田小軍

（中交一公局第八工程有限公司，天津）

引言

隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，高速公路的建設(shè)取得了巨大的成就。然而，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和自然環(huán)境的變化，許多高速公路面臨著高邊坡的穩(wěn)定性問題。高邊坡的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，給行車安全和通行效率帶來嚴(yán)重威脅，甚至造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，開展高速公路高邊坡穩(wěn)定性分析與加固技術(shù)的研究對(duì)于推動(dòng)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展和高速公路建設(shè)的安全可靠具有重要的意義。

1 高邊坡穩(wěn)定性分析及應(yīng)用原理

1.1 平衡法

高邊坡穩(wěn)定性是指在地質(zhì)環(huán)境作用下，邊坡與巖土體之間的相互作用和平衡狀態(tài)是否能夠保持[1]。為了確保高邊坡的安全性，需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析來評(píng)估邊坡的穩(wěn)定狀況。它基于力學(xué)平衡原理，通過解決邊坡的平衡方程來評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。平衡法假設(shè)邊坡在靜止?fàn)顟B(tài)下，滑動(dòng)力和抗滑力之間達(dá)到平衡，即滑動(dòng)力沿邊坡表面的切向分量與抗滑力之間的平衡。平衡方程可以表達(dá)為：

ΣFx=0

ΣFy=0

其中，ΣFx 表示水平方向上的力平衡；ΣFy 表示垂直方向上的力平衡。在邊坡分析過程中，需要考慮各種受力因素，例如重力、地震力、水力等。將這些受力因素進(jìn)行分解，并考慮土體的強(qiáng)度參數(shù)（如摩擦角、黏聚力等），可以得到具體的平衡方程。通過求解邊坡平衡方程，可以獲得邊坡各個(gè)部分的受力情況和安全系數(shù)，以評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。如果計(jì)算得到的切穩(wěn)定安全系數(shù)小于設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)，則表示邊坡可能存在較大的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮采取加固措施或調(diào)整設(shè)計(jì)方案來提高邊坡的穩(wěn)定性。示意如圖1 所示。

圖1 平衡法結(jié)構(gòu)示意

1.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬方法包括有限元法、有限差分法和邊坡過程模擬法等。它們通過將邊坡劃分為離散的小區(qū)域，并考慮不同地質(zhì)條件和應(yīng)力狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)上求解邊坡的力學(xué)行為，從而得出邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。巖土工程試驗(yàn)方法通過采集邊坡的巖土樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以獲取邊坡的力學(xué)參數(shù)（如剪切強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等），并基于這些參數(shù)來估計(jì)邊坡的穩(wěn)定性。相似模型試驗(yàn)方法通過制作高邊坡的縮尺模型，在實(shí)驗(yàn)室或戶外的試驗(yàn)場(chǎng)中進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。通過模型試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可以模擬和評(píng)估邊坡在真實(shí)環(huán)境下的行為，提供邊坡的穩(wěn)定性分析依據(jù)。

2 常用加固方法的原理與適用范圍

常用的加固方法的原理與適用范圍如表1 所示。

表1 常用的加固方法的原理與適用范圍分析

在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要綜合使用不同的加固方法來達(dá)到更好的效果。另外，還需要綜合考慮施工條件、成本效益和環(huán)境影響等因素，以確保加固方案的可行性和安全性。

3 工程案例及應(yīng)用

以某高速公路高邊坡為例，通過分臺(tái)階逐漸放坡的方式進(jìn)行挖掘，邊坡坡腳295 m 左右，在挖掘了之后的最大高差是37.6 m，坡向角度94°。區(qū)域底層巖性體為奧陶系灰?guī)r，覆蓋了粉質(zhì)粘土，厚度為2 m 左右。巖質(zhì)整個(gè)比較硬，層間的結(jié)合能力比較好。經(jīng)比選，本工程計(jì)劃使用土釘加固法完成加固。其加固前的相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

4 土釘加固技術(shù)研究

4.1 土釘加固法技術(shù)原理及適用范圍

土釘加固法是一種常用的高邊坡加固技術(shù)，通過在高邊坡上預(yù)埋或插入鋼筋等材料，將土體與鋼筋相互作用，提高高邊坡的整體穩(wěn)定性。土釘加固法具有施工簡(jiǎn)單、成本較低、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，在高邊坡工程中得到廣泛應(yīng)用。

