高文軍，屈耀輝

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隴南市武都區(qū)坐落于白龍江Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地和北山各溝泥石流堆積扇之上，城區(qū)南、北兩山為構(gòu)造侵蝕中山地貌，山勢(shì)陡峭，溝谷發(fā)育，切割強(qiáng)烈，山體破碎。特殊的地質(zhì)環(huán)境造就了武都北山地質(zhì)災(zāi)害種類多、分布密度大、極其發(fā)育等特點(diǎn)，武都區(qū)為甘肅省乃至全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)和重點(diǎn)防治區(qū)。

不穩(wěn)定斜坡位于招待所溝溝口右側(cè)斜坡地帶，屬于前期自然形成、后期人工改造的高陡邊坡。該不穩(wěn)定斜坡坡高且陡峭，臨空面大，坡體上經(jīng)常發(fā)生有小型滑坡及崩塌災(zāi)害，直接威脅坡頂及坡腳居民安全。隨著人類活動(dòng)程度的加大，坡頂建房加載嚴(yán)重，坡腳開挖嚴(yán)重，如遇較大地震或特大暴雨，誘發(fā)崩塌或滑坡的可能性極大。不穩(wěn)定斜坡一旦失穩(wěn)，將對(duì)坡頂、坡體及坡腳居民生命及財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失。

1 不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)概況

1.1 不穩(wěn)定斜坡基本特征

招待所溝溝口右側(cè)不穩(wěn)定斜坡位于白龍江Ⅲ級(jí)階地前緣，即武都區(qū)北山坡腳處，平面形態(tài)呈近似“一”字形，斜坡坡向 163°～220°。斜坡由北向南傾斜，總體呈北西—南東向延伸，西側(cè)起點(diǎn)為上山臺(tái)階小路，東側(cè)延伸至招待所溝右岸，至住戶臺(tái)階路處為止，總寬度 270 m。斜坡坡頂為西關(guān)社區(qū)部分住戶及北山公路，斜坡坡腳高程 1 023.0～1025.0 m，坡頂高程 1 053.0～1 081.0 m，高差 30～58 m，坡度 45°～50°，局部坡段坡度達(dá) 70°［1］。

不穩(wěn)定斜坡整體可分為兩級(jí)坡，斷面上呈兩級(jí)臺(tái)階狀，一級(jí)臺(tái)階高出地面 15～16 m，臺(tái)面寬 2～14 m，由西向東逐漸變窄；二級(jí)臺(tái)階即為斜坡坡頂，高出一級(jí)臺(tái)階 15～42 m，臺(tái)面寬 15～30 m，臺(tái)面自北向南傾斜。斜坡斷面上呈折線型，呈上陡、中緩、下陡的特點(diǎn)。斜坡上部坡度 45°～50°，中部 30°～45°，下部 50°以上。不穩(wěn)定斜坡兩級(jí)坡前緣均較陡直，高差較大，尤其是二級(jí)坡坡面變形特征明顯，斜坡西段以崩塌、滑坡破壞形式為主，坡面局部臨空，坡面裂隙發(fā)育，坡腳崩滑體完整；斜坡東段以滑坡破壞形式為主，坡體破碎，小沖溝發(fā)育，表層土體溜滑跡象明顯。

不穩(wěn)定斜坡屬多層土質(zhì)斜坡，沿垂直方向呈層狀結(jié)構(gòu)，地層依次為上更新統(tǒng)（Q3）和全新統(tǒng)（Q4），上更新統(tǒng)以沖積物和洪積物為主，巖性有卵石、角礫、細(xì)砂和黃土狀粉質(zhì)黏土；全新統(tǒng)以坡積物和沖積物為主，巖性有塊石、碎石和黃土狀粉土；斜坡中部及頂部邊緣分布有人工素填土，在西側(cè)斜坡房屋后人工開挖陡坎處零星出露志留系千枚巖。

1.2 巖土體特征

不穩(wěn)定斜坡下部屬典型的第四系上更新統(tǒng)沖洪積地層，土體主要為卵石、中砂及角礫，水平層理明顯，膠結(jié)較好，但遇水易變形。斜坡上部東西兩側(cè)土體特征有所不同，西側(cè)斜坡表層為殘坡積物，巖性為塊石、碎石，大小混雜，膠結(jié)差，是崩塌、落石地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要地段；東側(cè)基本屬土質(zhì)斜坡，覆蓋有厚度約 2～30 m 的沖積黃土狀粉土，為白龍江階地物質(zhì)，堅(jiān)硬，但遇水易軟化，形成滑坡地質(zhì)災(zāi)害［2］。

