路塹高邊坡加固設計方法與實例

路塹高邊坡錨固設計方法與實例摘要：結合云南某高速公路路塹高邊坡工程實例，詳細介紹了邊坡錨固的設計步驟與方法，并提出了一些有益的經驗和結論。關鍵詞：路塹高邊坡錨固設計實例引言在山嶺重丘地區(qū)，公路是交通運輸的主要方式。然而長期以來，路基邊坡的治理一直是高速公路建設中的一個薄弱環(huán)節(jié)[1]，在20世紀80年代中期以前，我國主要以低等級公路建設為主，由于交通量小，線路選擇時深挖高填較少，對邊坡的治理研究常常被忽視。20世紀80年代以來，隨著我國公路建設的飛速發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性問題日益突出。如何準確分析邊坡的穩(wěn)定性、提出既經濟又安全的處置方案，是人們長期以來不斷探索的關鍵技術問題[2]。1工程概況云南某高速公路K47+475～K47+630段位于構造侵蝕的低山斜坡地帶，坡面平緩，淺切割，橫向溝谷不發(fā)育，上部覆蓋層為第四紀崩積灰黑、褐黃、黑色塊石土，中密，潮濕，厚度5~15米，塊石土容許承載力350~450KPa。下伏為三疊紀灰、深灰色泥質粉砂巖，弱風化，呈碎塊狀，容許承載力500~700KPa。該地段地下水以裂隙水為主，富水性中等，其流量較小，對路基無影響，可忽略不計。路線所經區(qū)域內地震活動較頻繁，震級大。根據中華人民共和國國家標準GB18306－2001《中國地震參數區(qū)劃圖》地震峰值加速度為0.2，對應的地震烈度為8°。2開挖邊坡穩(wěn)定性分析本段自然邊坡，因開挖高度較大，擬按巖石風化程度及坡高采取相應的措施，采用臺階式邊坡，邊坡坡率：強風化地層坡率1：0.5，頂級坡坡率1：0.75。每級臺階高12.0m，刷至自然山坡坡頂，每級邊坡頂預留2.0m平臺，在有條件的高陡邊坡可將中部平臺加寬至4.0m左右，平臺上設截水溝。取K47+560處的邊坡橫斷面為算例，進行穩(wěn)定性分析和加固設計。各土層計算參數如表1所示。表1土層分布及計算參數土層序號厚度（m）重度(kN/m3)粘聚力(kPaa)內摩擦角(°)彈性模量(MPPa)泊松比11619535250.3212202038800.33152015432000.254102210504000.2建立開挖后的人工邊坡計算模型，如圖1、圖2所示，計算結果見表2、表3。從表2、3的數據上判斷，開挖邊坡在天然狀態(tài)下的最小安全系數小于1，不滿足《公路路基設計規(guī)范》（JTJ013-95）中的K≥1.25的要求；在地震荷載作用下邊坡的最小安全系數更小，不滿足《公路工程抗震設計規(guī)范》（JTJ004-89）中的K≥1.15的要求。由此看出開挖邊坡在無支護狀態(tài)下將會發(fā)生坡體局部失穩(wěn)破壞，為提高其穩(wěn)定度，確保高速公路在施工和運營過程中的安全，應對高邊坡進行加固處理。圖2開挖邊坡最危險滑裂面圖1開挖邊坡計算模型圖2開挖邊坡最危險滑裂面圖1開挖邊坡計算模型表2開挖邊坡計算結果計算方法OrdinarryBishopJanbuMorgenssternn-Priice安全系數值0.91110.96690.88640.9662表3地震荷載作用下的開挖邊坡最小安全系數值計算方法OrdinarryBishopJanbuMorgenssternn-Priice安全系數值0.84750.93180.84950.93273邊坡錨固設計3.1邊坡加固力計算經過穩(wěn)定分析，K47+560開挖邊坡不穩(wěn)定，當施加一錨固力后，其安全系數計算式為[3]：(1)式中：——第條塊所在土層的凝聚力，kPa；——第條塊所在土層的內摩擦角；——第條塊底部滑弧長，m；——第條塊滑面傾角；——作用于第條塊的地震力，kN；——作用于邊坡上的加固力，kN；——錨桿軸線與滑動面的垂直線的夾角；——各土層內摩擦角的加權平均值。給定滿足邊坡穩(wěn)定的許用安全系數[]后，單位厚度邊坡所需的加固力計算公式為：(2)式中：[]——根據《公路工程抗震設計規(guī)范》取值1.15；公式其余符號意義同上。根據式(2)算得該單位厚度邊坡所需的加固力為：753.6kN。3.2預應力錨索（桿）的間距設定如果錨索（桿）的水平、垂直間距設得過大，則單根錨索（桿）承載力過大，從而引起應力集中現象；如果間距太小，則容易產生群錨效應而降低錨固力。因此，錨索（桿）的水平間距和垂直間距都應控制在1.5~4.0m[4]。在該工程中，水平間距取3.0m，垂直間距也取3.0m。圖4開挖邊坡錨固設計計算模型圖3圓弧破壞邊坡錨固受力分析圖圖4開挖邊坡錨固設計計算模型圖3圓弧破壞邊坡錨固受力分析圖3.3預應力錨索（桿）錨固力的分布原則預應力錨索（桿）錨固力的取值和分布是設計中非常重要的問題。