侯偉濤，沈 鵬

（1.佛山市南海三山新城投資發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528200；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

1 引言

預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種支護(hù)形式，最早應(yīng)用于公路和鐵路陡坡高路基、路塹支擋工程中。該防護(hù)結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力錨索和肋板墻兩部分組成，把兩者受力的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，能夠很好地在高速公路路塹高邊坡加固處治中發(fā)揮作用，并有效解決坡體的穩(wěn)定性及邊坡淺表病害。預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻由于其結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，工作機(jī)理和受力特性尚不夠明確，理論研究滯后于工程應(yīng)用。

孫庚華[1]在洛湛鐵路某陡坡路基的施工過(guò)程中，在深路塹高陡邊坡采用了預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻治理方案，為軟巖以上地質(zhì)地礦土體支護(hù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。吳定略[2]對(duì)梅州至河源高速公路某段的預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支擋從方案選擇到施工細(xì)則進(jìn)行詳盡的介紹，加固效果明顯。針對(duì)云南紅河州某二級(jí)公路某一段由于局部斷落表層碎石、路基無(wú)法形成這一問(wèn)題，羅維宏[3]采用了預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻和框架錨桿支護(hù)等綜合處理措施。

本文針對(duì)某高速公路路塹邊坡淺層山體滑塌現(xiàn)狀，在邊坡施工條件受限情況下，采用預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻對(duì)該段高邊坡進(jìn)行加固處治。結(jié)合工程實(shí)例，介紹邊坡穩(wěn)定性分析過(guò)程、預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算及預(yù)應(yīng)力肋板墻施工要點(diǎn)，為類似工程提供參考。

2 工程概況

某高速公路K1182+200 至K1182+250 段左側(cè)邊坡為一級(jí)公路高速化改造施工開挖形成，改造后該段邊坡高度約為20m～40m，邊坡開挖范圍內(nèi)大部分為中風(fēng)化鈣質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)片巖，在建設(shè)期已采用噴射混凝土防護(hù)，局部地形陡峭路段采用錨索框架梁加固。

該段邊坡滑塌區(qū)域?yàn)槠履_處邊坡發(fā)生滑塌，經(jīng)調(diào)查，滑塌體沿路線縱向?qū)挾燃s為30m，淺層滑塌體自下而上發(fā)生較大位移，前后緣可見(jiàn)長(zhǎng)度約為30m，滑塌堆積體厚度最大約6m，滑塌體積約為2500m3。

3 地質(zhì)條件

3.1 地形地貌

該段邊坡屬中低山丘陵地貌區(qū)，山體呈東南走向，山間溝谷多呈“V”字型，自然地面較為陡峭，植被覆蓋較少，自然坡度70°～80°，相對(duì)高差150m～200m，高差極大。

3.2 地層巖性

該段邊坡地層主要由黃褐色第四系殘積層、灰白色石炭系鈣質(zhì)灰?guī)r、灰黑色炭質(zhì)灰?guī)r和灰青色炭質(zhì)頁(yè)巖等組成，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎[4]。巖層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀155 ∠63°（K1182+200 至K1182+250 段）和315 ∠25°，經(jīng)地球引力的作用，巖體互相擠壓，造成巖體出現(xiàn)多組節(jié)理、裂隙和不連續(xù)的構(gòu)造面。塌方邊坡坡向?yàn)?40°，傾角為50°～60°，巖層傾向與邊坡坡向基本一致，易產(chǎn)生順層滑塌。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

該段邊坡影響范圍內(nèi)未見(jiàn)斷裂構(gòu)造。在石炭紀(jì)以前，受到區(qū)域斷裂活動(dòng)影響，邊坡發(fā)育有連續(xù)褶皺，在區(qū)域構(gòu)造作用下，巖層受到推擠作用跡象明顯。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該段邊坡有連續(xù)向斜/背斜發(fā)育，滑塌邊坡位于背斜核部，在長(zhǎng)期風(fēng)化作用下，灰?guī)r節(jié)理面發(fā)生變質(zhì)軟化，巖體強(qiáng)度極低。該地區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)時(shí)不予考慮地震工況。

