边坡稳定性分析及支护加固设计施工探讨
2015-07-27
引言： 预应力锚索腰梁是近年来发展起来的一种新型支挡结构，这项技术是把预应力锚索的锚碇直接固定于腰梁结构上，使预应力锚索和腰梁共同承担加固结构物的荷载。它是通过钢筋混凝土腰梁将锚索连接，从而将锚索巨大的锚固力传递给坡体，改变坡体应力状态，提高坡体自稳能力的一种主动加固方法。腰梁不仅可以为预应力锚索提供反力装置，而且也对边坡岩土有着框箍和压紧作用。由于这种加固技术与其它土体加固技术相比，具有施工简单、加固效果显著和适用面广等优点，因而对于地质条件差的高开挖边坡可以推广应用。
1 工程概况
1. 1 场地条件
某工程位于娄底市万宝开发新区，因需要，拟将其旁一山体内侧的土体挖掉。开挖后形成原状土土质高陡边坡，坡高 4. 0 ～15. 5m，边坡安全等级为一级。被开挖部分山体的水平距离为 150. 0m，垂直高度为 15. 5m，按 1∶ 0. 4 分两次放坡，放坡高度分别为 8m 和 7. 5m。由于山体开挖后的边坡稳定性将直接影响建筑物的安全使用，故需根据山体地质情况正确分析其开挖后所形成边坡的稳定性，制定合理的边坡支护方案。
1. 2 工程地质及水文条件
根据岩土工程勘察报告显示，该山体内的地层自上而下的顺序主要有:第四系坡洪积层(Qdl + pl)、冲洪积层(Qal + pl)、残积层(Qel)以及侏罗系中统基岩(Ja2)，
场区内地下水主要为赋存于基岩风化带中的风化裂隙水，地下水的富水性一般，以大气降水的垂直渗入作为其主要补给来源，地下水位埋藏较深。场区内地下水 pH 值为 5. 80 ～ 6. 20，对拟治理边坡的混凝土结构及钢筋均不具腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。
2 边坡稳定性分析
由工程条件可知，边坡土层抗剪强度较大，但局部破碎、软硬互层的构造特性又导致其稳定性较低，在地表水及雨水作用下边坡容易滑塌。边坡开挖后，在坡体内发现一个顺坡向的软弱结构面，倾角约 30°，长约25m，倾角小于坡角，对边坡稳定性构成潜在的严重威胁。在滑体后部产生张裂缝，该张裂缝对边坡稳定性有很大影响，特别是在暴雨情况下，由于底部排水不畅，张裂缝可能临时充水达一定高度，沿张裂缝及滑动面产生静水压力，使滑动力突然增大，造成边坡滑移。边坡的稳定性分析可按平面剪切破坏类型考虑。
由刚性极限平衡法分析，稳定系数计算:
式中: Fs为边坡稳定性系数; c为滑动面内黏聚力(kPa);φ为滑动面内摩擦角 (°); L为滑动面长度(m);α为边坡坡脚(°);β为滑动面倾角(°);u 为作用在滑块地面上的水浮托力(kPa);v为张拉裂缝中的水压力( kPa);γw为水的重度 ( kN/m3);γ为岩体重度(kN/m3);Z为张裂隙深度( m);Zw为裂隙中水的深度;W 为滑体所受重力(kN)。
根据边坡工程地质条件:L = 25m，c = 30kPa，φ =15°，α = 68°，β = 30°，γ = 20kN / m3，Z = 5m，H = 15. 5m，Zw= 4m。c，φ的取值是根据山坡原状土试样进行试验得出的。将上述数据代入公式计算得 Fs= 0. 97，小于设计要求的安全系数 1. 25，不符合规范要求，说明现有边坡稳定性较差，需采取加固措施。
3 边坡支护设计
根据边坡的岩土体情况、勘察报告以及支护性质，具体方案如下:采用锚杆与预应力锚索并配置钢筋腰梁的复合支护方案，可有效控制边坡土体变形，以确保边坡稳定，满足边坡安全的要求。边坡支护剖面如图 1 所示，均按 1∶4放坡，边坡坡底标高为 91. 0m，坡顶标高为 106. 5m，于 98. 5m 标高处设置一个 1m 宽平台，平台内砌有水沟。
3. 1 锚杆( 索) 设计
1) 边坡共设 10 排锚杆，纵横间距为 1. 5m，遇锚索位置锚杆纵向间距为 3m;锚索设有 4 排，纵横间距均为 3. 0m，每排锚索都设有腰梁。
设计拉力
式中:δ 为锚索 ( 杆 ) 与水平面夹角，其余符号与前相同。根据《岩 土 工 程 勘 察 规 范》GB50021-2001 Fs取1. 25 计算，得锚杆拉力 T1= 520kN / m，锚索拉力 T2=430kN / m。
由公式 Ti= mT / n (6)
