張華員，吳 歌

(1.廣西地礦建設集團有限公司，廣西 南寧 530023； 2.河南省誠城巖土工程有限公司，河南 鄭州 450002)

0 引言

根據(jù)目前山體邊坡支護幾何形式，將其支護的形式分為兩種類型，大多數(shù)情況下按照面狀(混凝土噴錨、擋土墻等)、線狀(錨索加混凝土梁等)等幾何方式布置。兩種支護結構的布置方式均能對其中的邊坡破碎巖體起到完全地側限作用，但是支護結構的面積在邊坡面上占有相當大的比例，支護結構掩蓋部分或全部的邊坡坡面，盡管多數(shù)情況下在支護結構之間采取人工植草等措施，但是支護結構存在如下問題：(1)嚴重影響邊坡坡面植物生態(tài)的和諧性；(2)掩蓋了地質(zhì)結構觀賞性和教育意義；(3)支護結構產(chǎn)生的附加應力的擴散特性沒有充分利用，導致應力疊加面積較大和支護結構平面面積增加。為了減少支護結構在坡面所占的面積比例，削弱支護結構對邊坡生態(tài)和諧性的影響，充分利用錨索預應力在邊坡下產(chǎn)生附加應力的影響以及巖體對附加應力的擴散特點，并對附加應力影響因素系統(tǒng)分析，結合巖體邊坡地質(zhì)構造特征及附加應力分布性質(zhì)研究，為有效地防治了滑坡以及快速恢復原生態(tài)植被，提出了邊坡支護的新方法和支護結構——點狀有側限支護結構，并對其實施、運營、測試跟蹤驗證，顯示其具合理性、有效性、節(jié)約性、環(huán)保性等。

1 邊坡支護的附加應力分析

與土質(zhì)邊坡不同點在于巖質(zhì)邊坡內(nèi)部存在各種結構面，其將巖石切割為不同尺寸的塊狀且其具有一定幾何形狀：柱狀、層狀、圓形等。塊狀巖石具有幾何尺寸遠大于土顆粒直徑且不均勻和各向異性、應力傳遞效率大于土體顆粒的傳遞效率、應力傳遞方向與切割的結構面發(fā)育方向相同等特征。根據(jù)巖體力學中研究成果可知當其受到外部荷載的作用時，在上述規(guī)律性的影響下，導致巖體內(nèi)部附加應力等值線的分布與巖石中的差別較大。巖石中附加應力分布符合均勻和對稱的分布規(guī)律(見圖1)，但是巖體中的附加應力分布狀態(tài)受兩個因素影響，第一是外部荷載q作用的方向與巖體內(nèi)結構面夾角β的大小，第二是結構面抗剪強度大小，且非對稱分布，一般規(guī)律是附加應力沿著結構面?zhèn)鬟f，即沿著結構面向巖體內(nèi)部延伸(見圖2)[1]。

圖1β=90°應力分布圖2β=60°應力分布

巖體中附加應力傳遞實際與結構面幾何和力學屬性相關，例如其發(fā)育寬度、內(nèi)部充填物、延伸長度、結構面之間的夾角、裂隙度等諸多因素對其均有影響，總結以后得出以下與本文研究相關聯(lián)的附加應力傳遞影響因素。

(1)附加應力延伸深度與結構面抗剪強度相關，抗剪強度越高，深度越淺；抗剪強度越低，深度越深。

(2)β越大，應力沿著首層層面擴散，若巖體強度較高，擴散角變大，傳遞到深部的應力值越小。

(3)β越小，部分應力直接沿著層面?zhèn)鬟f，若巖體中結構面強度較低，擴散角變小，傳遞到深部的應力值越大。

(4)β為0～90°時，應力分布等值線呈現(xiàn)分叉現(xiàn)象，即直接沿著傾斜層面發(fā)育方向傳遞應力，在平面上呈現(xiàn)兩個較大的應力方向。