3.4 水文地質(zhì)條件

該段邊坡區(qū)域氣候溫和，降雨較多且集中在4～8月份，占全年降雨量的70%以上，最大年降雨量為3139mm。本區(qū)主要水文地質(zhì)類型是巖溶水，水量豐沛，地表、地下巖溶發(fā)育，補(bǔ)給水來(lái)源主要為大氣降水。

4 邊坡工程穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、建設(shè)期地質(zhì)勘查資料，并輔助監(jiān)測(cè)手段對(duì)該段邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)查分析。

4.1 滑塌體成因分析

4.1.1 地形地貌條件

該段滑塌邊坡為高陡邊坡，相對(duì)高差大，為邊坡滑塌形成了臨空面，加之巖體碎裂，為滑塌發(fā)育提供了條件。

4.1.2 地質(zhì)構(gòu)造原因

該段邊坡在區(qū)域構(gòu)造作用下，巖層受到推擠，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該段邊坡有連續(xù)向斜/背斜發(fā)育且位于背斜（向斜）核部，在地質(zhì)構(gòu)造推擠作用下，核部巖體極易碎裂；在長(zhǎng)期風(fēng)化作用下，灰?guī)r節(jié)理面發(fā)生變質(zhì)軟化是造成本次巖質(zhì)滑坡發(fā)育的主要內(nèi)在原因。

4.1.3 邊坡所在區(qū)域巖體特性

①灰質(zhì)灰?guī)r下伏的鈣質(zhì)灰?guī)r在構(gòu)造擠壓作用下發(fā)生完全碎裂，雁型節(jié)理密集發(fā)育，節(jié)理交錯(cuò)切割巖體，在早期擠壓構(gòu)造作用、后期物理風(fēng)化作用和巖體變質(zhì)作用強(qiáng)烈等條件下，造成該部分鈣質(zhì)巖體強(qiáng)度急劇下降。

②鈣質(zhì)灰?guī)r，夾雜有煤線（碳質(zhì)軟巖），該種夾層為極軟夾層，含碳量極高，光滑，雖為極薄層，但對(duì)該段邊坡失穩(wěn)具有一定影響。

③發(fā)育崩滑段巖體位于構(gòu)造核部/側(cè)翼位置，巖體節(jié)理裂隙極其發(fā)育且被破壞，因此邊坡強(qiáng)度實(shí)際上是由巖體上的結(jié)構(gòu)面控制的。三組以上的節(jié)理面將巖體切割成了碎塊狀，形成了貫通面，而坡腳有很好的臨空面，隨著風(fēng)化作用加劇，該段邊坡表層發(fā)生滑動(dòng)破壞。

4.1.4 強(qiáng)降雨

短時(shí)強(qiáng)降雨也是該段邊坡滑塌的主要誘因，強(qiáng)降雨伴隨的裂隙水急劇匯聚并填充在裂隙內(nèi)，水壓力上升，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面有效應(yīng)力急劇下降，進(jìn)而引發(fā)邊坡土體滑移。根據(jù)臨近已加固邊坡坡面錨索上安裝的錨索測(cè)力計(jì)采集的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降雨發(fā)生后，錨索上拉力急劇上升，在降雨完成后兩到三天錨索拉力才逐步降至原有強(qiáng)度，這也表明，強(qiáng)降雨對(duì)該處邊坡穩(wěn)定性影響極大。

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

本次穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要針對(duì)發(fā)生滑塌后滑塌體的母巖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4.2.1 定性分析評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑塌體后緣外側(cè)10m 范圍內(nèi)分布有兩道張拉裂縫，裂縫長(zhǎng)度約為12m，寬度約為3cm，受近期降雨影響，該張拉裂縫有進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大趨勢(shì)，并有可能形成遷移式滑坡。

對(duì)該段邊坡所處的地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為該段邊坡總體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在不利工況下，該段邊坡總體趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2 定量計(jì)算分析評(píng)價(jià)

目前針對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要有Bishop法、Janbu法、Spencer法、Sarma法等[5]，Sarma法應(yīng)用較為廣泛，且該方法適用于任意復(fù)雜形態(tài)的滑動(dòng)面。Sarma法[6，7]是Sarma 在1979 年提出對(duì)滑坡體進(jìn)行傾斜分條的極限平衡分析法，是極限平衡理論中較為先進(jìn)的方法，其滑體可以非垂直條分，滑動(dòng)面可以是任意形狀。