首先，初步建立計算模型如圖4所示。如圖示，根據以上設定的間距，計算模型將開挖邊坡從坡腳到坡頂共布設了十二根錨桿（索）。各錨桿（索）編號如下：從坡腳到坡頂依次為1~12，其中1~4號布在一級坡，5~8號布在二級坡，9~12號布在三級坡。各錨桿（索）的錨固力分布工況見表4，各分布工況對應的最小安全系數見表5。從表4的數據可以看出：工況1是將錨固力平均分配給每一根錨桿（索）；工況2則注重坡腳的錨固，其次是二級坡，再次是三級坡；工況3則重視二級坡（即“腰”部）的錨固，其次是坡腳，再次是三級坡（坡上部）；工況4將坡上部的錨固放在第一位，接下來依次是“腰”和“腳”；工況5與工況2類似。從表5的計算結果來看，工況1不是最佳布置；工況2注重了“腳”和“腰”的錨固，計算結果比較理想；工況3更注重邊坡的“腰”的錨固，計算結果較之工況2要遜色一些；工況4則顯得有點“本末倒置”，加固效果是五種工況當中最差的一個；工況5較之工況2，加固效果相當，但是每一級坡的四根錨桿（索）的錨固力都相同，便于錨桿（索）框架梁的設計和施工，另外工況5對應的最小安全系數為1.188（Bishop法），滿足《公路工程抗震設計規(guī)范》（JTJ004-89）中的K≥1.15的要求。綜上所述，錨桿（索）錨固力的分布原則應當是固“腳”強“腰”，應將錨桿（索）主要布置在邊坡下部或中部。本工程采用工況5的錨固力分布進行設計。表4各錨桿（索）錨固力分布工況（表中數據單位均為：kN）桿(索)編號分布工況123456789101112總錨固力165656565656565656565656578021001001001006060606040252525755360606060100100100100402525257554303030306060606010010010010076051151151151156060606015151515760表5各錨固力分布工況所對應的邊坡最小安全系數(在地震荷載作用下)計算方法分布工況OrdinarryBishopJanbuMorgenssternn-Priice11.0541.1331.0141.13321.0851.1711.0391.17131.0771.1541.0361.15141.0171.0930.9811.09051.0981.1881.0491.1873.4預應力錨索（桿）的錨固段長度計算由上一小節(jié)的錨固力分布，可對預應力錨桿（索）選材如下：一級坡選用4φ15.2鋼絞線，二級坡選用Φ32的鋼筋錨桿，三級坡選用Φ25的鋼筋錨桿。預應力錨桿（索）錨固段長度可按下列公式計算，并取其中的較大值[5]：(3)(4)式中預應力錨桿（索）錨固體設計的安全系數取2.0；水泥結石體與巖石孔壁間的粘結強度設計值取250KPa；4φ15.4錨索的錨固體直徑取110mm，Φ32錨桿的錨固體直徑取100mm，Φ25錨桿的錨固體直徑取70mm。算得錨索的錨固段長度為6.95m，取7.0m；Φ32錨桿的錨固段長度為4.97m，取5.0m；Φ25錨桿的錨固段長度為2.73m，取3.0m。3.5預應力錨索（桿）的錨固角確定錨桿（索）傾角即錨桿（索）與水平面的夾角，應從受力最優(yōu)及施工最易，同時考慮工程造價節(jié)省來確定。本工程錨桿（索）傾角取進行布設。3.6K47+560邊坡加固的設計結果K47+560邊坡最終設計如下：1.一級邊坡設置預應力錨索框架加固邊坡，框架順路線3.0m一榀。錨索規(guī)格為4×φ15.2高強度低松弛鋼絞線，設計荷載為345kN。2.二級邊坡：采用Φ32的鋼筋錨桿框架加固，錨桿規(guī)格為12m、12m、14m、14m?？蚣茼樎肪€3.0m一榀。3.三級邊坡：采用Φ25的鋼筋錨桿框架加固，錨桿規(guī)格為10m、8m、6m。錨桿框架沿路線3.0m一榀。設計結果如圖5所示。圖5K47+560邊坡加固設計圖圖5K47+560邊坡加固設計圖4結論1.錨桿錨固力的分布原則上應遵循固“腳”強“腰”的原則，將錨桿主要布置在邊坡下部或中部。但要注意可能在邊坡上出現幾個剪出口的工況，一定要檢算邊坡在不同滑移途徑下的穩(wěn)定性，錨桿的布置應適應抗滑穩(wěn)定的需要。2.為避免單根錨索（桿）承載力過大而應力集中及產生群錨效應而降低錨固力，錨索（桿）的水平、垂直間距應控制在1.5~4m。3.邊坡錨固應以采用預應力錨桿為主，也可根據工況與非預應力巖石錨桿、土釘、擋墻或抗滑樁相結合使用。4.邊坡錨固設計決不意味著僅采用單一的巖土錨桿。治坡先治水，在任何條件下，首先應做好邊坡的截、防、排水設計，以降低地下水的滲透壓力，抑制地表水的入滲。參考文獻：[1]趙明階，何光春.邊坡工程處治技術[M].北京：人民交通出版社，2003.101～108.[2]唐樹名，呂常新.混合式錨固結構在