某山区高速公路的滑坡加固技术应用研究.doc

某山区高速公路的滑坡加固技术应用研究 摘 要：本文通过对某山区高速公路的滑坡加固工程的论述，重点介绍了预应力锚索和钢轨抗滑桩技术在滑坡中的成功应用，对预应力锚索、钢轨抗滑桩的设计及施工工艺等进行了探讨，通过实践证明，该项技术在高速公路滑坡治理工程中具有推广和借鉴意义。关键词：山区高速公路 滑坡 预应力锚索 钢轨抗滑桩 0前 言岩土边坡失稳是工程建设中经常遇到的重要问题之一。国内外大量岩土边坡的失稳或滑动屡见不鲜，给工程建设和人民生命财产带来严重的危害，已成为全球性的地质灾害。随着我国西部大开发战略的实施，公路、铁路的边坡防护和滑坡治理问题更为突出。下面对某高速公路的滑坡综合治理工程进行论述，以起到抛砖引玉的作用。1工程概况该滑坡位于鄂西北某山岭重丘区，在高速公路未施工前处于相对稳定状态，由于公路穿越该滑坡地段，2000年8月份施工期间在该处开挖边坡，将滑坡前缘滑舌挖除，加之施工适逢雨季，导致该滑坡在当年10月份复活。在设计和施工单位对已形成的滑体进行切方后，发现原滑坡位置放坡较缓且处于相对稳定状态，拟采用植草护坡措施。在2001年5月份一次较大降雨之后，在原滑坡部位再次出现较大规模滑坡，且处在不断扩展变形之中，滑坡综合治理势在必行。经各方专家现场踏勘后，决定进行地质调查和工程物探工作，对该滑坡进行应急加固和永久加固综合治理，应急加固先行，待滑坡相对稳定后再进行永久加固。在设计过程中，二者可合二为一。2。工程地质条件 该滑坡处于长期风化剥蚀的低丘区，滑坡主滑方向与路线近于垂直。滑坡体处于低山单面坡的北侧，坡体前缘处于三面临空状态，因此，坡脚开挖过程中极易改变整个边坡的应力状态，诱发坡体活动。滑坡体的主要岩性为前震旦纪的变质辉绿岩，在西侧出露有武当山岩群组的含磁铁白云钠长变粒岩夹白云石石英片岩。岩体中结构面极其发育，原生结构面与坡向大角度相交，并且倾角较大，对滑坡的形成没有直接的关系。次生结构面主要是变质辉绿岩内发育的多组劈理，少数劈理面上附着一层厚约0.51cm的粘土质薄膜。不同方向劈理间距不同，地表沿这些节理面岩体呈球状风化，多组节理发育，将岩体切割成为大小不等的菱形块体，因而变质辉绿岩的整体结构相对较松散。滑坡体前缘两条平行的断裂，构成了滑体的几何边界。滑坡附近的地表水体不发育，无地表径流。该路段雨季多集中在79月，年平均降雨量825mm，降雨具有集中、连续、强度大的特征。地下水主要为第四系残坡积层中的孔隙水及风化岩层中的裂隙水，其水量随季节变化较大，雨季水量较大。3。滑坡综合治理措施滑坡加固方案以预应力锚索和钢轨抗滑桩为主，辅之以削坡减载、坡面锚杆喷射砼防护、深层泄水孔排水、地表排水、裂缝封闭等措施，并每天进行滑坡体的位移变形监测。滑坡加固综合平面布置图见图1所示。图 1 滑坡加固综合平面布置图3.1、稳定性分析计算边坡稳定性分析的方法很多，其中极限平衡法应用最为普遍。极限平衡法中刚体极限平衡法和极限平衡法，实属塑性力学的下限和上限解的范畴，刚体极限平衡法具体运用到岩土工程中的典型二维、三维问题，又分别形成一些经典的算法，瑞典法、毕肖普法就是其中之一，它适用于土体及破碎散体岩石边坡。该滑坡就是进行了基于刚体极限平衡法方法的稳定性计算分析。稳定性分析见图2图 2 稳定性及抗滑锚固力计算图 稳定系数由下式计算：满足许用安全系数Fs所需加固力计算式为：式中：CL-滑坡体粘聚力；-滑坡体摩擦角；Wi-第i条块自重；Ui-第i条块滑面上的垂直反力；I-第i条块滑面倾角；T-作用于滑坡体上的加固力；-锚索轴线与滑动面的垂直线的夹角。