锚杆挡墙加固高陡土质边坡设计探讨——以岗白路K8+290～K8+400段路基边坡为例

邱 兵, 白慧林

(四川公路工程咨询监理有限公司, 成都 610041)

近些年,由于全国经济发展的需要,我国道路建设逐渐向西发展,而西部山区高山峡谷地形环境条件恶劣,线路穿山、绕山而过必然会涉及大规模开挖工程,形成高陡边坡,降雨、降雪及其冻融等外部因素的干扰极易诱发滑坡灾害[1-3]。然而山区道路工程往往偏远,且生态环境脆弱,加之地方政府建设资金严重受限,在高陡边坡处置上捉襟见肘,而传统施工技术在山区建设中局限性增强,综合影响下工程建设成本高、工程进度推进缓慢。

随着西部山区道路工程项目陆续上马,工程建设中的边坡问题愈渐突出,尤其是高陡土质边坡在防治中仍存在很多技术难点。针对土质边坡,传统防护技术主要包括挡土墙、框架锚杆(索)、抗滑桩等,不同措施造价差异较大,并且抗滑桩这类措施在高山峡谷有限的建设空间中施工难度极大[4],而当前工程建设基本上沿用以往的处置技术,多局限于传统技术的刻板复制,缺乏以地质环境为基础的技术创新[5-7]。何兆益等[8]运用极限平衡法与数值仿真技术,在对边坡稳定性评价基础上,提出了以预应力锚索框架梁和压力灌浆为主、结合岸坡防护等辅助措施的治理方案。徐永福等[9]在土质边坡防治研究中细分出分“隔”技术、支“挡”技术和加“固”技术,防治方案以实际工程条件为背景而灵活选取,使土质边坡防治更为精细化。韩龙等[10]较早在边坡防治中应用监测技术,在边坡防治动态信息化方面提出应用思路。綦建峰等[11]认为在掌握实际地质环境条件基础上,应加强多种工程措施的综合应用和防治方案的优化组合,避免单一技术方案的不完善性。此外,王恭先和成永刚[12]、王安礼等[13]、李光海[14]针对滑坡防治技术展开深入研究,并形成系统性专著。

基于土质边坡防治技术研究近况,笔者在长期从事公路工程路基设计工作中遇见大量土质高边坡防治案例,选取2018年白格滑坡堰塞湖导致的一处高陡土质边坡进行防治技术研究。在应急抢险过程中,根据实际地质环境条件与工程特点,探索采用锚杆挡墙加固高陡土质边坡的设计思路,并且在实际应用中取得良好效果,而对这一技术方案的系统总结可为类似案例防治提供新的思路。

1 工程概况

2018年10月、11月,西藏自治区昌都市江达县和四川省甘孜藏族自治州白玉县相邻的波罗乡白格村日安组先后两次发生大规模滑坡灾害(即白格滑坡),上千万方滑坡松散物进入金沙江,阻断河流并在上游形成几十公里的堰塞湖[15]。由于金沙江水位的突然上涨,壅水高度远高于历史洪水位,水流向坡体倒灌导致临江国道215线岗托至白玉段公路外边坡严重损毁,发生大量滑坡灾害,其中K8+290～K8+400段路基下边坡在堰塞湖壅水浸泡以及泄流水位回落后发生大规模垮塌,呈现牵引式变形破坏特征[16],滑坡体全部滑入金沙江,路基外侧边坡为滑坡体后缘,如图1、图2所示。该滑坡区宽约140 m,顺坡向长超过50 m,滑坡体最大厚度可达8 m,总方量约10.5万m3。

滑坡发生后形成高陡临空面,并且导致路基严重损毁,交通中断。灾后恢复重建刻不容缓,项目建成后,对提高该片区抗灾能力,保障道路安全、畅通,完善区域路网,提升道路通行能力及服务水平,整合旅游资源、加快旅游经济发展具有非常重要的意义。

2 工程区地质环境特征

工程区位于四川省甘孜州金沙江河谷地带,属于青藏高原东南部之川西高原深切割高山区,总体地势呈东西两侧高、中部相对较低态势。滑坡位于金沙江左岸,原始斜坡坡度为35°～50°,陡缓相间,路线沿坡体中下部展布,内挖外填而成。

