朱榮卡
(深圳華粵城市建設(shè)工程設(shè)計(jì)有限公司粵西分公司,廣東 茂名 525000)
近年來,公路工程乃至城市市政道路工程建設(shè)范圍出現(xiàn)了新的變化。由于城市擴(kuò)張?jiān)絹碓娇?,開發(fā)程度愈來愈高,用地越來越緊張,使得道路建設(shè)向更為復(fù)雜的地形區(qū)延伸。
本文通過粵北某山區(qū)公路改擴(kuò)建工程的實(shí)例經(jīng)驗(yàn),針對多雨山區(qū)道路設(shè)計(jì)尤其是深路塹邊坡防護(hù)采用錨索加固時,通過設(shè)計(jì)計(jì)算乃至具體方案設(shè)計(jì)論證,避免類似氣候環(huán)境采用錨索加固措施失效導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的事故發(fā)生。
粵北某山區(qū)一級公路改擴(kuò)建工程為雙向六車道,橫斷面為:3.75 m(人行道)+5 m(非機(jī)動車道)+2 m(側(cè)綠化帶)+11.75 m(車行道)+5 m(中央綠化帶)+11.75 m(車行道)+2 m(側(cè)綠化帶)+5 m(非機(jī)動車道)+3.75 m(人行道)=50 m,由于原公路路線一處越嶺展線,西側(cè)為較為陡峭的巖質(zhì)邊坡,東側(cè)為典型坡度較緩的巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡,改擴(kuò)建方案沿著東側(cè)進(jìn)行擴(kuò)建,為了節(jié)省工程造價,該處節(jié)點(diǎn)對工程斷面有所壓縮調(diào)整。
該處現(xiàn)狀如下:擬建公路從山體坡腳通過,坡底最低標(biāo)高122~138 m,坡頂最高標(biāo)高為197.51 m,山體最大自然坡角約45°,山體植被發(fā)育,生長桉樹及各種灌木、蕨類植物。
經(jīng)調(diào)查該區(qū)域氣候如下:屬中亞熱帶季風(fēng)型氣候,區(qū)內(nèi)氣候溫和,雨量充沛,大氣降水滲入為地下水的主要補(bǔ)給來源,經(jīng)調(diào)查區(qū)內(nèi)暴雨期內(nèi)山洪爆發(fā)經(jīng)常發(fā)生,對邊坡影響較大。
該節(jié)點(diǎn)平面見圖1。
圖1 節(jié)點(diǎn)平面布置圖
參考公路設(shè)計(jì)習(xí)慣以及《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》,本文采用圓弧滑動面邊坡穩(wěn)定計(jì)算,其中簡化畢肖普法作為公路部門推薦方法。參考相關(guān)文獻(xiàn),該方法是比較簡單實(shí)用,適合作為工程設(shè)計(jì)人員使用的方法。
簡化畢肖普法公式如下:
式中:K 為整個滑體剩余下滑力計(jì)算的安全系數(shù);b為單個土條的寬度,m;W 為條塊重力,kN,浸潤線以上取重度,以下取飽和重度;θ 為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角,°;C、φ 為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),采用總應(yīng)力法時,取總應(yīng)力指標(biāo),采用有效應(yīng)力法時,取有效應(yīng)力指標(biāo)。
根據(jù)初步放坡方案高度測算,該項(xiàng)目按巖質(zhì)邊坡已經(jīng)超過30 m,坡腳下為一級公路,南側(cè)坡腳下接公路大橋,路線縱坡4%,南低北高,破壞后果非常嚴(yán)重,所以邊坡安全等級為一級。
根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 30—2015),路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表1。
表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)控制表
其中正常工況:邊坡處于天然狀態(tài)下工況
非正常工況I:邊坡處于暴雨或者連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下的工況。
根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02)由于該地區(qū)基本地震動峰值加速度為0.05g,對應(yīng)原地震基本烈度為VI 度,總體處于建筑抗震一般地段。所以非正常工況II——邊坡處于地震等荷載作用狀態(tài)下的工況不需要驗(yàn)算。
綜上所述,結(jié)合工點(diǎn)邊坡安全等級,該工點(diǎn)安全系數(shù)取值如下:
正常工況安全穩(wěn)定系數(shù)須在1.3 以上;
非正常工況I 安全穩(wěn)定系數(shù)須在1.2 以上。
該工點(diǎn)地質(zhì)剖面見圖2。
圖2 地質(zhì)剖面圖
土層揭露如下:
(1)殘積(Qel)4-1-1 砂質(zhì)黏性土:灰褐色,硬塑,主要由粉黏粒組成;
(2)燕山期(γ)花崗巖
5-1 全風(fēng)化花崗巖:淺灰黃色,結(jié)構(gòu)基本破壞,呈砂土狀;
6-1 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:黃褐色,結(jié)構(gòu)大部分已破壞,巖芯呈砂土狀,局部夾強(qiáng)風(fēng)化巖塊。
6-1-1 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:灰黃色,裂隙發(fā)育,巖芯呈塊狀,局部夾半巖半土狀。
7-1 中風(fēng)化花崗巖: 灰色,巖體裂隙發(fā)育,巖芯塊狀為主,巖質(zhì)硬,聲較脆。
根據(jù)地質(zhì)勘探資料該位置深路塹工點(diǎn)說明顯示,該處地基土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。
表2 地勘土體參數(shù)表
