顏芳華
(山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)
黃土是西北地區(qū)一種典型的第四紀(jì)松散沉積物,其獨(dú)特的物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)及所處的地貌構(gòu)造環(huán)境,形成了其獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì),即具有干燥時(shí)強(qiáng)度高,失水后結(jié)構(gòu)破壞,黏聚力迅速減少,且變化幅度較大等特點(diǎn),這些特點(diǎn)使得黃土地區(qū)邊坡在雨水的作用下經(jīng)常遭遇不同程度的崩塌、滑坡等失穩(wěn)破壞現(xiàn)象[1],本文以黃土地區(qū)某運(yùn)煤公路高邊坡加固設(shè)計(jì)為例,對(duì)黃土高陡邊坡的加固處治作一探討。
運(yùn)煤公路位于呂梁中段西部,地貌單元屬黃土梁、峁、溝壑地帶,為典型的黃土丘陵地貌單元,無(wú)破壞性地震,屬于輕震區(qū),抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g;凍土深度100~130 cm,多年平均降雨量為625 mm,降雨量分配不均勻,多集中于每年6月下旬至9月上旬,溝谷中水流為季節(jié)性流水,雨季降雨期間,地表水沿山坡及沖溝匯集、徑流,為瞬時(shí)-短時(shí)性水流;地下水埋深較深。
該公路建設(shè)單位為山西省呂梁市某煤礦,作為煤炭外運(yùn)的主要通道,于2015年建成通車,全線均按二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)速度60 km/h,路基寬度10 m,瀝青混凝土路面。K4+321—K4+390段以路塹形式從黃土山丘鞍部通過(guò),并沿山丘斜坡延伸,路塹邊坡開(kāi)挖后形成一段長(zhǎng)約70 m,邊坡高度約26 m的土質(zhì)高邊坡,原設(shè)計(jì)為兩級(jí)邊坡,第一級(jí)邊坡高10 m,第二級(jí)邊坡高16 m,邊坡坡率約為1∶0.3~1∶0.5。
地質(zhì)勘察結(jié)果顯示該段高邊坡地層巖性上部為粉土,粉土層厚度約12~30 m不等,黃褐色,稍濕,稍密-中密,土質(zhì)較均勻,具大孔隙,無(wú)層理,垂直節(jié)理發(fā)育,容易形成黃土陡壁;下伏粉質(zhì)黏土層,黃褐色-棕紅色,可塑,層理狀分布,含少量鐵錳質(zhì)斑點(diǎn),韌性中等,干硬度較強(qiáng),粉土與粉質(zhì)黏土層界面處含水率較高。
K4+321—K4+390段位于一黃土山丘的鞍部,山丘自然坡度較陡,路基開(kāi)挖后在右側(cè)形成了一段長(zhǎng)約70 m,高度約26 m的土質(zhì)高邊坡,設(shè)計(jì)為兩級(jí)邊坡,第一級(jí)邊坡高度為10 m,設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨索擋土板支護(hù)(已施工完畢),二級(jí)邊坡高度約為16 m,邊坡坡率約為1∶0.3~1∶0.5,邊坡坡面及山體未設(shè)置任何防護(hù)加固措施與排水措施,坡面沖刷、剝落嚴(yán)重,部分路段由于沖刷、剝落而在坡面形成凹進(jìn)的反坡地形。該段邊坡上部為粉土,下部為粉質(zhì)黏土;目前一級(jí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),二級(jí)邊坡由于高度過(guò)高,坡率較陡,邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),邊坡土體在雨水的作用下已經(jīng)出現(xiàn)了局部滑塌現(xiàn)象;但邊坡上方陡峭山體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。
通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪及現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析,引起該段邊坡失穩(wěn)的主要原因是設(shè)計(jì)、施工存在缺陷以及不利的巖土層結(jié)構(gòu)組成,具體原因如下:
a)邊坡高度較高,原設(shè)計(jì)坡率較陡,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.97,邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),坡面土體沖刷、剝落破壞嚴(yán)重,部分路段已形成凹進(jìn)的反坡地形,進(jìn)一步降低了邊坡的穩(wěn)定性,因此,設(shè)計(jì)存在缺陷,導(dǎo)致邊坡自身穩(wěn)定性不足是造成邊坡滑塌的主要原因。