整个工程区地质构造较为发育,以褶皱为主,而该滑坡位置处无断层、褶皱。该地区地震动峰值加速度为0.20g(g为重力加速度),地震动反应谱特征周期为0.40 s,对应的地震基本烈度为Ⅷ度。

3 边坡锚杆挡墙处治方案

路基垮塌后,路基宽度不足,在雨水浸泡和卸荷作用下,岩土强度将逐步降低,坡面极易发生开裂甚至进一步垮塌。由于岸坡高陡,下临金沙江,如再次发生垮塌,该处将彻底断道(图2)。因此,该边坡的支挡加固迫在眉睫。

该工程作为应急灾害处治工程,原路保通要求高,应尽量减小施工时对路基的开挖量。

由于边坡高陡,如采用常规的重力式挡墙,挡墙高度将达12 m,且挡墙宽度较大,施工挡墙时需挖掉很大一块路基,导致路基断道,土质边坡也不能满足高大挡墙对地基承载力的要求,需在墙下设置桩基托梁,此处在陡坡上施工桩基难度极大,工程造价高,故该方案不可行。

如采用抗滑桩进行处治,桩截面尺寸拟为2.0 m×3.0 m,桩间距为5.0 m,桩长为26～30 m,且自由悬臂段长度过大,同时,该方案造价高、施工难度大、工期长,地方上也无法提供相应的配套资金。

由此看出,以上两个方案均不可行。根据项目的特点并结合以往的工程经验,经过分析,提出在将路线适当内移的情况下,采用锚杆挡墙加固边坡的方案(图3),具体分析如下。

图3 锚杆挡墙加固高陡土质边坡方案

原边坡稳定系数FS=1.04,处于欠稳定状态,采用锚杆挡墙加固土质边坡的实质为:提高边坡的稳定性以满足规范要求,即在正常工况下边坡安全系数不小于1.20,在非正常工况Ⅰ下边坡安全系数不小于1.10,此处路基顶面低于原地面,采用三级公路路堑边坡稳定安全系数,而不是设置抵抗下滑力(或土压力)的挡墙、抗滑桩等支挡结构。

锚杆具有强大的抗拉能力,可弥补边坡岩土强度不足的问题,提高边坡的稳定性。

锚杆采用单根直径32 mm的HRB400钢筋,单根锚杆杆体抗拉力为

Nak=ASfy/K1=804.2×330×10-3/1.8≈147.4 kN

(1)

式中:Nak为锚杆杆体抗拉力,kN;AS为锚杆钢筋截面面积,m2;fy为普通钢筋抗拉强度设计值,kPa;K1为锚杆杆体抗拉安全系数。

单根锚杆锚固体抗拔力为

Nbk=πDfrbkla/K2=
π×0.1×180×6.0/2.0≈169.6 kN

(2)

式中:Nbk为锚杆锚固体抗拔力,kN;D为锚杆锚固段钻孔直径,m;frbk为岩土层与锚固体极限黏结强度标准值,kPa;la为锚杆锚固段长度,m;K2为锚杆锚固体抗拔安全系数。

K1、K2按《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)第5.5.5条取值。

锚杆水平及竖向间距分别采用3.0、2.5 m,平均锚杆抗拉力取147.4 kN。经计算,得正常工况下FS=1.263>1.20,非正常工况Ⅰ下FS=1.104>1.10,满足《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)第3.7.7条的要求。

锚杆挡墙面板采用柱板式结构,肋柱采用T形截面,肋柱之间采用现浇C30钢筋混凝土挡土板(图4),挡土板上设泄水孔,结构计算略。

图4 锚杆挡墙立柱及面板断面图

施工时先开挖肋柱范围内的土体,施工锚杆,浇筑肋柱,固定肋柱,然后开挖肋柱之间的土体,现浇挡土板。由于在开挖肋柱时开挖面积小,对边坡的扰动小,能较好地满足肋柱施工期间边坡的稳定和道路保通的要求。肋柱施工完成后,既已对边坡进行了加固,为挡土板施工提供了保障。

由于该工点边坡高陡,路基下边坡总高度达43 m,且为土质边坡,故在锚杆挡墙基础下布置了3排压力注浆锚杆对地基进行加固,一方面提高地基承载力,同时,增加边坡的抗滑力,减小地基变形。