2 不穩(wěn)定斜坡定性分析

2.1 斜坡穩(wěn)定性定性分析

不穩(wěn)定斜坡屬多層土質(zhì)斜坡，坡度 45°～50°，局部坡段坡度達(dá) 70°。斜坡高 30～58 m，屬于高陡斜坡。斜坡土體松散，坡面小沖溝發(fā)育，局部坡段崩、滑變形跡象明顯。根據(jù)斜坡結(jié)構(gòu)和變形特征不同，分四段進(jìn)行描述。

1）第一段斜坡。斜坡坡度 55°，局部臨空，具有崩塌發(fā)育的地形條件；無(wú)地表徑流，巖土體較濕；地層巖性為殘坡積塊石、碎石，膠結(jié)差；坡腳有堆積體，坡頂未見明顯裂縫，存在軟弱結(jié)構(gòu)面。

2）第二段斜坡。坡高 51 m，斜坡坡度 50°～56°，局部臨空；沒有地表徑流沖刷，未見泉水出露，巖土體較濕；坡體下部地層巖性為上更新統(tǒng)卵石、中砂及角礫，坡體上部地層巖性為殘坡積碎石土及黃土狀粉土；坡面有滑坡的跡象，坡頂未見明顯裂縫，存在軟弱結(jié) 構(gòu)面。

3）第三段斜坡。斜坡坡度 33°～45°，具有滑坡發(fā)育的地形條件；無(wú)地表徑流，巖土體較濕；地層巖性為黃土狀粉土，遇水易軟化；坡頂未見明顯裂縫，坡面小沖溝、落水洞發(fā)育；坡腳有土體溜滑現(xiàn)象。坡肩無(wú)位移跡象，但有積水地形。

4）第四段斜坡。斜坡坡度 51°，局部臨空；無(wú)地表徑流，巖土體較濕；地層巖性為黃土狀粉土，遇水易軟化；坡頂未見明顯裂縫，坡面小沖溝、落水洞發(fā)育［3］。

2.2 斜坡穩(wěn)定性定量分析及推力計(jì)算

穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式：

式中：Fs為不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性系數(shù)；ci為第 i 計(jì)算條塊滑動(dòng)面上土體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；φi為第 i 計(jì)算條塊滑動(dòng)面上土體的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值，°；li為第 i 計(jì)算條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m；θi為第 i 計(jì)算條塊底面傾角和地下水位面傾角，°；Gi為第 i 計(jì)算條塊單位寬度巖土體自重，kN/m；Gbi為第 i 計(jì)算條塊滑體地表建筑物的單位寬度自重，kN/m；Pwi為第 i 計(jì)算條塊滑體單位寬度的動(dòng)水壓力，kN/m；Ni為第 i 計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面法線上的反力，kN/m；Ti為第 i 計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面切線上的反力，kN/m；Ri為第 i 計(jì)算條塊滑動(dòng)面上的抗滑力，kN/m。因不穩(wěn)定斜坡未發(fā)現(xiàn)地下水，計(jì)算時(shí)不考慮地下水動(dòng)水壓力 Pwi［4］。

計(jì)算在自重、自重+暴雨、自重+地震三種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果如表 1 所示。

表1 穩(wěn)定性系數(shù)及推力成果匯總表

3 錨索支護(hù)加固方法驗(yàn)證試驗(yàn)

錨索基本試驗(yàn)是錨索性能的全面試驗(yàn)，目的是確定錨索的極限承載力和錨索參數(shù)的合理性，為錨索設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。通過預(yù)應(yīng)力錨索基本試驗(yàn)，確定錨固體與巖土層間的粘結(jié)強(qiáng)度特征值、錨索設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝，根據(jù)實(shí)際錨固力大小，修正設(shè)計(jì)參數(shù)。

錨索的性能試驗(yàn)為了確定錨索的極限承載力，檢驗(yàn)錨索在超過設(shè)計(jì)拉力并接近極限拉力條件下的工作性能和安全程度，以驗(yàn)證錨索的性質(zhì)和性能、設(shè)計(jì)工藝、設(shè)計(jì)合理性、施工工藝、安全儲(chǔ)備、錨索的抗拔拉承載能力、荷載、變形、松弛和蠕變等問題，以及有關(guān)搬運(yùn)、儲(chǔ)存、安裝和施工過程中抗物理破壞的能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錨索設(shè)計(jì)施工中的缺陷，以便在正式使用錨索前調(diào)整錨索結(jié)構(gòu)參數(shù)或改進(jìn)錨索制作工藝［5］。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)設(shè)計(jì)張拉荷載為 500 kN，鎖定荷載 350 kN，極限張拉荷載 750 kN，試驗(yàn)中最大試驗(yàn)荷載取極限抗拉荷載 750 kN 的 80 %，即 600 kN 進(jìn)行基本試驗(yàn)。本次五組預(yù)應(yīng)力錨索具體情況如表 2 所示。