由于滑坡体的滑移处在发展变形之中，加上时间的限制，不能进行详细的钻探和岩石力学指标试验，只是通过物探手段取得推测滑动面位置，收集到地层强、弱风化带及地下水位资料。所以计算所需参数的选取主要通过工程类比法和力学指标反算取得。3.2、预应力锚索设计施工3.2.1、预应力锚索锚固机理对不稳定的边坡及滑坡来说，预应力锚索可以抑制岩体或土体的滑动，使边坡各部位变形趋于稳定；可使结构面咬合紧密，从而提高其抗剪能力，也增加了滑动面的阻滑力；预压应力改变了岩体的应力状态，岩体的弹性抗力增加，另外由于预应力锚索的交错布置，使不同层位的节理裂隙紧密联接，进一步提高了边坡岩体的完整性。3.2.2、预应力锚索设计该设计主要遵循SL212-98水工预应力锚固设计规范和GBJ86-85锚杆喷射混凝土支护技术规范确定，充分考虑工程地质条件和施工条件，进行优化设计。 3.2.2.1、锚固角的确定锚固角的确定受钻孔施工条件、灌浆条件、滑动面倾角和摩擦角等多种因素影响，我们可以通过对3.1中所述锚固力公式进行求导计算，从经济的角度分析锚固力与角度的关系，得出最优锚固角。计算表明如采用下公式使锚索设计达到合理，即提供的锚固力不会太大，锚索长度也不会太长。本工程锚孔下倾15。3.2.2.2、锚索间距确定锚索间距应以所设计的锚固力能对岩体提供最大的张拉力为标准。当锚索间距小时，会产生群锚效应，为避免锚索间相互影响，一般通过以下四种准则确定：（1）日本准则：锚索间距规定在1.5m以上；（2）美国准则：规定取6倍以上内锚固段直径的间距；（3）FIP准则：规定4倍以上内锚固段直径或通常在 2.0m以上； （4）BS准则：规定防止岩崩的锚索间距在1.5m以上。另一方面，还需保证锚索之间能形成挤压带，据光弹实验结果，锚索间距（S）与锚索长度（L）之间的比值必须满足L/S2时，锚索才能起到联合作用效果，所以锚索间距应小于1/2锚索长度。本工程取水平间距和垂直间距为3m。3.2.2.3设计锚固力确定：通过确定锚索间距及锚索沿滑动方向的排数即可计算单孔锚索的锚固力，即锚索设计锚固力TD:式中：T -滑体所需总锚固力；-锚索排数；D-锚索间距（m）。设计锚固力TD必须满足三个条件：（1）TDTag （容许拉拔力）；（2）TDTas （容许拉力）；（3）TDTad （地基容许力）。此外，设计锚固力还应满足以设计锚固力计算出的内锚固段长度保证310m之间，若内锚固段长度超过10m，则必须降低单孔设计锚固力。计算得出本工程单孔锚索的设计锚固力为500KN。3.2.2.4锚固段长度及锚索长度确定：内锚固段长度的确定，各工程有所不同， GBJ86-85锚杆喷射混凝土支护技术规范规定的锚索粘结长度应满足：式中：d-锚索体直径（cm）；D-钻孔直径（cm）;fst-锚索体的设计抗拉强度（N/cm2）；fCS -水泥砂浆与锚索的设计粘结强度（N/cm2）；fCR-水泥砂浆与孔壁岩体的设计粘结强度（N/cm2）；k为安全系数，取k=1.2，L1、L2为内锚固段长度（cm）。锚固段过长或过短都是不利的，经验取值通常为310m。因为当锚固段过长时，从靠近斜坡表面开始，灌浆材料与周边之间的粘结力逐渐被剪切破坏，可能产生如裂缝向锚索体与水泥砂浆材料胶结处发展，或锚固力降低。相反，锚固段过短时，由于实际施工期间锚固岩体的局部强度降低使锚索承载力降低；另外，由于减少了张拉锚索与水泥砂浆的粘结面积，造成水泥砂浆与锚索的粘结遭受破坏等。 