为加强边坡内部排水,在锚杆挡墙下部设一排长度为20 m的仰斜式排水管。

4 边坡处置数值模拟分析

采用有限元数值模拟技术对处置前后应力场、位移场进行对比分析,研究边坡变形破坏机理,评价锚杆挡墙加固高陡土质边坡方案的合理性。

4.1 模型构建

以滑后边坡形态建立初始模型,以锚杆挡墙处置后边坡形态建立分析模型,其中挡墙、锚杆按实际尺寸比例绘制,模型特征如图5所示。

图5 处置前后边坡分析模型特征

模型中材料参数取土工试验参数,处置后边坡模型分天然、饱和两种工况,并考虑过往车辆动荷载,按相关规范取10 kPa均布荷载,分布宽度为6.5 m。

4.2 应力场

通过数值模拟得出治理前后不同条件下边坡应力场特征,锚杆挡墙处置前后应力环境变化显著,而降雨等因素下导致的土体饱和对边坡应力环境也有所影响,其特征如图6所示。因白格滑坡堰塞湖水位上涨引发路基外边坡发生滑坡后,原始地形被破坏,呈现出折线型特征,临近路基一级边坡坡度可达70°以上,向下逐渐减缓。原地形环境中滑体的缺失导致滑坡后缘及上部坡体处于欠稳定状态,现场调查发现仍有牵引变形裂缝发展,高陡临空面的形成为变形持续发展提供剪出空间,因而滑后的整个边坡在上部自重作用下应力环境分布明显不均匀[图6(a)]。除坡体内部外,坡表两处地形明显转折处有较强的应力集中现象,其源于上部坡体自重,在转折处重力分力形成压应力集中区,应力的提高易使土体结构损伤、强度降低,进而再次发生破坏,因而对滑后边坡的处置尤为必要。

图6 不同条件下应力场特征

当采用锚杆挡墙支护后,天然工况下整个边坡应力集中区明显消散,仅在坡体内部存在自重竖向应力下的小规模应力集中区[图6(b)],挡墙面板因锚杆受力而应力集中,反映了锚杆挡墙已受力而增强坡体稳定性,可见锚杆挡墙技术对滑后边坡处置起到很好的效果。在考虑暴雨等因素下的饱和工况时,整个坡体应力场再次发生调整,挡墙面板上应力值有所增大,而路基上边坡出现小幅度应力集中,主要位于地形转折处以及坡脚石笼挡墙附近,可见饱和工况下边坡土体自重增大,力学强度有所降低,导致上边坡稳定降低而有发生局部垮塌的可能性。从治理后的情况来看(图7),整个边坡处于稳定状态,而上边坡确实出现小规模的垮塌,但对路基影响小,及时清理后不影响过往车辆通行。

图7 治理后上边坡局部垮塌破坏

4.3 位移场

图8展示了治理前后路基边坡位移场特征。在滑坡发生后治理的情况下,受坡体自重影响,重力下滑分力会促使边坡向临空面发生蠕滑变形,最大变形量接近20 cm[图8(a)],这与滑后调查结果相符。此外,在滑动区后缘陡缓交界处也存在因上部挤压而形成的塑性变形区,若一直处于此状态,则可推断后期会沿临空面某一处发生次级滑动破坏。

图8 不同条件下位移场特征

在工程治理后,天然工况下边坡变形情况得到有效控制,变形位移量极小,在考虑计算误差的情况下可视为未发生变形而已经处于稳定状态。当斜坡土体达到饱和状态后,路基上边坡处于小幅度的位移变形,与饱和工况下的应力场变化相对应,可见强降雨、暴雨等极端因素影响下对上边坡会存在一定影响,而治理后的实际效果也反映出上边坡会出现局部的垮塌,但总体无严重影响。

4.4 锚杆挡墙受力特征

通过对比3种条件下边坡应力场、位移场的变化特征,工程治理前后边坡应力环境得到有效改善,锚杆挡墙的受力抵消了边坡自重下滑分力的影响,位移变形得到很好控制,从而使边坡稳定性极大提高,能够达到规范要求的安全系数。同时对比治理后天然工况与饱和工况模拟结果,两种工况下工程措施对整个边坡防护起到良好效果,饱和工况下路基上边坡虽存在小范围形变,但不会再次出现大规模的滑动破坏。