(5)應力分布等值線與荷載作用方向的夾角明顯高，表明即使在破碎的巖體中，向巖體內(nèi)部傳遞應力的深度有限。

(6)巖塊的幾何參數(shù)和排列方式控制著荷載傳遞方向與擴散角的大小。

(7)擴散角越大，對風化層以下巖體的約束現(xiàn)象越明顯，反之則異。根據(jù)“河南省濟源市泥卵石和變質(zhì)巖地質(zhì)構造風貌保護與滑坡災害防治”的靜載荷試驗數(shù)據(jù)，中等風化巖體的附加應力擴散角≥45°。

2 現(xiàn)行支護結構與邊坡體的分析

巖質(zhì)邊坡的變形到滑動存在3個階段：初始變形階段、穩(wěn)定變形階段、加速變形階段。每個階段對應誘因諸多，即使相同的地質(zhì)構造類型，其變形也受到后期各種地質(zhì)應力的影響。就邊坡的滑動而言是巖體側向變形的結果，是巖體邊緣附近主應力發(fā)生偏轉的規(guī)律，也是側向限制減弱的行為特征。

支護結構施加到巖體邊坡，實質(zhì)上是對坡面添加側向變形控制結構，通過結構的自重或自重和錨固力等增加側向應力到坡面。在通常設計中，只是將這種力或力的組合作為抵抗下滑力一種考慮，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)有如下幾個問題。

2.1 面狀支護結構附加應力特征忽略

(1)面狀支護結構設計沒有考慮支護結構自重在邊坡面下產(chǎn)生的附加應力及其分布狀態(tài)，不把自重產(chǎn)生坡面以下附加影響作為設計的參數(shù)。例如：扶壁式擋墻，整個坡面100%為墻體覆蓋，墻體重力引起坡面內(nèi)部附加應力的作用沒有作為設計依據(jù)和考慮的因素。

(2)產(chǎn)生滑動的坡面下往往是強風化層，表面分布多為坡積碎石，附加應力擴散角的作用及影響范圍同樣沒有在支護結構中考慮。例如：坡積碎石的變質(zhì)巖體中，經(jīng)過實測坡面下的應力擴散角為36°，坡面單邊寬度為b時，其應力一定深度z內(nèi)，應力擴散寬度的增量為Δd[2]：

Δd=ztan36°=0.73z

(1)

按照附加應力分布范圍特征計算，擴散角越大，支護結構對邊坡變形控制效果越強。

2.2 面狀支護結構交換中斷性

(1)對于面狀支護結構而言，100%阻斷了邊坡體的開放性，隔斷了物質(zhì)、能量、信息等交換，對邊坡內(nèi)部發(fā)育信息無法有效探測。例如：塊石擋墻墻面上除了排水孔外，沒有植物生存的風化層或強風化層出露的面積，植物失去了生存基礎；100%阻礙了生物和植物生存，甚至完全改變了邊坡自然屬性，成為純粹人工結構。

(2)面狀支護結構改變了坡面的地質(zhì)構造景觀觀賞性。例如在沉積巖構造發(fā)育地區(qū)，褶皺作為地質(zhì)構造，其本身就具備觀賞性和地殼應力變化表征，尤其公路坡面延伸距離長，涉及眾多地質(zhì)構造，可以形成地質(zhì)遺跡畫廊。然而受到支護理論和計算方法的影響，往往忽略此類的自然和諧性。

(3)附加應力在坡面下相互疊加，雖然有利于坡體的穩(wěn)定性，增加了坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)，但實際上應力疊加面積過大，根據(jù)坡面測試結果：疊加面積>56%，導致支護造價增加。

2.3 線狀支護結構交換中斷性

(1)線狀支護結構一般由格構和錨索組成，在設計過程中往往按照單位面積上滑動力計算支護構件的內(nèi)力，沒有考慮支護構件作用在邊坡面下產(chǎn)生的附加應力及其分布狀態(tài)。例如：混凝土格構加錨索，錨索產(chǎn)生的抗拔力與格構重力同時作用在坡面上，此引起坡面內(nèi)部附加應力的作用沒有作為設計依據(jù)和考慮的因素。

(2)產(chǎn)生滑動的坡面下往往是中風化巖層，甚至是輕微風化的巖體，附加應力的擴散角的作用及影響范圍同樣沒有在支護結構中考慮。例如中等風化的灰?guī)r巖體中，經(jīng)過實測坡面下的應力擴散角為45°，坡面單邊寬度為b時，其應力一定深度z內(nèi)，應力擴散寬度的增量為Δd[2]：

