多雨山区深路堑锚索框架梁防护设计分析

朱荣卡

（深圳华粤城市建设工程设计有限公司粤西分公司，广东 茂名 525000）

0 引 言

近年来，公路工程乃至城市市政道路工程建设范围出现了新的变化。由于城市扩张越来越快，开发程度愈来愈高，用地越来越紧张，使得道路建设向更为复杂的地形区延伸。

本文通过粤北某山区公路改扩建工程的实例经验，针对多雨山区道路设计尤其是深路堑边坡防护采用锚索加固时，通过设计计算乃至具体方案设计论证，避免类似气候环境采用锚索加固措施失效导致边坡失稳的事故发生。

1 工程概况

粤北某山区一级公路改扩建工程为双向六车道，横断面为：3.75 m（人行道）+5 m（非机动车道）+2 m（侧绿化带）+11.75 m（车行道）+5 m（中央绿化带）+11.75 m（车行道）+2 m（侧绿化带）+5 m（非机动车道）+3.75 m（人行道）=50 m，由于原公路路线一处越岭展线，西侧为较为陡峭的岩质边坡，东侧为典型坡度较缓的岩土二元结构边坡，改扩建方案沿着东侧进行扩建，为了节省工程造价，该处节点对工程断面有所压缩调整。

该处现状如下：拟建公路从山体坡脚通过，坡底最低标高122～138 m，坡顶最高标高为197.51 m，山体最大自然坡角约45°，山体植被发育，生长桉树及各种灌木、蕨类植物。

经调查该区域气候如下：属中亚热带季风型气候，区内气候温和，雨量充沛，大气降水渗入为地下水的主要补给来源，经调查区内暴雨期内山洪爆发经常发生，对边坡影响较大。

该节点平面见图1。

图1 节点平面布置图

2 边坡稳定分析

2.1 选用公式及理论

参考公路设计习惯以及《公路路基设计规范》，本文采用圆弧滑动面边坡稳定计算，其中简化毕肖普法作为公路部门推荐方法。参考相关文献，该方法是比较简单实用，适合作为工程设计人员使用的方法。

简化毕肖普法公式如下：

式中：K 为整个滑体剩余下滑力计算的安全系数；b为单个土条的宽度，m；W 为条块重力，kN，浸润线以上取重度，以下取饱和重度；θ 为条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角，°；C、φ 为土的抗剪强度指标，采用总应力法时，取总应力指标，采用有效应力法时，取有效应力指标。

2.2 边坡等级、计算工况以及安全系数取值

根据初步放坡方案高度测算，该项目按岩质边坡已经超过30 m，坡脚下为一级公路，南侧坡脚下接公路大桥，路线纵坡4%，南低北高，破坏后果非常严重，所以边坡安全等级为一级。

根据《公路路基设计规范》（JTG 30—2015），路堑边坡稳定安全系数见表1。

表1 路堑边坡稳定安全系数控制表

其中正常工况：边坡处于天然状态下工况

非正常工况I：边坡处于暴雨或者连续降雨状态下的工况。

根据《公路工程抗震规范》（JTG B02）由于该地区基本地震动峰值加速度为0.05g，对应原地震基本烈度为VI 度，总体处于建筑抗震一般地段。所以非正常工况II——边坡处于地震等荷载作用状态下的工况不需要验算。

综上所述，结合工点边坡安全等级，该工点安全系数取值如下：

正常工况安全稳定系数须在1.3 以上；

非正常工况I 安全稳定系数须在1.2 以上。

2.3 工点地质条件、土层揭露以及物理力学性质

该工点地质剖面见图2。

图2 地质剖面图

土层揭露如下：

（1）残积（Qel）4-1-1 砂质黏性土:灰褐色，硬塑，主要由粉黏粒组成；

（2）燕山期（γ）花岗岩

5-1 全风化花岗岩：浅灰黄色，结构基本破坏，呈砂土状；

6-1 强风化花岗岩：黄褐色，结构大部分已破坏，岩芯呈砂土状，局部夹强风化岩块。

6-1-1 强风化花岗岩：灰黄色，裂隙发育，岩芯呈块状，局部夹半岩半土状。

7-1 中风化花岗岩: 灰色，岩体裂隙发育，岩芯块状为主，岩质硬，声较脆。

根据地质勘探资料该位置深路堑工点说明显示，该处地基土层物理力学性质指标见表2。

表2 地勘土体参数表

2.4 放坡方案以及初步计算结果

该节点放坡方案如下：每隔10 m 一级，其中第一级放坡坡率采用1∶0.75；第二、三级放坡坡率采用1∶1；第四级放坡坡率采用1∶1.25；第五、六级放坡坡率采用1∶1.5，见图3。

