大锚杆联合抗滑桩在顺层边坡支挡的应用

舒海明，喻邦江

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550081)

1 引言

顺层边坡是指岩层走向与边坡走向一致的边坡。在实际工程中，通常把走向与岩层走向夹角小于20°、倾向接近的边坡视为顺层边坡[1]。我国山区地形地质条件复杂，在高速公路修筑过程中，不可避免的会遇到一些顺层边坡。在施工开挖过程中，受到爆破震动、雨水等不利因素，顺层边坡尤其是有软弱结构层的顺层边坡极易发生顺层滑动。顺层边坡一旦滑移，将对公路施工及日后的营运安全造成非常大的灾害。如贵州省仁赤高速公路，建成通车后，2015年1月4日，一边坡发生顺层滑移，约10余万方山体崩塌倾覆在高速公路路面上，造成高速公路双向交通中断，一辆轿车被掩埋，车内人员3死1伤的惨剧。近年来，设计人员越来越重视对顺层边坡滑坡机理的分析及支挡措施有效性的研究。本文结合紫望高速公路YK41+000～YK41+100右侧挖方边坡，论述采用大锚杆联合抗滑桩治理顺层边坡合理性。

2 工程概况

该工点地处云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，属乌蒙山脉东南侧边缘山区。山体自然坡角约20°～60°。山坡植被发育，为灌木地，属侵蚀-构造型低山地貌。

覆盖层为第四系残坡积层(Qel+dl)含碎石粉质粘土：黄色，可塑状，含少量碎石，碎石成分为泥质粉砂岩、砂岩，粒径2～15 cm。厚1.0～4.0 m。

下伏基岩为三叠系中统边阳组(T2b)薄-中厚层状砂岩夹泥岩。根据岩体的节理、裂隙发育特征，硬度与完整性，按风化及破碎程度将岩体分为强、中风化两层，强风化层深约20 m。场区无断层发育，场区路基段岩层呈单斜产出，产状75°∠36°。主要有2组节理，其产状分别为125°∠70°、200°∠65°。节理间距0.5～1.0 m，单个节理延伸长度1～3 m，节理面多平直，表层局部泥质充填。

3 边坡稳定性评价

3.1 边坡稳定性分析

岩层产状：取75°∠36°，线路走向164°，边坡坡向74°，场区主要发育两组节理L1、L2(L1产状：125°∠70°、L2产状：200°∠65°)。

据横断面YK41+070结构面赤平投影图(图1)分析：为顺向坡，两结构面L1和L2的交点位于开挖坡面Sc投影半圆相对的半圆内，主要控制性结构面为层面，边坡沿着层面的滑移的可能性极大。

(L1.节理1；L2.节理2；Sn.自然坡面；Sc.开挖坡面)图1 赤平投影图

3.2 稳定性计算

顺层边坡开挖后考虑其按平面滑动，其稳定性主要由层间参数确定，根据岩土试验资料、工程地质调绘，结合工程类比，推荐物理力学指标如表1。

表1 边坡稳定性计算参数

本项目地震基本烈度为VII度，地震动峰值加速度为0.15g，根据规范[2]相关规定，可以不考虑地震力对边坡稳定性的影响。故对边坡的潜在滑动面进行稳定性计算，考虑两种工况：(1)天然工况；(2)暴雨工况。

采用平面直线滑移法计算结果如表2。

表2 边坡稳定性计算结果

4 边坡治理设计

4.1 治理方法的选择

对于具有层状结构的顺层边坡，在分级开挖时，每级边坡坡脚都可能成为发生顺层滑坡的剪出口，所以既要考虑总的下滑力，又要分级进行验算。顺层边坡视下滑力多采用在第一级坡脚设抗滑桩，以上分级设框架锚索、锚杆等支护方式联合支挡的方式。

采用抗滑桩固脚为常规的支挡措施，其抗弯、抗剪性能较好，同时起到减少变形的作用，广泛运用于滑坡支挡、边坡预加固。

顺层边坡采用框架锚索预加固的实例也颇为常见，锚索的作用有二：(1)通过其预应力的切向分量克服下滑力；(2)增加层面上的法向力，从而增加岩体自重在破裂面上产生的摩擦力。但其也有一些不足：(1)锚索都是采用格构梁连接，锚索钻孔注浆完后，还需要施工混凝土梁，混凝土梁达到龄期后才能进行预应力张拉，这需要约15 d左右的工期，在这段时间内，临空的顺层边坡由于得不到及时的约束有可能发生滑移；(2)预应力锚索属于柔性结构，其直接抗剪效果较差，预应力一旦松弛，其 “以柔克刚”的效果将大打折扣。在山区高速公路发生过多起加固好的顺层边坡由于锚索预应力松弛而滑移的事故。

大锚杆又称微型桩、小孔径灌注桩。其施工工艺简单，一般在坡体上垂直于层面钻孔后，在孔内插入钢筋、钢管、钢轨或者其他抗剪性能强的钢材，再向孔内注浆即可。其既可以通过注浆提高岩体整体性或层面的抗剪性能，又可以钢筋的抗剪强度较好地抵抗顺层滑动推力，同时，还具有施工迅速、阻滑效果发挥快的优点。但是，采用大锚杆加固的整体性较差，主要适用于岩层完整性较好且强度较高的岩质边坡。