Δd=ztan45°=z

(2)

由式(1)和式(2)分析可知：按照附加應力分布范圍特征計算，擴散角越大，支護結構對邊坡面以下一定深度變形控制范圍越寬，與深度z成線性遞增關系，且不同巖體的擴散情況變化相對較大。

3 有側限支護結構簡介

根據(jù)有側限地基基礎研究成果，本文將控制垂直于主應力方向變形的結構稱為有側限支護結構。為了研究的方便，將有側限支護結構的一種也簡稱點狀支護結構，除了與面狀或線狀區(qū)分外，另外的目的如下。

(1)對巖土體側向變形進行控制，使之保持承擔主應力的有效性，由于在主應力作用下，材料屬性決定了其側向變形量的大小和穩(wěn)定期限。

(2)將支護結構產(chǎn)生的預加應力作為坡面下的附加應力，與巖塊應力擴散角結合，增加支護結構的間距，同時滿足以下內(nèi)容：

①在坡面支護構件上添加一定數(shù)量的預應力，該應力數(shù)值等于其錨索的握裹力；

②坡面巖體擴散角、切割度等參數(shù)測試，并對坡面劃分為不同的參數(shù)區(qū)域。

(3)減少支護構件的數(shù)量和形狀以及對邊坡表面自然生態(tài)環(huán)境的影響：

①支護結構的數(shù)量：按照施加預應力值的大小進行坡面附加應力擴散范圍的計算，并且量值控制在附加應力影響面積疊加20%以內(nèi)。

②支護結構的形狀：在坡面按照點狀布置錨索，并將錨索及相應的結構視為點狀支護結構(見圖3)，點狀支護結構由有側限構件、緊絲帽墊塊、緊絲帽、花管等組成。有側限構件作為錨固端，其為內(nèi)傾角預制混凝土構件，內(nèi)傾角等于巖土體附加應力擴散角。根據(jù)有側限地基的研究成果[3]，預加應力等于附加應力，通過有側限內(nèi)傾角二次擴散并與巖體擴散角疊加形成坡面下的應力拱層，其控制著巖體的側向變形。

圖3 有側限構件剖面示意

③勘察與設計：對巖體坡面進行詳勘，查明裂隙集中發(fā)育地帶，制作坡面裂隙分布圖；選擇典型區(qū)域進行靜載試驗確定邊坡附加應力擴散角，在滿足統(tǒng)計標準的前提下，確定坡面區(qū)域巖體切割度和擴散角等參數(shù)。

④點狀支護結構施工方法：預應力錨索按照常規(guī)施工，錨索的端部采用預制方法制作錨頭；錨索施工完畢滿足齡期規(guī)定后，安裝錨頭。通過緊絲添加預應力，達到設計值終止。

⑤環(huán)境保護：采用上述勘察、設計、施工等新理念后，坡面上人工破壞面積極小，大多數(shù)植被和植被層受到保護，因為只是對局部施工，影響范圍較小，一年的周期內(nèi)錨索周邊就可以被植物覆蓋，形成自然調(diào)節(jié)的生態(tài)環(huán)境，且免去人工植草的費用。

4 有側限支護的實例

4.1 工程概況

河南省濟源市山區(qū)公路為景觀點集中通道，且沿途自然及地質(zhì)環(huán)境特征獨特。由于太行山整個上升，巖層呈現(xiàn)不同傾斜狀態(tài)，加上沿途公路走向與地質(zhì)構造走向的不同角度切割，使得地質(zhì)構造遺跡清晰且多樣性而且類型豐富，充分展示了地質(zhì)構造運動宏偉性和科學意義，具有較高的地質(zhì)構造路途觀賞價值和科研價值，采用點狀有側限結構的支護方法對公路邊坡支護，節(jié)約邊坡治理的投入，又可將邊坡安全等級提高。達到技術創(chuàng)新，環(huán)境自然、公路與邊坡和諧的效應。