該節(jié)點(diǎn)放坡方案如下:每隔10 m 一級,其中第一級放坡坡率采用1∶0.75;第二、三級放坡坡率采用1∶1;第四級放坡坡率采用1∶1.25;第五、六級放坡坡率采用1∶1.5,見圖3。
圖3 路基橫斷面設(shè)計(jì)圖(一)
經(jīng)采用簡化畢肖普法計(jì)算,巖土計(jì)算參數(shù)見表3。
表3 巖土參數(shù)取值表
計(jì)算結(jié)果如下:
正常工況下,滑動安全系數(shù)=1.27;
非正常工況I 下,滑動安全系數(shù)=1.085;
以上取值根據(jù)該山區(qū)環(huán)境下進(jìn)行了充分考量,根據(jù)計(jì)算結(jié)果未能滿足設(shè)計(jì)要求。同時針對該地質(zhì)剖面,類似于順層滑動,需要對邊坡進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。
根據(jù)上述計(jì)算滑動面位置,本工程提出采用預(yù)應(yīng)力錨索+ 框架梁進(jìn)行主動加固的設(shè)計(jì)方案,其中加固方案如下:
第三、四、五級加固:采用預(yù)應(yīng)力錨索+ 框架梁防護(hù),其中采用φ150 錨索,長25 m,主筋6×φ15.2,錨固段8 m,設(shè)計(jì)抗拔力600 kN,傾角為25°,見圖4。
圖4 路基橫斷面設(shè)計(jì)圖(二)
采用簡化畢肖普法計(jì)算,采用上述巖土參數(shù),經(jīng)過加固處理以及泄水措施后,調(diào)整了6-1 強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)摩擦角為27°(非正常工況I),計(jì)算結(jié)果如下:
正常工況下,滑動安全系數(shù)= 1.415;
非正常工況I 下,滑動安全系數(shù)= 1.219;
滿足設(shè)計(jì)要求。
通過以上計(jì)算結(jié)果,深路塹采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁防護(hù)可以滿足設(shè)計(jì)要求,從而得出可行工程方案。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)在多雨山區(qū)環(huán)境中,如何模擬暴雨工況使得計(jì)算更滿足實(shí)際要求。本工程主要計(jì)算指標(biāo)粘聚力C 以及內(nèi)摩擦角φ 采用直接快剪的方式,計(jì)算采用總應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算,天然狀態(tài)下,土層含水率為18%~32%,為了模擬暴雨工況,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),對關(guān)鍵土層的主要計(jì)算指標(biāo)粘聚力C 以及內(nèi)摩擦角φ 進(jìn)行折減,一般情況下內(nèi)摩擦角φ 折減10%,本工程考慮多雨山區(qū),山洪時常爆發(fā),根據(jù)氣候環(huán)境對最不利土層內(nèi)摩擦角φ 折減15%。
(2)在多雨山區(qū)環(huán)境中,采用預(yù)應(yīng)力錨索的同時,對錨索的防腐進(jìn)行加強(qiáng)考慮,由于地表水下滲比其他環(huán)境中更為厲害,所以本工程采用無粘結(jié)鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索,由原來的拉力集中型錨索改為應(yīng)力分散型錨索,有效避免在這種環(huán)境中由于腐蝕失效的情況。
(3)在多雨山區(qū)環(huán)境中,增強(qiáng)排水設(shè)施設(shè)計(jì),如在重要程度較高的路段,增大截水溝尺寸,增大路塹坡腳排水邊溝尺寸,增大急流槽尺寸等等,使得減少瞬時沖刷對錨索加固防護(hù)的影響。
(1)在類似地質(zhì)剖面巖土二相邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算,特別需要注意的問題是,設(shè)計(jì)當(dāng)中不能僅僅采用圓弧法進(jìn)行計(jì)算,還應(yīng)根據(jù)類似土層分布采用折線法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算復(fù)核,避免由于雨水下滲沿著土層分界進(jìn)行滑移。計(jì)算結(jié)果兩種方法當(dāng)中取最不利作為計(jì)算結(jié)果。
(2)在多雨山區(qū)環(huán)境中類似的地質(zhì)剖面進(jìn)行加固設(shè)計(jì),尤其采用預(yù)應(yīng)力錨索+ 框架梁進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時,需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)是預(yù)應(yīng)力錨索失效問題以及施工質(zhì)量控制,設(shè)計(jì)既要考慮采用類似于無黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力法,又要考慮施工質(zhì)量問題,詳細(xì)質(zhì)量控制指標(biāo)進(jìn)行說明。同時增強(qiáng)泄水管布置以及路基排水設(shè)計(jì),使得路基邊坡設(shè)計(jì)更加安全。
(3)在多雨山區(qū)環(huán)境中,結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算,本工程設(shè)計(jì)采用無粘結(jié)鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索+ 框架梁主動加固防護(hù),通過以上邊坡穩(wěn)定分析,本工程設(shè)計(jì)方案基本滿足路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)要求,達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。