表1列出了计算出的5排锚杆的受拉力情况,在天然工况下,从上至下5排锚杆均处于受力状态,并且所受最大拉力先增大再减小,中部3#锚杆受力最大。当达到饱和时,锚杆的受力有所变化,1#～3#锚杆所受最大拉力有所减小,而4#～5#锚杆拉力明显增加,并且1#～5#锚杆拉力呈现出逐渐增大的趋势。

表1 各级锚杆所受最大拉力

锚杆所受最大拉力代表作用在锚杆挡墙面板上的土压力,其分布特征反映了土压力特征。计算出的锚杆最大拉力平均值(149.0、146.1 kN)与单根锚杆抗拉力设计值分布规律相当,充分发挥了锚杆的抗拉能力,表明前述计算边坡稳定性系数FS时采用的单根锚杆抗拉力设计值是恰当的。

5 实际治理效果及特点

案例中锚杆挡墙于2021年施工完成后,已经历了两个雨季,锚杆挡墙至今未出现明显变形和开裂,甚至是小的破损,设计成果得到了较好的验证。

从前面分析中可以看出,锚杆挡墙加固高陡土质边坡主要有以下效果及特点。

1)基坑开挖范围小,施工扰动小,施工难度小,施工周期短,施工期间土质边坡的稳定性保持较好,为保通和施工创造了良好条件,同时避免了大开挖后墙背大量回填的施工工序。

2)充分利用边坡岩土的强度,锚杆挡墙的作用主要是提高边坡的稳定系数,增加安全储备,同时起到坡面防护作用,而荷载主要由边坡岩土体承受,锚杆仅在荷载增加或岩土体强度降低的情况下才参与受力,故需要的锚杆数量不多,且一般情况下锚杆处于低应力工作状态,在按规范要求设置好保护层的情况下,耐腐蚀性能较好。

3)充分利用了锚杆抗拉强度高的特点,弥补了高陡土质边坡岩土强度低、抗滑稳定性不足的问题,有效提高边坡稳定系数,保证路基的稳定,减小路基的变形。由于锚杆材料的弹性模量远高于土体的变形模量,锚杆挡墙面板的刚度也较大,当体系中外荷载增加时,荷载将迅速传递到锚杆,使锚杆的抗拉作用及时发挥。

4)采用锚杆(锚索)加固路基和挡土墙的方案(面板可根据情况灵活调整),在笔者近些年的设计工作中经常使用,特别是在地方低等级道路中,取得了非常好的加固效果和显著的经济效益。

6 结论

以国道215线岗托至白玉段白格滑坡堰塞湖灾后恢复重建工程中K8+290～K8+400段路基下边坡处治案例为对象,基于该边坡实际采用的锚杆挡墙技术,通过数值模拟技术对其应用效果进行研究分析,并对比评价锚杆挡墙技术的应用特点。锚杆挡墙技术中,锚杆起到提高边坡抗滑力作用,而挡墙不仅约束了边坡剪出失稳的临空条件,同时作为面板将锚杆连接为整体,提升锚杆的整体受力作用,两者的综合使用起到取长补短的整体效果,研究结果与实际应用效果一致,并且其结构轻巧,以柔克刚,避免了采用挡墙或抗滑桩等重型工程措施的高费用、高难度的弊端。该技术因施工周期短,岩土强度降低不明显,可更好地利用原边坡的稳定性来保通和开展施工作业,节省工程材料和造价,在一定条件下是一种非常值得推广的设计方案。

此外,本案例锚杆挡墙采用了“加固”的设计理念,即通过工程措施对原有的边坡稳定系数进行提高以满足规范要求,即使地勘提供的岩土强度参数(即c、φ值)存在误差,只要保证原边坡稳定系数取值合理,其对稳定性提高的效果也不会有太大的偏差。

一个好的岩土工程师,应该在认知事物本质的基础上,采用四两拔千斤的技术灵活处治岩土工程问题,同时,这也是有技术自信和技术担当的表现。本文中提出采用锚杆挡墙加固高陡土质边坡的思路,希望能起到抛砖引玉的作用,引起同行们共同研究,将更多安全可靠、经济合理的优质方案引入到勘察设计工作中。