)行掏蝕，以及坡面受雨水沖刷、濕陷和施工干擾等因素，引起了邊坡多次垮塌。

3岸坎邊坡的溜坍體下滑后對(duì)10號(hào)墩的影響

10號(hào)墩為清石河特大橋主墩，墩高27.1 m，墩底設(shè)12根φ1.50 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)82.0 m。設(shè)計(jì)時(shí)考慮10號(hào)墩樁基頂端2.0 m的自由樁長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地面線核實(shí)后發(fā)現(xiàn)，溜坍后的斜坡坡面與邊坡穩(wěn)定線基本吻合，故根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)情況，10號(hào)墩能保證安全性。但是10號(hào)墩斜坡坡面若再進(jìn)一步侵蝕塌方，則會(huì)對(duì)10號(hào)墩造成安全隱患，以致無(wú)法正常使用，故需對(duì)10號(hào)墩斜坡坡面增加相應(yīng)的防護(hù)措施，保證現(xiàn)有坡面的穩(wěn)定。

4高邊坡溜坍下滑擋護(hù)方案的研究

4.1高邊坡溜坍體下滑的防護(hù)特點(diǎn)

清石河特大橋10號(hào)墩大里程側(cè)的邊坡高度為55 m，溜坍下滑后邊坡坡率接近1∶0.75。當(dāng)樁頂以上邊坡設(shè)計(jì)為1∶1的刷方坡率，坡面設(shè)置漿砌片石拱型骨架護(hù)坡防護(hù)時(shí)，10號(hào)墩的承臺(tái)及部分樁基外露，且樁頂邊坡的穩(wěn)定性難以保證。

10號(hào)墩斜坡的邊坡高度大，坡度陡峭，黃土濕陷性很嚴(yán)重，坡頂有10號(hào)墩限制，坡腳有河床及11號(hào)墩限制；因邊坡多次垮塌，坡腳溜坍堆積土體多，未治理前不宜清除。

為防止10號(hào)墩斜坡的邊坡坡面受雨水沖刷、濕陷及洪水掏蝕而進(jìn)一步滑塌，維護(hù)山坡平衡，保護(hù)環(huán)境，對(duì)斜坡溜坍下滑進(jìn)行治理研究。

4.2預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁的設(shè)計(jì)與檢算4.2.1預(yù)應(yīng)力錨索錨固樁的設(shè)計(jì)參數(shù)

重度γ=19 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ0=40°、強(qiáng)風(fēng)化泥巖地基系數(shù)m=90 000 kPa/m2，橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度8度)。

樁底支承條件:鉸接，計(jì)算方法:M法。

錨孔壁與水泥砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度:0.25 MPa。

鋼絞線與水泥砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度：3.40 MPa。

4.2.2設(shè)計(jì)檢算

考慮地震情況下，計(jì)算庫(kù)侖土壓力[3]，如圖3所示。

圖3　土壓力與破裂角關(guān)系曲線

按庫(kù)侖土壓力計(jì)算預(yù)應(yīng)力錨索樁的內(nèi)力及位移。彎矩、剪力曲線如圖4所示。

圖4　彎矩、剪力曲線

最大位移=86 mm。

檢算的樁身尺寸如下。

樁總長(zhǎng):30.0 m，錨固深度:15.0 m

截面形狀:方樁，樁寬:2.0 m，樁高:3.0 m，樁間距:5.0 m。

樁體采用C40鋼筋混凝土[4]澆筑，局部沖刷線以上樁與樁之間設(shè)C40鋼筋混凝土擋土板。距錨固樁樁頂1.5、3.5 m處分別設(shè)一孔錨索[5]，錨索Ⅰ與水平面夾角20°，自由段[6]長(zhǎng)度為36 m，錨固段長(zhǎng)度為15 m；錨索Ⅱ與水平面夾角25°，自由段長(zhǎng)度24 m，錨固段長(zhǎng)度15.0 m。錨索設(shè)計(jì)施加預(yù)應(yīng)力為450 kN，錨固段提供的錨固力可達(dá)到 471 kN。

4.3錨索格梁的設(shè)計(jì)與檢算4.3.1錨索格梁的設(shè)計(jì)參數(shù)

重度γ=19 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ0=40°

橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.20g

錨孔壁與水泥砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度: 0.10 MPa

鋼絞線與水泥砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度：3.40 MPa

4.3.2設(shè)計(jì)檢算

應(yīng)用圓弧滑動(dòng)法[7]，找到最不利圓弧滑動(dòng)面，計(jì)算下滑力[8]，確定錨索格梁的結(jié)構(gòu)尺寸。最不利圓弧滑動(dòng)面簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5　樁頂邊坡最不利圓弧滑動(dòng)面簡(jiǎn)圖及土條底部切向力曲線

