预应力锚索钢轨桩在岩质边坡病害治理中的应用

谢振安

(广东和立土木工程有限公司，广州 511400)

0 引言

微型桩自上世纪九十年代成功应用以来，由于其灵活、快速的施工手段，得以在边坡病害处治特别是应急抢险中快速推广。其中微型钢轨桩因采用废旧钢轨截面大、刚度高，比钢管、钢筋等其他筋体抗滑能力更佳。微型钢轨桩具有经济环保、场地实用性强、桩位布置灵活、对岩土体扰动小等优点，近年来大量应用于滑坡治理工程[1-2]。采用柔性预应力锚索与刚性的钢轨桩相结合，使得桩与索协同受力，可有效提高钢轨桩的加固效果。

粤东地区花岗岩分布广泛，构造发育。潮漳高速公路路基挖方揭露花岗岩岩质边坡较多，部分坡段揭露断层破碎带交错，节理裂隙发育，地下水丰富，容易在边坡开挖防护过程中发生病害。本文以潮漳高速公路某病害工点为例，分析预应力锚索钢轨桩在岩质边坡病害治理中的应用。

1 工程概况

1.1 边坡概况

该高边坡位于地形起伏较大的丘陵区垭口，自然坡角最大约 35°，山体植被发育。坡体主要由可塑状粉质粘土、强风化花岗岩、中风化花岗岩和下伏微风化花岗岩构成，局部存在中、微风化层状较完整的硬质砂岩捕虏体。原设计为六级高边坡，后缘山体高陡。设置坡率均为1:1，分级平台宽度均为 2m。边坡上部及坡脚采用锚杆加固，腰部两级边坡采用锚索加固，六级边坡植草防护。边坡最大坡高 60.65m，边坡倾向约 50°。

1.2 病害及变更情况

当边坡开挖至五级边坡中下部时，第五级边坡出现开裂垮塌，因此将四级坡平台由原设计的2m加宽至6m，五、六级边坡坡率由1:1调整为1:1.25，第五级边坡锚杆长度由原设计的8m增长至 11.5m，第六级边坡由绿化防护调整为8m锚杆加固。半年后，边坡开挖至第三级边坡中部时，边坡堑顶出现贯通裂缝，边坡四级坡面出现裂缝，故在第五、六级边坡堑顶以上采用两排锚墩进行预锚加固，四、五、六级边坡采用锚索框架进行加固，三、四级边坡增设仰斜排水孔。

在锚固工程实施过程中，边坡开挖至一级边坡中部时，边坡堑顶出现多道贯通裂缝并下错，堑顶下错最大高度 80cm，部分预加固锚墩架空失效；四、五、六级边坡出现开裂，部分边坡的四、五、六级边坡锚杆、锚索框架出现架空和下错、锚头掉落等失效情况，坡面和平台截水沟变形开裂；三级边坡仰斜排水孔出水量较大。边坡已处于蠕动状态，坡体形成了平均厚度约12m、最大厚度约25m、体积约为12万m3的中型滑坡，主滑方向50°。

1.3 应急处理措施

坡脚增设高大反压体进行临时反压，四级平台设置注浆锚筋桩，三、四级锚索框梁往两侧延伸，对裂缝及时封闭及遮盖。实施应急措施后，边坡处于暂时稳定状态，但仍有滑动风险，需进一步加固。

1.4 边坡监测

2016年9月开始对该边坡进行监测，内容包括深孔位移监测、地表位移监测和边坡锚索锚下应力检测等。2017年5月中旬～6月中旬连续降雨后，发现各项监测指标随病害情况均出现较大的异常报警值，变化速率较大(表1)。随着反压体及部分应急措施的实施，边坡变形趋于收敛状态。

表1 2017年5～6月边坡监测异常情况

2 病害原因分析

2.1 地质环境

该边坡构造发育，地质情况复杂。边坡花岗岩侵入接触带且揭露捕虏体，并揭露有5道正断层，岩体较破碎，节理裂隙极发育，破碎带强度较低。边坡上部揭露全风化花岗岩、坡残积土覆盖层，岩体松散，亲水性强，强度较低。边坡揭露顺向陡倾贯通结构面，对边坡稳定不利，也为地表水下渗提供通道，是导致边坡失稳的主要原因。

2.2 水的作用

边坡后缘高陡汇水面积大，雨季持续强降雨，导致地表水通过正断层及坡体裂隙大量入渗，降低边坡强度，进一步降低滑面参数，是滑坡产生变形的主要诱发因素。

2.3 工程活动因素

边坡开挖施工造成边坡临时应力调整，稳定性进一步失衡；一、二级岩质边坡爆破开挖施工导致张性裂隙力学指标进一步下降。

3 滑面分析与下滑力计算

3.1 滑面形态

滑面后缘为现有堑顶裂缝处。滑面剪出口为二级坡脚及一级坡顶揭露砂岩-花岗岩接触带及断层岩软弱带。滑面角度为主控断裂带及主控构造面，倾向为NNE向，倾角约50°，与坡面小角度相交。四、五级平台测斜孔测得的突变点与堑顶裂缝连线倾角约50°。四、五级平台测斜孔钻探过程中在相应位移突变点位置出现断层破碎带，坡脚揭露部分顺倾低角度节理面。