图3 路基横断面设计图（一）

经采用简化毕肖普法计算，岩土计算参数见表3。

表3 岩土参数取值表

计算结果如下：

正常工况下，滑动安全系数=1.27；

非正常工况I 下，滑动安全系数=1.085；

以上取值根据该山区环境下进行了充分考量，根据计算结果未能满足设计要求。同时针对该地质剖面，类似于顺层滑动，需要对边坡进行加固设计。

2.4 采用加固方案计算结果

根据上述计算滑动面位置，本工程提出采用预应力锚索+ 框架梁进行主动加固的设计方案，其中加固方案如下：

第三、四、五级加固：采用预应力锚索+ 框架梁防护，其中采用φ150 锚索，长25 m，主筋6×φ15.2，锚固段8 m，设计抗拔力600 kN，倾角为25°，见图4。

图4 路基横断面设计图（二）

采用简化毕肖普法计算，采用上述岩土参数，经过加固处理以及泄水措施后，调整了6-1 强风化层内摩擦角为27°（非正常工况I），计算结果如下：

正常工况下，滑动安全系数= 1.415；

非正常工况I 下，滑动安全系数= 1.219；

满足设计要求。

2.5 工程方案应用

通过以上计算结果，深路堑采用预应力锚索框架梁防护可以满足设计要求，从而得出可行工程方案。实际应用中应注意以下几点：

（1）在多雨山区环境中，如何模拟暴雨工况使得计算更满足实际要求。本工程主要计算指标粘聚力C 以及内摩擦角φ 采用直接快剪的方式，计算采用总应力法进行计算，天然状态下，土层含水率为18%～32%，为了模拟暴雨工况，根据工程经验，对关键土层的主要计算指标粘聚力C 以及内摩擦角φ 进行折减，一般情况下内摩擦角φ 折减10%，本工程考虑多雨山区，山洪时常爆发，根据气候环境对最不利土层内摩擦角φ 折减15%。

（2）在多雨山区环境中，采用预应力锚索的同时，对锚索的防腐进行加强考虑，由于地表水下渗比其他环境中更为厉害，所以本工程采用无粘结钢绞线预应力锚索，由原来的拉力集中型锚索改为应力分散型锚索，有效避免在这种环境中由于腐蚀失效的情况。

（3）在多雨山区环境中，增强排水设施设计，如在重要程度较高的路段，增大截水沟尺寸，增大路堑坡脚排水边沟尺寸，增大急流槽尺寸等等，使得减少瞬时冲刷对锚索加固防护的影响。

3 总结分析

（1）在类似地质剖面岩土二相边坡设计计算，特别需要注意的问题是，设计当中不能仅仅采用圆弧法进行计算，还应根据类似土层分布采用折线法进行设计验算复核，避免由于雨水下渗沿着土层分界进行滑移。计算结果两种方法当中取最不利作为计算结果。

（2）在多雨山区环境中类似的地质剖面进行加固设计，尤其采用预应力锚索+ 框架梁进行防护设计时，需要重点关注的关键技术是预应力锚索失效问题以及施工质量控制，设计既要考虑采用类似于无黏结后张预应力法，又要考虑施工质量问题，详细质量控制指标进行说明。同时增强泄水管布置以及路基排水设计，使得路基边坡设计更加安全。

（3）在多雨山区环境中，结合设计计算，本工程设计采用无粘结钢绞线预应力锚索+ 框架梁主动加固防护，通过以上边坡稳定分析，本工程设计方案基本满足路基边坡防护设计要求，达到设计预期效果。