据现场调绘，YK41+000～YK41+100右侧挖方边坡，岩层为泥质粉砂岩夹泥岩，泥岩厚度2～10 cm，风化强烈，部分风化层土状，边坡分台阶开挖后，由于存在临空面，极易发生滑移，施工风险较大。其剩余下滑力为1 407 kN/m，较大，在设计时采用大锚杆联合抗滑桩的支护方案：第一级抗滑桩悬臂采用10 m，第二级采用1∶0.75放坡，坡面施工3排大锚杆，每根大锚杆由3根φ32钢筋组成,其纵向间距为3m，计算典型横断面如图2所示

图2 YK41+100典型横断面

4.2 大锚杆抗剪力计算

4.2.1 理论分析[3]

计算模型如图3所示，顺层边坡开挖后主要沿层间最软弱的结构面滑移，当发生滑移时，由于滑体间的相对位移较小，故可以假设滑体在滑面上做刚性位移，即滑体发生位移时，BC变形至BC′,此时产生拉力T，大锚杆的AB部分因在滑动面以下未发生位移，CD平移至CD′。滑面的抗剪强度指标为粘结力c和内摩擦角φ，假设发生滑移破坏时，大锚杆中的钢筋抗拉和抗剪力都达到设计值，此时单根锚杆提供的抗剪力R1为：

图3 单根锚杆的抗剪分析

(1)

式中,R2为大锚杆的允许抗剪力，不考虑砂浆的抗剪，只计钢筋的抗剪力，其值为：

R2=Afv

(2)

其中,A为钢筋的面积;fv为钢筋的抗剪强度设计值。

R3为图中BC受拉变形后产生的拉力T在滑面上产生的抗剪力。其计算方法如下：

R3=Tsinθ+Tcosθtanφ

(3)

如果钢筋的设计拉应力为[σ]，则拉力T为：

T=A[σ]

(4)

变形角的计算：

(5)

为了保证大锚杆在拉力T作用下不被拔出，AB应该有足够的长度，即

(6)

式中,K为安全系数，可以查规范[4];D为钻孔直径；frb为岩体与注浆体界面粘结强度设计值。

4.2.2 大锚杆提供的抗剪力计算

由于钢筋多用于结构构件的抗弯，规范[5]没有钢筋的抗剪强度设计值。故视为钢结构查规范[6],钢筋抗拉强度设计值[σ]=200 MPa,抗剪强度设计值fv=120 MPa,弹性模量E=2×105MPa,钻孔直径为110 mm，每孔钢筋的抗剪断面积为24 cm2，孔内灌注M35水泥砂浆，查规范[4]，K取2.0，frb取600 kPa。

钢筋抗拉力T=A[σ]=24×10-4×200×103=480 kN

R2=Afv=24×10-4×120×103=288 kN

R3=Tsinθ+Tcosθtanφ=480×sin 2.6°+480×cos 2.6°tan14°=141 kN

R1=R2+R3=429 kN

其每断面布置3排，纵向间距3 m，每延m提供的抗滑力为3×R1/3=429 kN/m

4.3 抗滑桩受力计算

抗滑桩受到下滑力为总的下滑力扣除大锚杆承担的下滑力，即为978 kN/m，桩后剩余下滑力按矩形分布，经过计算，采用2 m×3 m抗滑桩，抗滑桩中对中距离6 m。抗滑配筋计算较为简单，一般的岩土软件都可以完成，计算过程本文从略。

5 结语

该工点按以上方案进行施工，在施工过程中未发生失稳及滑移的现象，施工已经完成8个月，经观察，未发现任何病害。通过该工点的设计，我们取得如下经验：

(1) 顺层边坡的稳定性主要由结构面的物理力学参数确定，要特别重视软弱夹层的调查。

(2) 大锚杆施工迅速，可操作性强，可以利用钢材的良好抗剪性能，快速限制顺层边坡的变形。采用大锚杆对顺层边坡进行防护，既可以起到保证施工安全，又能起到永久加固的作用。

(3) 本文简便起见，假设大锚杆的抗剪强度与抗压强度同时达到设计值，可能与其实际受力状态有偏差，值得进一步探讨。

[1] 邓荣贵,周德培，李安洪.顺层岩质边坡不稳定岩层临界长度分析[J].岩土工程学报，2002，24(2):178-182.

[2] 李安洪，周德培，冯君.顺层岩质边坡稳定性分析与支挡防护设计[M].人民交通出版社，2012:160-161.

[3] 中华人民共和国交通运输部.公路工程抗震规范(JTG B02-2013)[S].人民交通出版社，2014.

[4] 中华人民共和国交通运输部.公路路基设计规范(JTG D30-2015)[S].人民交通出版社，2015.

[5] 中华人民共和国住房与城乡建设部.混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)[S]. 中国建筑工业出版社，2011.

[6] 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范( GB 50017-2003)[S]. 中国计划出版社，2003.