b)二級(jí)邊坡坡面及山體原設(shè)計(jì)未設(shè)置任何防排水措施,上游山體及坡面匯水無(wú)法及時(shí)引出,雨水沿山體及坡面進(jìn)入土體,導(dǎo)致邊坡土體含水量增加甚至飽和軟化,一方面降低了邊坡土體的抗剪強(qiáng)度,另一方面雨水的進(jìn)入使土體的自重增加,有效降低了邊坡的自身穩(wěn)定性,從而造成邊坡失穩(wěn)坍塌。
c)不利的巖土層結(jié)構(gòu)。邊坡下部為粉質(zhì)黏土,其性質(zhì)遇水軟化,失水崩解,且粉質(zhì)黏土層相對(duì)于上部粉土來(lái)說(shuō)是較好的隔水層;雨水進(jìn)入土體后積聚于粉土與粉質(zhì)黏土層界面處,導(dǎo)致界面處抗剪強(qiáng)度降低,并形成較薄且力學(xué)性能較低的“易滑”層,為失去力學(xué)平衡的坡體提供了良好的滑動(dòng)面[2],如不及時(shí)進(jìn)行加固,極有可能形成大型滑坡。
a)堅(jiān)持自然恢復(fù)與生態(tài)防護(hù)并重、生物防護(hù)與剛性防護(hù)并重、柔性防護(hù)與自然生態(tài)恢復(fù)并重的設(shè)計(jì)原則。
b)采用綜合處治的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì),有效治理邊坡滑塌,確保邊坡安全穩(wěn)定。
c)盡量減少對(duì)山體的擾動(dòng),避免對(duì)原有生態(tài)環(huán)境造成破壞。
d)邊坡加固時(shí)盡量減少對(duì)下部邊坡荷載的增加,避免對(duì)邊坡下部預(yù)應(yīng)力錨索擋土板產(chǎn)生不良影響。
e)坡面不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間裸露于大氣環(huán)境中。
f)加強(qiáng)邊坡及山體的截排水設(shè)計(jì),確保邊坡穩(wěn)定安全。
預(yù)應(yīng)力錨索框架梁作為一種主動(dòng)加固防護(hù)形式,通過(guò)將錨索體錨入(錨固段)邊坡一定深度并施加一定的張拉力,錨索體通過(guò)鋼筋混凝土框格梁主動(dòng)、適時(shí)地對(duì)邊坡體施加預(yù)應(yīng)力,有效克服或扼制邊坡穩(wěn)定性不利因素的累積和發(fā)展,主要適用于大、中型楔體破壞和潛在裂面滑動(dòng)破壞的坡體,其與放坡對(duì)山體進(jìn)行大開(kāi)挖來(lái)滿足邊坡的穩(wěn)定性相比具有以下幾方面優(yōu)勢(shì):
a)預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁屬于主動(dòng)加固防護(hù)形式,通過(guò)對(duì)邊坡巖土施加預(yù)應(yīng)力,克服或扼制邊坡穩(wěn)定性不利因素的累積和發(fā)展,且對(duì)下部預(yù)應(yīng)力錨索擋土板荷載增加很小,不會(huì)對(duì)擋土板產(chǎn)生影響。
b)避免對(duì)山體進(jìn)行大開(kāi)挖,大大減少了對(duì)原穩(wěn)定山體的擾動(dòng)。
c)原山體自然坡面陡峭,如采用放坡開(kāi)挖方案,放坡后其邊坡高度將超過(guò)40 m,并將產(chǎn)生廢棄土方約7萬(wàn)余方,一方面廢棄土方需另?yè)竦胤酵咨铺幹?,另一方面?duì)原山體良好的植被造成嚴(yán)重影響,與綠色環(huán)保的理念沖突。
d)采用預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁加固,工期短,施工方便快捷,對(duì)運(yùn)煤公路的安全運(yùn)營(yíng)影響小,能有效減少施工作業(yè)對(duì)山體穩(wěn)定性的影響。
e)采用噴射混凝土預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu),由于噴射混凝土施工時(shí)沖力大,使得混凝土有較好的密實(shí)性,且混凝土與原邊坡土質(zhì)有較好的結(jié)合性。
f)預(yù)應(yīng)力錨索框架梁格內(nèi)采用客土種植綠化,既可防止框架梁格內(nèi)水土流失,又能增加框格梁的穩(wěn)定性。
圖1 邊坡加固工程剖面圖
根據(jù)邊坡的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)以及環(huán)境條件,結(jié)合附近高速公路黃土高邊坡的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),并考慮到下部已施工的預(yù)應(yīng)力錨索擋土板,因地制宜,在合理選擇各土層力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算后,擬采用預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁對(duì)邊坡進(jìn)行加固,具體方案如圖1。
3.3.1 清除開(kāi)挖滑塌土方