边坡滑面后缘位于现有堑顶裂缝处，后缘滑面角度50°，前缘滑面角度10°～15°，现有滑面剪出口在二级坡脚至一级坡顶处，滑体最大厚度约25m。

3.2 参数反算及下滑力

考虑边坡处于蠕动状态的病害情况，假定边坡整体安全系数为0.95，反算滑面参数。考虑到坡体富水，滑坡滑体重度γ=25kN/m3，反算结果如下：滑面后缘粘聚力C=10 kPa，内摩擦角φ=20°；主滑段粘聚力C=20 kPa，内摩擦角φ=21°。根据路基设计规范安全系数进行计算，边坡主滑段下滑力约为2 800kN/m。

图1 主滑面

4 病害治理思路及方案比选

该高边坡病害较复杂，且无卸载放坡条件，现有滑面下滑力大，潜在滑面较深。病害治理的重点是加强现有滑面(断层破碎带)的加固，兼顾由于花岗岩俘虏的砂岩不整合接触面形成的潜在滑面。因边坡主滑段下滑力较大，且主滑段角度较大，采用常规的锚索框梁加固时，锚索体剪切受力或附加应力较大，加固效果不佳，且锚固力也不够。由此拟定3个加固方案进行比选：

(1)方案一(钢轨桩方案)：二、三级边坡设置多排钢轨桩加固，边坡腰部及顶部采用锚索十字架加固，防止滑坡冒顶。

(2)方案二(抗滑桩方案)：二级平台设置一排2×3m的抗滑方桩加固，边坡坡腰部及顶部采用锚索十字架加固，防止滑坡冒顶。

(3)方案三(放坡方案)：四级平台加宽至25m进行减载，五～九级边坡坡率均为1:1，平台宽度均为2m，最大坡高为10m，坡面采用锚索格梁进行加固。

以上三个方案的比选情况见表2。

表2 边坡加固方案比选

该工点后缘较高，放坡方案会大大加高边坡的高度，且征地问题难以解决，宜采用桩锚结构进行加固。但采用传统抗滑桩施工周期长，施工难度大，在硬质岩富水边坡采用爆破成孔或人工挖孔风险较大，对边坡扰动较大。通过各方面比选，决定采用钢轨桩加固方案。

为进一步优化钢轨桩受力结构，提高加固效果，采用钢筋混凝土格梁将钢轨桩连接，并在桩顶增设锚索十字架，使预应力锚索与钢轨群桩共同受力。当滑坡体发生变形时，位于桩体后部的锚索受到滑坡的下滑力作用时，增力的预应力同时将增加的额外预应力传递到锚索的反力结构抗滑桩，使锚索与抗滑桩协调共同支挡滑坡的下滑力，提高钢轨桩的抗滑力。

5 加固措施及加固效果

5.1 加固措施

二级、三级平台分别设置3排、2排钢轨桩，钢轨桩长度25m、30m，横向间距 2m，纵向间距 1m，钻孔直径300mm。钢轨采用60kg钢轨，桩顶采用砼地格梁连接，格梁尺寸 30cm×30cm。桩顶格梁与上一级坡脚锚索十字架连成整体(图2)。

图2 钢轨桩结构

一级坡面采用锚杆格梁防护，锚杆长度11.5m；二级坡面采用预应力锚索框梁防护，锚索长度40m；三级、四级、五级坡面在原有锚索框架基础上，增设锚索十字架，锚索长度40～48m。一、二级坡脚设置斜孔排水，间距6m，斜孔长度30m，加强深层地下排水；堑顶外20m处增设堑顶截水沟，加强上部自然边坡汇水的截排(图3)。

图3 病害处置

5.2 加固效果

病害治理措施在2017年12月前顺利完成，保障了潮漳高速公路按时通车。加固措施完成后，各项监测数据趋于稳定。通车后的2018～2020年，对该边坡进行长期工后监测，共布设4个监测断面，13个孔做深孔位移监测。根据2020年监测结果显示，深孔位移监测年度累计最大位移值7.40mm，监测数据变化量较小，位移曲线未见明显拐点，边坡处于稳定状态。

5.3 推广应用

预应力锚索钢轨桩方案在潮漳高速公路成功实施后，随后在广东省仁博高速公路一复杂地质条件的六级边坡滑坡治理工程中的应用表明，效果良好[3]。

6 结语

(1)对于受复杂构造影响的岩质边坡滑坡病害，在分析清楚病害原因及滑面形态后，宜采用桩锚结构进行加工，同时加强地下水的疏排。

(2)采用微型钢轨桩的加固模式相比传统抗滑桩，具有施工工艺简单、施工时间短，造价较低的优势，在岩质边坡中，能较好地发挥锚固力。

(3)钢轨桩以多排、小间距连续布设，桩顶采用格梁连接，并在桩顶的联接结构中设置锚索，形成微型锚索桩。此时由于锚索的主动受力特性，大大改善了微型型的长细比偏弱的问题，也为锚索提供了良好的反力结构，可有效地提高钢轨桩的抗滑作用。