將錨拉點(diǎn)錨索拉力簡(jiǎn)化[9]為集中荷載，應(yīng)用有限元法按彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算。格子梁可簡(jiǎn)化為單元梁，按連續(xù)梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。彈性地基梁計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩、剪力圖如圖6所示。

圖6　彈性地基梁計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩、剪力圖

格梁肋柱間距4.0 m，橫梁間距4.0 m， 肋柱高為0.8 m、寬為0.6 m，橫梁高為0.8 m、寬為0.6 m。

錨索的自由段長(zhǎng)度依據(jù)最不利[10]圓弧滑動(dòng)面確定。最不利圓弧滑動(dòng)面如圖1所示。

錨索[11]的錨固段長(zhǎng)度依據(jù)錨索設(shè)計(jì)噸位確定，錨索的錨固力按10 m錨固段計(jì)算，超過(guò)10 m部分的錨固段起到加固[12]松散黃土的作用。

格梁設(shè)上、中、下3孔錨索，間距4.0 m，錨索鉆孔孔徑150 mm，錨固力由錨孔壁與水泥砂漿的抗剪強(qiáng)度控制。錨索與水平面向下夾角為20°，自由段長(zhǎng)度6～14 m，錨固段長(zhǎng)度15.0 m；采用φ15.2 mm高強(qiáng)鋼絞線[13]，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa。錨索孔注漿材料采用M35水泥砂漿。格梁之間的坡面疊砌生態(tài)袋。

4.4十字形錨桿格梁的設(shè)計(jì)與檢算4.4.1十字形錨桿格梁的設(shè)計(jì)參數(shù)

重度γ=19 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ0=38°

橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.20g

錨孔壁與水泥砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度: 0.10 MPa

鋼筋與水泥砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度：2.70 MPa

4.4.2設(shè)計(jì)檢算

應(yīng)用圓弧滑動(dòng)法，找到三、四級(jí)坡面的淺層圓弧滑動(dòng)面，計(jì)算下滑力，確定十字形錨桿格梁的尺寸。三、四級(jí)坡面淺層圓弧滑動(dòng)面簡(jiǎn)圖及土條底部切向力計(jì)算如圖7所示。

圖7　三、四級(jí)坡面淺層圓弧滑動(dòng)面及土條底部切向力曲線

三級(jí)、四級(jí)邊坡設(shè)置十字形錨桿格梁，邊坡[14]坡率為1∶0.75，框架肋柱間距2.5 m，橫梁間距2.5 m，框架[15]肋柱、橫梁高為0.4 m、寬為0.3 m。肋柱下有溜塌坑凹部分時(shí)嵌補(bǔ)M7.5漿砌片石，嵌補(bǔ)寬度0.5 m。錨桿鉆孔孔徑90 mm，每孔錨桿采用1根φ25 mm螺紋鋼筋，錨桿與水平面向下夾角為20°，錨桿長(zhǎng)度7.5～15 m，采用HRB400級(jí)鋼筋，孔內(nèi)注漿材料采用M35水泥砂漿。格梁之間的坡面疊砌生態(tài)袋。

5結(jié)論及建議

(1)運(yùn)用分級(jí)穩(wěn)定及坡腳預(yù)加固技術(shù)治理王洼線清石河特大橋10號(hào)墩大里程側(cè)岸坎高陡黃土邊坡溜坍下滑起到了很好的效果。

(2)在濕陷性黃土深切溝谷設(shè)置橋梁工程時(shí)，應(yīng)評(píng)估橋墩施工中對(duì)橋墩周邊黃土斜坡產(chǎn)生的擾動(dòng)范圍及程度，并依據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)黃土斜坡采取安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的加固防護(hù)措施。

(3)工程范圍內(nèi)的濕陷性黃土高邊坡，在雨季極易發(fā)生溜坍下滑，施工時(shí)應(yīng)將擾動(dòng)范圍及程度降低至最小，施工前做好坡頂、坡底、坡面的系統(tǒng)排水，可避免黃土邊坡的溜坍下滑。

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收稿日期：2016-01-07； 修回日期：2016-01-23

作者簡(jiǎn)介：馬強(qiáng)中(1980—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：49962977@qq.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)07-0059-04

中圖分類號(hào)：U213.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.014

Research on Treatment of High and Steep Slope Collapse and Sliding in Loess Areas

MA Qiang-zhong

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute， Lanzhou 730000， China)

Abstract：In view of the current situation， characteristics and geological conditions of high and steep slope sliding in loess areas， prestressed anchor pile is applied to pre-reinforce the toe of slope. Based on the calculation of the most unfavorable circular slipping surface of slopes at all levels， anchor cable lattice beam and cross type bolt lattice beam are set up to effectively reinforce and protect the slopes. This paper studies and defines slope design parameters， design verification and engineering configuration and provides references for the engineering deign of similar projects．

Key words：Loess areas; High slope; Staged reinforcement; Pre-reinforcement; Anchor pile; Prestressed anchor