表2 試驗(yàn)錨索情況匯總表

試驗(yàn)設(shè)備及儀表采用錨索錨墩提供支座反力，1 臺(tái) 100 t 拉拔儀加荷，用百分表測(cè)讀位移。拉拔儀、百分表，已經(jīng)過標(biāo)定校正。

1）錨索破壞標(biāo)準(zhǔn)。后一級(jí)荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過前一級(jí)荷載產(chǎn)生的位移增量的 2 倍；錨頭位移持續(xù)增長(zhǎng)；錨索桿體破壞。

2）錨索極限承載力的取值。錨索極限承載力取破壞荷載前一級(jí)的荷載值；在最大試驗(yàn)荷載作用下未能達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，錨索極限承載力取最大試驗(yàn)荷載。

當(dāng)每組試驗(yàn)錨索極限承載力的最大差值≤30 % 時(shí)，取最小值作為錨索的極限承載力；若最大差值＞30 %，應(yīng)增加試驗(yàn)數(shù)量，按 95 % 的保證率計(jì)算錨索極限承載力。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次共進(jìn)行了 5 組預(yù)應(yīng)力錨索基本試驗(yàn)，試驗(yàn)錨索的荷載-位移、荷載-彈性位移、荷載-塑性位移曲線穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)錨索的實(shí)測(cè)彈性變形量均大于該荷載下錨索自由段長(zhǎng)度理論彈性伸長(zhǎng)量的 80 %，同時(shí)均小于錨索自由段長(zhǎng)度與 0.5 倍錨固段長(zhǎng)度之和的理論彈性變形值，符合錨索的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)結(jié)果有效。5 組預(yù)應(yīng)力錨索基本試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力錨索 Q-s 曲線結(jié)果如圖 1～5 所示。

圖1 T1 號(hào)預(yù)應(yīng)力錨索 Q-s 曲線

圖2 T2 號(hào)預(yù)應(yīng)力錨索 Q-s 曲線

圖3 T3 號(hào)預(yù)應(yīng)力錨索 Q-s 曲線

圖4 T4 號(hào)預(yù)應(yīng)力錨索 Q-s 曲線

圖5 T5 號(hào)預(yù)應(yīng)力錨索 Q-s 曲線

本次 5 組預(yù)應(yīng)力錨索的基本試驗(yàn)，最大試驗(yàn)荷載均為 600 kN，錨頭相應(yīng)總位移量分別為 38.75、48.83、56.93、64.72、75.84 mm，在最大試驗(yàn)荷載下所測(cè)得的位移量均符合錨索不破壞標(biāo)準(zhǔn)，且荷載已達(dá)到最大加荷標(biāo)準(zhǔn)，故終止加荷。錨固體與巖土層極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 frbk（kPa）由式（5）計(jì)算：

式中：frbk為錨固體與巖土層極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；D 為錨索孔直徑，mm；Nak為錨索極限拉拔荷載，kN（破壞荷載前一級(jí)的荷載值）；la為錨固段長(zhǎng)度，m。本次基本試驗(yàn)中錨固體與巖土層極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 frbk為 170.6 kPa。

5 組預(yù)應(yīng)力錨索的基本試驗(yàn)結(jié)果表明：本次基本試驗(yàn)中錨固體與巖土層極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 frbk為 170.6 kPa，大于設(shè)計(jì)值 25 kPa。該高邊坡防護(hù)工程預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝合理，設(shè)計(jì)張拉荷載為 500 kN，錨索極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為 600 kN，當(dāng)前的施工工藝能滿足工程要求。

4 結(jié)語(yǔ)

錨索加固方法施工方式靈活，可產(chǎn)生很高的錨固預(yù)應(yīng)力，由于其加固深度大，并且能夠在較大范圍內(nèi)靈活變化，能夠?qū)崿F(xiàn)各種類型不穩(wěn)定斜坡的加固，在各類巖體地質(zhì)和結(jié)構(gòu)中都能適用。加大不穩(wěn)定斜坡坡體錨索支護(hù)加固方法的研究力度，在防治和減少泥石流、地震災(zāi)害方面具有重要意義。