式中:Nt= Ti，m，n 分别为锚杆索间距和排数。经计算得出:单根锚杆抗拔力设计值 Nt= 130kN，单根锚索抗拔力设计值 Nt= 320kN。
3) 锚杆( 索) 结构为圆柱形，由β = 45° + φ /2 － α，根据最大抗滑力锚固角和最经济锚固角确定锚杆(索)的最优化锚固角。锚杆钻孔与水平方向的夹角为 15°，锚索钻孔与水平方向的夹角为 20°。
4) 锚杆设计长度为 8 ～ 12m，锚索设计长度为 18 ～23m;锚杆孔径为 110mm，锚索孔径为 130mm，孔深都应超过设计长度 0. 5m。
5)锚杆采用 1 根Φ25 的 Ⅱ 级螺纹钢筋;锚索采用4 根 7Φ5，Φ15. 24mm 的预应力钢绞线。
锚杆和锚索的抗拉验算:
As= KNt/ fpkt (7)
式中:K 为安全系数;Nt为锚杆(索)设计轴向力;As为锚筋截面积;fpkt为锚筋(钢筋、钢绞线) 抗拉强度设计值，钢筋为 455N/mm2，钢绞线为1 470N/mm2。
经计算，锚杆 As= 457mm2，一条Φ25 的 Ⅱ 级螺纹钢筋截面积为 490mm2> As，满足要求。锚索钢铰线 As= 392mm2，4 根 7Φ5 直径为 15. 24mm 的预应力钢绞线截面积 4× 137. 37 = 549mm2> As，满足要求。
3. 2 腰梁设计
腰梁为钢筋混凝土梁，设计腰梁截面积为 350mm× 400mm，箍筋Φ8@ 100，采用 C30混凝土浇筑。
4 边坡支护施工
4. 1 施工总体安排
人工土质边坡开挖采用自上而下的形式。开挖结束后的边坡采用锚杆(索) 土钉墙喷锚与腰梁组合的支护形式。先施工锚杆、锚索，再对锚索位置设置腰梁进行施工。锚杆(索) 施工应与同级坡开挖修坡同时进行，待锚索、腰梁结构预应力张拉后再进行下一级土石方开挖，以免边坡面长时间不防护，造成更大的施工困难，影响施工进度。
4. 2 锚杆施工
1) 进行锚杆孔的定位放线，每隔 1. 5m 间距设一锚孔。在孔口前用定位器定出钻具斜度，锚孔定位偏差不宜大于 20mm，锚孔偏斜度不应大于 3% 。
2)锚杆采用单根Φ25HRB335 级钢筋，放入钻孔前应平直、除锈，长度误差不大于 10cm，并保证注浆体或混凝土包裹保护层不小于 25mm。
3) 采用压力泵将水灰比为 0. 5∶ 1的 ( P・O42. 5 普通硅酸盐) 水泥净浆注入锚孔，常压注浆，注浆完成后半小时孔口补浆。
4. 3 预应力锚索施工
1) 选用直径 15. 24mm，强度1 860MPa的高强低松弛无黏结钢绞线，延伸率≥3. 5% 。
2) 锚索采用两次注浆工艺，采用水灰比为 0. 5 ∶ 1的水泥净浆，第 1 次为常压注浆，注浆压力 0. 5MPa;第2 次为高压注浆，注浆压力不小于 2. 0MPa。
3)锚索采用 ZB4-500S 电动油泵和 ESYDC250-200(20t)单根张拉千斤顶进行张拉。
4. 4 挂网、喷锚
1) 按网孔20cm× 20cm编制钢筋网，选用Φ8网格筋，钢筋网的交点用隔点式焊接或绑扎，锚头水平方向设双道 Φ16加强钢筋。
2)喷射 C20 细石混凝土，厚 100mm，配合比为:水泥∶中砂∶ 碎石 = 1∶ 2∶ 2. 5。
4. 5 钢筋混凝土腰梁施工
1)施工工艺
测线定位→清理坡面→钢筋制作与安装→挡板支模→浇筑混凝土→拆模→养护。
2) 混凝土浇筑采用 C30 混凝土，浇筑过程中要伴随振捣棒进行振捣，防止出现蜂窝现象。浇筑 24h后可以拆除模板，7d 之内要及时对腰梁洒水养护。
4. 6 工程锚杆(索) 的验收试验
验收试验中对锚杆及锚索各选取 5% 进行抗拔试验。试验最大荷载值取 1. 5 倍的抗拔力设计值，且≤0. 8Afpkt，经试验得出锚杆抗拔力≥200kN，锚索抗拔力≥370kN，均能满足设计要求。
5 边坡稳定性验算及监测
边坡支护后采用瑞典圆弧条分法将边坡分 4 层进行分析得出，Ks=(R + Nt) /T = 1. 438 > 1. 25，故支护后的边坡是稳定的。边坡监测采用人工巡视和位移监测。该边坡支护工程施工结束后，经连续的位移和沉降观测，基本没有位移和沉降变化，边坡稳定性较高。
6 结语
通过工程实例，分析了锚杆与预应力锚索腰梁组合的设计方法及其应用的可行性。该方法在考虑工程安全稳定和经济合理的前提下，位移变形小，解决了单纯锚喷支护存在的问题，具有更广阔的应用领域。