原理：土釘加固法的原理是利用土壤與土釘之間的摩擦力和土釘?shù)睦硇纬梢粋€(gè)結(jié)構(gòu)聯(lián)合體，并通過這種聯(lián)合體來承擔(dān)土體的部分荷載，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。在土釘加固法中，土釘作為一根長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，通過其與土壤的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的加固。土釘通常由鋼筋、鋼管或其他材料制成。土釘與土體之間存在一定的摩擦力，土釘通過摩擦力與土體緊密聯(lián)系在一起。土釘?shù)牟迦肱c固結(jié)使土體變得更加稠密，增加了土體的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)聚力[2]。土釘通過受到外部拉力的控制，保持一定的張拉狀態(tài)。拉力的作用可以有效地消除土體中產(chǎn)生的剪切力并提高邊坡的整體抗滑能力。拉力的大小應(yīng)根據(jù)土壤特性、邊坡高度和傾角等參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以確保邊坡的穩(wěn)定性。土壤與土釘?shù)南嗷プ饔靡约袄Φ拇嬖谑沟猛馏w和土釘形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)聯(lián)合體。這種結(jié)構(gòu)聯(lián)合體能夠承擔(dān)部分荷載，減輕土體的變形和破壞，保證邊坡的穩(wěn)定性。示意如圖2 所示。

圖2 土釘加固示意

適用范圍：土釘加固法適用于各類土質(zhì)邊坡的加固，包括黏土、砂土、砂質(zhì)粘土和巖石等。具體的適用范圍主要取決于土壤的力學(xué)性質(zhì)和場(chǎng)地條件。一般來說，土壤的膠結(jié)力越高，土釘加固的效果越好。同時(shí)，高邊坡的高度、坡度和傾角等特征也會(huì)影響土釘加固的適用性。

4.2 土釘加固前計(jì)算

根據(jù)邊坡土層情況，結(jié)合邊坡高度狀況及周邊環(huán)境，本邊坡適宜采用土釘支護(hù)法進(jìn)行錨噴加固。

（1） 土釘抗拔力計(jì)算。

T=πDL2t

式中：T- 抗拔力，Mpa；π- 系數(shù)；D- 土釘直徑，mm；L2- 錨固段長(zhǎng)度，mm；t- 系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，每根土釘?shù)目拱瘟?50 kPa。

（2） 土釘間距計(jì)算。

土釘間距包括水平間距X 和垂直間距Y，對(duì)鉆孔注漿型土釘，可按6～12 倍土釘直徑D 選定土釘行距和列距，且宜滿足：

XY=KDL

式中：X- 土釘水平間距；Y- 土釘垂直間距；K- 工藝系數(shù)，取1.5-2.5；D- 土釘直徑；L- 土釘長(zhǎng)度。

經(jīng)計(jì)算，本工程擬使用垂直和水平間距均為1.5 m 的布置方式。

4.3 施工方法

4.3.1 邊坡修整。采用人工清理，為了保證噴射混凝土表面的平直，此工序一定要掛線來定位。如果出現(xiàn)了層含水量較高的邊坡，可在支護(hù)面層后方插入長(zhǎng)度為400～600 mm，直徑不少于40 mm 的水平排水管包濾網(wǎng)，其外端伸出支護(hù)面層，保證其間距為2 m，確?？梢詫娀炷撩鎸雍蟮姆e水排出[3]。

4.3.2 底層初噴。底層初噴主要是為了維護(hù)坡面的堅(jiān)固性，在土方開挖后的第一時(shí)間預(yù)噴混凝土，才能達(dá)到最佳效果。底層初噴選用的是C20 細(xì)石混凝土，在施工過程中，施工人員應(yīng)將預(yù)噴厚度控制在30～50 mm 之間。

4.3.3 土釘安裝。在土釘正式安裝之前，施工人員必須進(jìn)行相應(yīng)的隱蔽檢查與驗(yàn)收，對(duì)檢查過程中發(fā)現(xiàn)的局部滲水或局部塌孔、松土等現(xiàn)象，必須及時(shí)處理。在挖洞時(shí)，通常采用沖擊鉆和洛陽(yáng)鏟，孔內(nèi)的孔徑要求為70～120 mm。土釘支護(hù)為常壓注漿，注漿時(shí)，注漿的水泥漿比例必須保持在0.35～0.5 之間。在正式安裝土釘時(shí)，為防止對(duì)桿體造成除了承受能力之外的壓力，也要把漿管與土釘一同安裝到鉆孔中。其放置角度應(yīng)與鉆孔傾斜的角度保持一致（如圖3）。但在此過程中，應(yīng)注意將漿管的插入深度控制在20～25 cm 左右。另外，必須控制好鋼筋的安裝點(diǎn)與網(wǎng)孔的中心點(diǎn)的間距，埋入的深度不得少于原設(shè)計(jì)的90%，并在安裝點(diǎn)后不得撞擊[4]。