清除開(kāi)挖二級(jí)邊坡已滑塌的松散土方并平整坡面,邊坡坡率采用1∶0.75,并在原預(yù)應(yīng)力錨索擋土板頂部形成3.0 m寬平臺(tái)(一級(jí)平臺(tái)),邊坡以上的山體維持原樣,盡量不對(duì)其進(jìn)行擾動(dòng)。
3.3.2 邊坡加固
平整坡面后采用預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框格梁對(duì)二級(jí)邊坡進(jìn)行加固,預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度為25 m,錨固長(zhǎng)度為15 m,單孔設(shè)計(jì)拉力200 kN,錨孔直徑150 mm,傾角15°,錨索體一束由3根φ15.24高強(qiáng)度、低松弛普通鋼絞線組成,鋼絞線強(qiáng)度為1 860 MPa;框架梁截面尺寸為30 cm×40 cm,框架豎肋和橫梁全部嵌入坡面,單片框格為3 m×5 m,每個(gè)梁節(jié)點(diǎn)植入3束錨索,框格梁采用鋼筋混凝土澆筑,混凝土為C20噴射混凝土。錨索張拉鎖定后暫不剪斷錨索及封錨,待邊坡完全穩(wěn)定后再采用C20混凝土進(jìn)行封錨,若邊坡穩(wěn)定期間由于土體壓縮變形導(dǎo)致錨索出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象時(shí)應(yīng)進(jìn)行二次或多次張拉,同時(shí)在后期維護(hù)過(guò)程中應(yīng)定期檢查錨索并及時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力。
3.3.3 排水工程
本次邊坡加固注重排水系統(tǒng)的完善,一級(jí)平臺(tái)均設(shè)置平臺(tái)排水溝,邊坡坡頂設(shè)置截水溝,截排上游匯水,同時(shí)在邊坡兩側(cè)設(shè)置急流槽,將截水溝及平臺(tái)排水溝內(nèi)雨水引至下方排水系統(tǒng),平臺(tái)排水溝采用C20混凝土預(yù)制塊結(jié)構(gòu)。急流槽則采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土為C20噴射混凝土,并在槽底設(shè)置長(zhǎng)2 m的錨桿,增加急流槽在高陡邊坡上的穩(wěn)定性。
預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁施工前應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)段進(jìn)行錨索試驗(yàn),錨索試驗(yàn)數(shù)量不少于3根,最大試驗(yàn)荷載不超過(guò)錨索體承載力標(biāo)準(zhǔn)值的0.9倍;施工前應(yīng)編制安全施工專項(xiàng)方案,并設(shè)置必要的圍擋設(shè)施,防止施工期間對(duì)運(yùn)煤公路的運(yùn)營(yíng)安全造成隱患。施工時(shí)應(yīng)分段分片施工,分段長(zhǎng)度不宜大于20 m,預(yù)應(yīng)力錨索框架梁布置時(shí)應(yīng)因勢(shì)利導(dǎo)采用分片式施工,并根據(jù)地形地勢(shì)條件靈活調(diào)整框架梁的尺寸和網(wǎng)格密度,但應(yīng)以單片梁作為一個(gè)整體進(jìn)行調(diào)整。邊坡穩(wěn)定期間若土體壓縮變形導(dǎo)致錨索出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象時(shí)應(yīng)進(jìn)行二次或多次張拉,同時(shí)在后期維護(hù)過(guò)程中應(yīng)定期檢查錨索并及時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力。雨季施工時(shí)應(yīng)做好施工組織安排,確保設(shè)置的臨時(shí)截排水設(shè)施排水通暢。平臺(tái)排水溝和急流槽施工時(shí)基底必須夯實(shí)。
高邊坡的失穩(wěn)破壞影響因素眾多,因此在進(jìn)行邊坡加固設(shè)計(jì)時(shí),首先要結(jié)合工程所處的地質(zhì)環(huán)境,正確分析邊坡的失穩(wěn)機(jī)理,合理分析高邊坡可能出現(xiàn)的破壞情況,并結(jié)合工程特點(diǎn),綜合考慮施工方法和經(jīng)濟(jì)條件,經(jīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算后提出相應(yīng)的加固方案。目前該段高邊坡加固處治已剛剛施工完畢,從施工完成后近一個(gè)月的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,該段邊坡已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。