場地巖體為變質(zhì)巖，顏色繽紛，褐紅色、瓷白色、灰黃色等呈層狀顯現(xiàn)，地層厚度不等。對此場地進行兩項試驗和踏勘工作得出場地坡面附加應力擴散角42°～47.5°，坡面覆蓋層厚度為0.5～1.6 m，裂隙受到3個主要構造運動的擠壓呈米字型分布，切割度為0.56的占整個場地面積69%，切割度為0.4的占整個場地31%。

4.2 有側限結構支護設計

按照擴散角42°～47.5°，附加應力影響深度z=1.6 m，按照式(1)計算，Δd=1.44～1.74 m。

有側限構件的幾何尺寸作為安全儲備，單根錨索的影響半徑r=1.4～1.6 m，分別對場地劃分不同巖體切割度區(qū)域，針對性布置錨索孔，按照一般工況施工后，安裝有側限構件。

為了實現(xiàn)短時間施工完畢，達到控制邊坡巖土體變形的目標，有側限構件為現(xiàn)場C30素混凝土預制件(見圖3)，花管為工廠加工件，花管緊絲采用標準件，根據(jù)場地情況選擇如下類型和加工工藝。

有側限結構的坡面布置見圖4，圖中的公絲接頭、緊絲帽、緊絲帽墊塊在坡面上以外，其余均覆蓋于坡體內(nèi)部，構件坡面間距2.2～3.0 m，點狀布置，點與點之間沒有任何結構連接。

圖4 有側限結構坡面剖面示意

在整個坡面上有側限構件的表面積為1.2%，與傳統(tǒng)的支護方式相比較表面積極小。

利用公絲接頭施加預應力達到每根錨索預加應力值為460 kN。

根據(jù)巖體出露處的切割度和擴散角布置支護結構，其位置處采用簡單清理覆土到中風化層面即可。

4.3 試驗測試及綠化結果

對場地內(nèi)有側限構件選擇6組進行驗收試驗，分為3組，對有側限結構的影響半徑進行測試，深度1.5 m部位的測試結果顯示：影響半徑≥1.6～1.9 m，局部達到2.1 m，說明附加應力影響在實際工程中大于設計值，滿足實際工程要求。工程效果見圖5。

圖5 有側限結構坡面加固后照片

局部穩(wěn)定性方面：在影響半徑范圍內(nèi)由于附加應力及巖塊之間的崁固作用等，起到了防止邊坡表面松動巖體的滑動效應和表層巖體的應力松弛效應。

整體穩(wěn)定性方面：邊坡經(jīng)過3個雨季監(jiān)測顯示，其側向變形量最大值≤6 mm，坡肩沒有新的張裂縫產(chǎn)生，原有裂隙沒有持續(xù)增加寬度，公路路基側向擠壓現(xiàn)象消失。

綠化方面：植被按照自然恢復方法，無人為種植，在第一年當?shù)氐牟荼局参镆呀?jīng)開始全面生長，綠化率達到92%，坡面沒有受到支護治理的影響，在6—9月份的雨季時坡面不再繼續(xù)發(fā)生泥流和泥石流；第二年屬地部分灌木苗在坡面可見到局部分布，由于坡面強風化層在施工過程保持一定厚度，故灌木苗有足夠的生存條件；第三年坡面已經(jīng)存在大量屬地灌木，生態(tài)系統(tǒng)良好。

4.4 坡底溝渠內(nèi)雨季地表水測量

(1)坡面內(nèi)溝渠匯集的雨水含泥量<0.05%。

(2)經(jīng)過施工和竣工后3年的變形觀測，邊坡的最終水平變形量為4～6 mm。

5 結論

(1)結合巖體切割度、巖體內(nèi)發(fā)育的裂隙分布特征、塊體內(nèi)附加應力分布特征，形成點狀有側限支護方法在工程實例中證明是合理的、適宜的；

(2)邊坡支護方法眾多，本文本著最小限度的

對邊坡添加人工影響，讓生態(tài)自然恢復的方法，實現(xiàn)經(jīng)濟、合理、安全的施工措施，保證自然和諧性施工，消除了坡體滑坡、泥石流、崩塌等山區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)生；

(3)綠化問題研究的比較多，多數(shù)情況添加了人為植物的影響因素，改變生態(tài)自然平衡，本次方法屬于自然恢復方法，用于指導公路工程邊坡變形控制具有積極的學術意義。

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