本文利用Sarma 改進(jìn)法對(duì)該段高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，求出安全系數(shù)，并與規(guī)定中穩(wěn)定系數(shù)FS進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)FS＜1 時(shí)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；1≤FS＜1.05 時(shí)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)1.05≤FS＜1.15時(shí)，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)FS≥1.15時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

①計(jì)算方法。

綜合分析邊坡特征后，認(rèn)為本段巖質(zhì)邊坡后續(xù)發(fā)生滑塌滑動(dòng)面為折線形，采用巖質(zhì)邊坡Sarma 改進(jìn)法進(jìn)行安全技術(shù)分析計(jì)算。將巖質(zhì)邊坡劃分為若干相對(duì)滑動(dòng)的塊體，滑體的滑動(dòng)形式如圖1 所示，力學(xué)分析模型如圖2所示。

圖1 滑體滑動(dòng)形式簡(jiǎn)圖

圖2 Sarma法力學(xué)模型

計(jì)算模型中Wi為塊體重量，Ki為臨界加速度系數(shù)，Xi、Ei為塊體側(cè)面上的切向及法向力，Ti、Ni為塊體結(jié)構(gòu)面上的切向及法向力，α1為塊體結(jié)構(gòu)面傾角，δi為塊體側(cè)面與垂直面的夾角，bi為塊體底面水平面上的投影長(zhǎng)度，C′i分別為塊體底滑面和底側(cè)面的粘聚力，φi′分別為塊體底面和側(cè)面的摩擦角。

Sarma法的計(jì)算公式[8]見(jiàn)式（1）。

式中：

②穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。

通過(guò)程序迭代計(jì)算，kC與F 呈單調(diào)遞減函數(shù)關(guān)系，如圖3 所示。用插值法可求出任意kC所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)FS。

圖3 FS與kC函數(shù)關(guān)系

③計(jì)算參數(shù)的選取。

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-2014）[9]及該段邊坡地質(zhì)條件，綜合確定該段邊坡為Ⅲ級(jí)巖質(zhì)邊坡，巖體完整程度為較完整，發(fā)生滑塌母巖巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)，結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面3級(jí)，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)，分別以天然工況和暴雨工況兩種工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，該段邊坡母巖強(qiáng)度重度、內(nèi)摩察角取值見(jiàn)表1。

表1 巖土層參數(shù)表

通過(guò)Sarma 計(jì)算方法，可以得出天然工況下F=1.033，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下F=0.946，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。需要采取措施對(duì)該段邊坡進(jìn)行加固處治。

5 方案設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

5.1 鋼筋混凝土肋梁配筋計(jì)算

肋板墻按以肋柱為支座的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行驗(yàn)算，其計(jì)算跨度LO為兩肋中點(diǎn)的距離，土壓力荷載傳到擋土墻，擋土墻荷載傳遞到兩邊的肋柱，肋柱荷載傳遞到錨索。

①荷載取擋土墻所在位置土壓力的平均值，即q=（σ′+σn）×h/2

式中，q、σ、h 分別表示作用在肋梁上均布荷載（kN/m）、靜止土壓力（kN/m2）、兩肋梁間擋土墻寬度（m）。

②肋梁跨中最大彎矩為Mmax=qlp2/8，剪力Q=qlp/2，根據(jù)擋土板的內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算。

5.2 預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算

①設(shè)計(jì)錨固力應(yīng)根據(jù)邊坡下滑力確定，按公式（8）計(jì)算。

式中，Pd、E、φ、α和β分別表示設(shè)計(jì)錨固力（kN）、下滑力（kN）、滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角（°）、錨索與滑動(dòng)面相交處滑動(dòng)面傾角（°）和錨索與水平面的夾角（°）。

根據(jù)該段地質(zhì)情況，在飽和水狀態(tài)下，E 取值1141.3kN，φ 取值25°，α 取值40°，β 取值20°。通過(guò)計(jì)算，飽水狀態(tài)下Pd=1255.7kN。因此，選用飽水狀態(tài)下的下滑力作為需要錨固力的計(jì)算，每延米需要錨固力為1314.8kN。