圖3 土釘安裝示意

4.3.4 綁扎鋼筋網(wǎng)。工程鋼筋網(wǎng)的綁扎要完全按照施工設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行，其綁扎長(zhǎng)度必須符合工程的相關(guān)規(guī)定。在將鋼筋網(wǎng)編織好之后，在其上方進(jìn)行焊接，將其與鋼筋網(wǎng)連接成為一個(gè)整體，從而達(dá)到很好的固定效果[5]。

4.3.5 復(fù)噴。復(fù)噴的目的是防止鋼筋背部因施工原因而產(chǎn)生空隙，因此，在進(jìn)行復(fù)噴時(shí)，應(yīng)先噴后方，再噴前方。同時(shí)，為確保土體與墻面之間能夠形成有效連接，可用加強(qiáng)鋼筋攔截，確保連接不中斷。復(fù)噴混凝土選用的是復(fù)合硅酸鹽水泥，施工人員要將砂子的含水量控制在5%～7%之間，且通過篩選后的砂子顆粒不大于10 mm。

5 加固案例分析與效果評(píng)價(jià)

某地高速公路的一處高邊坡遇到了穩(wěn)定性問題，為了確保邊坡的安全，進(jìn)行了加固工程。最后，對(duì)已安裝的土釘進(jìn)行張拉，確保土釘與土壤之間有足夠的結(jié)合力。在該加固案例中，分別使用填土加固法、增加支撐結(jié)構(gòu)法、土釘加固法以及草坪護(hù)坡法對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，觀察四種不同的加固技術(shù)在加固后7 d、15 d 以及30 d 對(duì)其穩(wěn)定性的影響，如圖4 所示[6]。

圖4 穩(wěn)定性對(duì)比

土釘加固法原理是：在邊坡中安裝預(yù)應(yīng)力鋼筋（土釘），增加土體與鋼筋的連接，提高邊坡的穩(wěn)定性。首先，按照工程設(shè)計(jì)，使用鉆機(jī)在邊坡中鉆孔，并安裝預(yù)應(yīng)力鋼筋。其次，要按照項(xiàng)目的需要來確定鋼筋的長(zhǎng)短和間隔，保證斜坡的穩(wěn)定。然后，在鉆孔中注入耐久性良好的混凝土填充鋼筋孔，以增加鋼筋的固定效果[7]。

加固效果評(píng)價(jià)如表3 所示。

表3 該加固案例效果評(píng)價(jià)分析

經(jīng)過處理的邊坡的位移和應(yīng)變有了較大幅度的降低，其相對(duì)位移和應(yīng)變值也有了較大幅度的降低。這表明邊坡的穩(wěn)定性得到了顯著改善，滑坡和塌方的風(fēng)險(xiǎn)大大減小。加固后的邊坡能夠承受較大的荷載和自然力。結(jié)果表明，該斜坡對(duì)滑塌的治理效果較好。綜上所述，利用土釘支護(hù)技術(shù)對(duì)高邊坡進(jìn)行加固是一種行之有效的方法。根據(jù)邊坡的特點(diǎn)和土壤力學(xué)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和施工，能夠改善邊坡的穩(wěn)定性，確保工程的安全可靠性[8]。

6 結(jié)論

綜上所述，針對(duì)高速公路高邊坡的穩(wěn)定性問題，土釘加固法是一種常用有效的加固技術(shù)。通過在邊坡中安裝預(yù)應(yīng)力鋼筋（土釘），增加土體與鋼筋的連接，可以提高邊坡的穩(wěn)定性。該方法施工簡(jiǎn)單方便，成本相對(duì)較低，并在實(shí)際工程中取得了顯著的加固效果。在加固過程中，需要進(jìn)行土體力學(xué)參數(shù)測(cè)試和結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，并根據(jù)邊坡特點(diǎn)選擇合適的土釘參數(shù)。加固后的邊坡穩(wěn)定性得到了改善，滑動(dòng)和塌方現(xiàn)象減少。因此，對(duì)于高速公路高邊坡的加固工程，土釘加固法是一種可靠的選擇。然而，在具體應(yīng)用中仍需根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮工程要求、土體特性等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)，以確保加固效果長(zhǎng)期穩(wěn)定。加強(qiáng)科研與實(shí)踐結(jié)合，持續(xù)改進(jìn)和完善高邊坡加固技術(shù)，將有助于提升高速公路工程的安全性和可靠性。