确定锚固段长度后，再根据滑面位置及选定的张拉设备所需预留长度，即可确定锚索总长。本工程确定锚固段长度为8m，锚索长度2530m。3.2.2.5锚索构造设计：该滑坡体共布设176根预应力锚索，锚孔直径130mm。锚索材料选用高强度、低松弛预应力钢绞线，其技术标准为270级，直径15.24mm，极限强度为1860MPa，锚具采用XM15-4型。所有锚索均锁在C25钢筋混凝土地梁上。锚索结构图见图3。3.2.3、预应力锚索施工 预应力锚索施工采用流水作业。山体自然坡度2565，根据地形分级搭设脚手架，而锚索则自上而下逐排施工。施工前应进行技术和安全交底，施工中明确分工，统一指挥，使造孔、下锚、注浆、地梁制作、张拉锁定等工序顺次展开。造孔：造孔采用风动式潜孔钻机进行干钻施工，施工前将锚孔的孔位、方向给定，打入标桩，注明钻孔编号。图3 预应力锚索结构图3.2.3、预应力锚索施工 预应力锚索施工采用流水作业。山体自然坡度2565，根据地形分级搭设脚手架，而锚索则自上而下逐排施工。施工前应进行技术和安全交底，施工中明确分工，统一指挥，使造孔、下锚、注浆、地梁制作、张拉锁定等工序顺次展开。造孔：造孔采用风动式潜孔钻机进行干钻施工，施工前将锚孔的孔位、方向给定，打入标桩，注明钻孔编号。锚索的制作与安放：锚索采用4股15.24 mm高强度、低松驰钢绞线制作。自由端采用防锈涂层、塑料管隔离、砂浆裹护三层防护工艺。钢绞线必须平顺，不能相互交叠，防止张拉时受力不均匀。锚束沿轴线方向每隔1m设置一隔离架，并使钢绞线间有一定的间隙，以保证灌浆时能将锚束内空隙充填密实，钢绞线得到充分握裹和保护。锚索安放时，应防止锚索弯曲，注浆管随锚索一同放入钻孔，注浆管间部距孔底宜为50100 mm。注浆：使用32.5级普通硅酸盐水泥拌制M30水泥砂浆，并从注浆管注入拌合好的水泥砂浆。注浆应保证一定的压力，自孔底一次灌浆，空气由锚索孔排出。注浆浆液应搅拌均匀，随搅随用，浆液应在初凝前用完。地梁制作：地梁采用C25砼灌注，灌注前将锚具中的螺旋钢筋、锚垫板固定在地梁钢筋上，方向与锚孔方向一致，再一起浇注、振捣。张拉、锁定：地梁和锚孔内砂浆达到一定强度以后，进行锚索的张拉锁定。锁定前应验证锚具、夹片、预应力钢绞线能否满足锁定要求，千斤顶应进行标定。正式张拉前先对锚索进行12次试张拉，张拉荷载为0.1倍设计拉力。当锚头发生微小偏心时，需要用球座、楔形垫板来调整。张拉锁定时应严格按设计要求的每级荷载来进行，分二次张拉，第一次张拉按中、上、下次序进行，分级荷载为0.1、0.25、0.5倍张拉力，第二次张拉也按中、上、下次序进行，分级荷载为0.75、1.0、1.1倍张拉力，除第一级须稳定2030分钟外，其余每级须稳定25分钟，并分别记录每一级荷载下钢绞线的伸长量。当荷载加到550KN，观测15分钟，如果锚索变形无变化，油泵上压力表指针无返回现象，即可卸荷至500 kN进行锁定作业。锚索锁定作业必须严格执行规范，必须使用专用工具将螺母拧紧，至压力表指针向上稍有摆动为止。锚索锁定后，若发现有明显预应力损失时，应进行补偿张拉。 封孔注浆及封头：补偿张拉后，即可进行封孔注浆，注浆管从预留孔插入直至管口进到锚固段顶面约50 cm。封孔注浆后，从锚具量起留50 mm钢绞线，其余部分截去，然后进行封头处理，封头尺寸顶面2020 cm，底面4040 cm，厚20 cm，将锚具完全保护住。3.3、钢轨抗滑桩设计施工3.3.1、钢轨抗滑桩锚固机理钢轨抗滑桩属于小截面群桩，其空间结构整体刚度大，抗滑能力强，是一种特殊的侧向受荷桩。