由于錨索間距3m，縱向一排布12 孔錨索，經(jīng)計(jì)算，錨索總所需錨固力為3767.1kN，單孔錨索設(shè)計(jì)錨固力為313.9kN。根據(jù)計(jì)算，單孔錨索設(shè)計(jì)錨固力采用400kN，每孔錨索采用4根鋼絞線。

②預(yù)應(yīng)力錨索采用粘結(jié)型錨固體，錨固體的承載能力由注漿體與錨孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度、錨索與注漿體的粘結(jié)強(qiáng)度及錨索強(qiáng)度三部分控制，設(shè)計(jì)時(shí)取其最小值[10]。

錨索總長(zhǎng)度按公式（9）計(jì)算，

式中，Lr為地層與注漿體間粘結(jié)長(zhǎng)度，m；

Lg為注漿體與錨索體間粘結(jié)長(zhǎng)度，m；

Lw為錨索外露段長(zhǎng)度，m；其長(zhǎng)度參照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行取值。

根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[11]可知，地層與注漿體間粘結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算公式和注漿體與錨索體間粘結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

式中，K、ξ、d、dg、?rb、?b、n 分別表示安全系數(shù)、錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù)、錨固段鉆孔直徑（m）、錨索體材料直徑（m）、地層與注漿體間粘結(jié)強(qiáng)度（kPa）、注漿體與錨索體間粘結(jié)強(qiáng)度（kPa）、錨索體根數(shù)（根）。

根據(jù)該段地質(zhì)情況及規(guī)范規(guī)定，在計(jì)算Lr時(shí)，K 取值1.8，ξ 取值1.0，d 取值0.13，?rb取值180kN。經(jīng)計(jì)算，Lr=9.780m。

設(shè)計(jì)錨索年限大于兩年，采用M30 水泥砂漿，因此在計(jì)算Lg時(shí)，K 取值2.0，ξ 取值0.6，dg取值0.015m，?b取值2950kN，n取值4根。經(jīng)計(jì)算，Lg=2.4m。

每孔錨索設(shè)計(jì)錨固力400kN，單根為100kN，經(jīng)驗(yàn)算，設(shè)計(jì)所采用鋼絞線滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 邊坡加固設(shè)計(jì)方案

采用在滑塌體區(qū)域設(shè)置錨索肋板墻的形式對(duì)邊坡坡腳面進(jìn)行補(bǔ)填式支檔加固，避免上部巖體失去支撐后逐步、逐段發(fā)生滑塌。肋板墻采用C25 鋼筋混凝土澆筑，墻板厚40cm，間隔3m 設(shè)置一條縱肋條，肋寬0.4m，肋板墻嵌入坡腳0.5m，在肋條上縱向間隔3m 打設(shè)一根錨索，錨索長(zhǎng)度20m，采用4 根Φ15.24 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，鉆孔直徑150mm，下傾20°，M30 水泥砂漿固結(jié)，錨索鎖定荷載為設(shè)計(jì)荷載80%。錨固段長(zhǎng)度不小于10m，共計(jì)104根。

6 預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻施工

6.1 施工工藝流程圖

預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻施工工藝流程如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖

6.2 施工注意要點(diǎn)

①根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況機(jī)械配合人工清理坡面，按照由上往下的順序進(jìn)行坡面清理，在邊坡上部采取有效臨時(shí)措施后才可清理靠近坡腳位置的松土。

②坡面清理完成后按設(shè)計(jì)要求布設(shè)錨索孔位，錨索孔施鉆時(shí)，要控制設(shè)計(jì)角度，并經(jīng)常檢查，不斷調(diào)整，控制角度差在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。在錨索孔鉆孔過(guò)程中，遇到塌孔、縮孔等不良鉆進(jìn)現(xiàn)象時(shí)，要立即停鉆，并采取措施對(duì)鉆孔進(jìn)行固壁處理，并做好現(xiàn)場(chǎng)記錄。鉆進(jìn)過(guò)程中，要記錄地層情況，如遇地下水和煤層等特殊情況，要做好記錄，如鉆到設(shè)計(jì)深度是煤層，則繼續(xù)鉆進(jìn)，孔深需要穿過(guò)煤層2m～3m。

③錨索材料要按照設(shè)計(jì)要求采用高強(qiáng)度、低松弛應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線強(qiáng)度不得低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，錨索應(yīng)采用切割機(jī)切割，禁止采用電焊切割。預(yù)應(yīng)力錨索拉拔試驗(yàn)應(yīng)按照設(shè)計(jì)提供的參數(shù)分級(jí)施加荷載，由專門技術(shù)人員詳細(xì)記錄每級(jí)荷載下不同觀測(cè)時(shí)間的錨頭位移量。

④施工時(shí)先施工安裝錨索，再施工肋板墻，每一級(jí)肋板墻的擋土墻和肋柱同時(shí)現(xiàn)澆一次成型。在確保坡面穩(wěn)定的情況下，采用從下往上現(xiàn)澆方式逐級(jí)施工肋板墻，直至全部防護(hù)完畢。肋板墻鋼筋綁扎時(shí)，鋼筋接頭需要錯(cuò)開，同一截面鋼筋接頭數(shù)量要滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。模板要安裝牢固，可以利用已經(jīng)安裝完成的錨索固定模板在坡面上。

⑤完善排水系統(tǒng)，減少雨水對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。在邊坡坡面修建截水溝、急流槽，在坡腳修建排水溝，在肋板墻施工時(shí)預(yù)留疏干孔。肋板墻頂部需要嵌入坡體，防止雨水從肋板墻頂部滲入坡體，避免造成肋板墻內(nèi)土壓力增大。排水溝開挖后地基土體松軟時(shí)，應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行夯實(shí)處理。排水溝溝底應(yīng)平順，排水暢通，急流槽應(yīng)使排水溝水流與路基邊溝之間形成過(guò)渡。

7 邊坡監(jiān)測(cè)

為指導(dǎo)該段高邊坡加固施工，了解邊坡穩(wěn)定趨勢(shì)，需重視邊坡監(jiān)測(cè)。該段邊坡監(jiān)測(cè)分為兩個(gè)階段，第一階段是加固施工階段邊坡監(jiān)測(cè)，第二階段是施工后1年內(nèi)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。第一階段主要以坡面調(diào)查、人工巡視、雨量觀測(cè)和地表位移監(jiān)測(cè)為主，第二階段以邊坡表面位移監(jiān)測(cè)和深部應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)為主。由于施工階段為雨季，應(yīng)加大雨量觀測(cè)頻率，設(shè)計(jì)確定每周雨量觀測(cè)頻率為3 次。在坡頂裂縫位置處及肋板墻頂部位置分別設(shè)置1處位移樁，在防護(hù)范圍選擇兩個(gè)斷面布錨索應(yīng)力計(jì)，在施工錨索的同時(shí)在錨索上裝入應(yīng)力計(jì)。在施工過(guò)程中，本邊坡最大橫向位移為15mm，縱向位移為11mm，監(jiān)測(cè)變形趨于穩(wěn)定，邊坡加固施工過(guò)程中較安全。

8 結(jié)語(yǔ)

①本文結(jié)合某高速公路高邊坡加固工程實(shí)例，通過(guò)詳細(xì)分析邊坡地質(zhì)條件，利用巖質(zhì)邊坡Sarma 改進(jìn)法安全技術(shù)分析進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，確定邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，為選擇邊坡加固方案提供依據(jù)。

②公路高邊坡處于營(yíng)運(yùn)時(shí)期時(shí)，進(jìn)行邊坡加固施工不僅要保障車輛通行暢通，而且要保障過(guò)往車輛通行安全，在選擇邊坡加固方案時(shí)要考慮施工條件的限制。實(shí)例證明，采用預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻加固方案受外界環(huán)境條件及地質(zhì)條件受限較少，容易開展，能有效解決坡體的穩(wěn)定性。本文還通過(guò)計(jì)算分析確定預(yù)應(yīng)力錨索肋板墻設(shè)計(jì)參數(shù)，總結(jié)預(yù)應(yīng)力錨桿肋板墻方案設(shè)計(jì)施工注意要點(diǎn)，為類似工程提供參考。

③不同地區(qū)的地質(zhì)條件不同，在施工過(guò)程中要結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況和外界條件的要求對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，施工過(guò)程中做好邊坡監(jiān)測(cè)，確保施工安全。