它将桩上侧滑体的部分下滑力通过钢轨桩，传递到滑床下稳定基岩，桩起着减少下滑力的作用，同时桩以自身强度并借助下侧滑体提供的抗力来平衡上侧的下滑力，二者的稳定是相互依赖的。对于组合钢轨抗滑桩来说，它承担侧向荷载时的群桩效应不可忽视。3.3.2、钢轨抗滑桩设计钢轨抗滑桩是靠桩侧岩体的弹性抗力来维持平衡，是靠桩自身强度来保证桩体不受破坏的。当滑体沿滑动面滑动时，钢轨桩在滑动面上下受弯产生正负弯矩的过程中发挥着抗滑力。桩的模型试验表明，在靠近滑面附近，桩体承受一对方向相反的最大正负弯矩，距滑面稍远处，弯矩迅速趋于零。文献2、5认为，最大正负弯矩距滑动面上下为34倍桩径，据此给出的钢轨桩抗滑力计算公式如下：式中：P- 钢轨桩抗滑力；-钢轨许用抗拉应力；W- 钢轨截面抗弯摸量；d- 钢轨截面最大尺寸， d=B2+h2；B为钢轨底宽，h为轨高。按上述公式计算出的各种型号钢轨的抗滑力见表1。 钢轨接长方式采用鱼尾板或焊接，两根钢轨的接口应相互错开。钢轨露出地面15cm，用36mm钢筋钢筋焊接起来并与坡面地梁连成一体以利受力，再浇灌C20砼。组合钢轨桩平、剖面图见图4所示。 图4 组合钢轨桩平、剖面图（cm）表1 各种型号钢轨抗滑力计算表轨型（Kg/m）W(cm3)d（cm）P（KN）1856.112.04143.42490.113.98198.438178.917.57330.543208.318.05355.03.3、钢轨抗滑桩施工钢轨桩施工主要有成孔、清孔、钢轨焊接吊装以及砼施工等工序，其中成孔是关键工序。施工中因为滑体仍处于变形阶段，且正值雨季，风险极大。故施工时抢先施工应急加固区，采用分段跳打的方法。成孔：通过大风量空压机送风到冲击器，采用MD-50潜孔钻机带动特制潜孔锤进行冲击成孔。开钻前应将钻机底座调平，在钻进过程中应每3米在钻杆上安装定位圈以保证钻杆位于孔中央，从而保证钻孔的垂直度。在地下水比较丰富的地段，单个孔的成孔应尽量连续进行，机械需要检修时，应尽量减小检修时间，最好能有备用设备。因为停钻一定时间后，孔内将会有积水，会对钻进过程中的排渣产生影响，严重时还会造成埋钻。一旦埋钻，可利用地质钻机带动特制打捞锥进行事故处理。清孔：在成孔过程中产生的沉渣随着钻孔深度的不断增加，一些岩粉及颗粒难以排出孔外，就需要用对孔内的沉渣进行打捞。选用地质钻机配备特制取粉管，同时用12m3空压机送风进行清孔。 钢轨焊接吊装：钢轨焊接的质量直接关系到钢轨自身度，这道工艺极为关键。另外，因为施工场地在滑坡体上，作业面狭小，平台最宽处仅3m，且滑体仍在发展变形，显然不能利用吊车把钢轨吊进孔内，如何吊装在技术上也成为一个难点。钢轨焊接包括组合焊接和接长焊接，组合焊接前，采用5T卷扬机将钢轨拉至二级坡面，用夹具将两根钢轨夹住，再在二级平台进行焊接。钢轨焊接采用与钢轨材质相对应的506号高碳钢焊条。钢轨必须平直并进行除钢轨必须平直并进锈、除油处理。组合焊接的焊缝长度为沿钢轨长度方向每隔50cm焊接15cm。接长焊接时搭接所用的鱼尾板或钢板应不小于400mm，两种钢轨的接口处应相互错开。各条焊缝宽度应不小于10mm，详组合轨体在地面分段制作成型后且验收合格后即可在孔口进行接长焊接，最后放入预定深度。详见图5钢轨焊接平面、剖面示意图。吊装采用井字型塔架配置3.5T卷扬进行,塔架高约15m,全部用50钢管连接,下部采用工字钢做双重底座，并沿抗滑桩纵向顺坡面埋设反力座，用钢丝绳做保护,塔架底部安设滑轮，使塔架可以沿平台方向前后移动。轨体吊装时,使钢轨铅直