邊坡穩(wěn)定性分析及支護加固設(shè)計施工探討
2015-07-27
引言： 預應(yīng)力錨索腰梁是近年來發(fā)展起來的一種新型支擋結(jié)構(gòu)，這項技術(shù)是把預應(yīng)力錨索的錨碇直接固定于腰梁結(jié)構(gòu)上，使預應(yīng)力錨索和腰梁共同承擔加固結(jié)構(gòu)物的荷載。它是通過鋼筋混凝土腰梁將錨索連接，從而將錨索巨大的錨固力傳遞給坡體，改變坡體應(yīng)力狀態(tài)，提高坡體自穩(wěn)能力的一種主動加固方法。腰梁不僅可以為預應(yīng)力錨索提供反力裝置，而且也對邊坡巖土有著框箍和壓緊作用。由于這種加固技術(shù)與其它土體加固技術(shù)相比，具有施工簡單、加固效果顯著和適用面廣等優(yōu)點，因而對于地質(zhì)條件差的高開挖邊坡可以推廣應(yīng)用。
1 工程概況
1. 1 場地條件
某工程位于婁底市萬寶開發(fā)新區(qū)，因需要，擬將其旁一山體內(nèi)側(cè)的土體挖掉。開挖后形成原狀土土質(zhì)高陡邊坡，坡高 4. 0 ～15. 5m，邊坡安全等級為一級。被開挖部分山體的水平距離為 150. 0m，垂直高度為 15. 5m，按 1∶ 0. 4 分兩次放坡，放坡高度分別為 8m 和 7. 5m。由于山體開挖后的邊坡穩(wěn)定性將直接影響建筑物的安全使用，故需根據(jù)山體地質(zhì)情況正確分析其開挖后所形成邊坡的穩(wěn)定性，制定合理的邊坡支護方案。
1. 2 工程地質(zhì)及水文條件
根據(jù)巖土工程勘察報告顯示，該山體內(nèi)的地層自上而下的順序主要有:第四系坡洪積層(Qdl + pl)、沖洪積層(Qal + pl)、殘積層(Qel)以及侏羅系中統(tǒng)基巖(Ja2)，
場區(qū)內(nèi)地下水主要為賦存于基巖風化帶中的風化裂隙水，地下水的富水性一般，以大氣降水的垂直滲入作為其主要補給來源，地下水位埋藏較深。場區(qū)內(nèi)地下水 pH 值為 5. 80 ～ 6. 20，對擬治理邊坡的混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋均不具腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。
2 邊坡穩(wěn)定性分析
由工程條件可知，邊坡土層抗剪強度較大，但局部破碎、軟硬互層的構(gòu)造特性又導致其穩(wěn)定性較低，在地表水及雨水作用下邊坡容易滑塌。邊坡開挖后，在坡體內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個順坡向的軟弱結(jié)構(gòu)面，傾角約 30°，長約25m，傾角小于坡角，對邊坡穩(wěn)定性構(gòu)成潛在的嚴重威脅。在滑體后部產(chǎn)生張裂縫，該張裂縫對邊坡穩(wěn)定性有很大影響，特別是在暴雨情況下，由于底部排水不暢，張裂縫可能臨時充水達一定高度，沿張裂縫及滑動面產(chǎn)生靜水壓力，使滑動力突然增大，造成邊坡滑移。邊坡的穩(wěn)定性分析可按平面剪切破壞類型考慮。
由剛性極限平衡法分析，穩(wěn)定系數(shù)計算:
式中: Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù); c為滑動面內(nèi)黏聚力(kPa);φ為滑動面內(nèi)摩擦角 (°); L為滑動面長度(m);α為邊坡坡腳(°);β為滑動面傾角(°);u 為作用在滑塊地面上的水浮托力(kPa);v為張拉裂縫中的水壓力( kPa);γw為水的重度 ( kN/m3);γ為巖體重度(kN/m3);Z為張裂隙深度( m);Zw為裂隙中水的深度;W 為滑體所受重力(kN)。
根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件:L = 25m，c = 30kPa，φ =15°，α = 68°，β = 30°，γ = 20kN / m3，Z = 5m，H = 15. 5m，Zw= 4m。c，φ的取值是根據(jù)山坡原狀土試樣進行試驗得出的。將上述數(shù)據(jù)代入公式計算得 Fs= 0. 97，小于設(shè)計要求的安全系數(shù) 1. 25，不符合規(guī)范要求，說明現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性較差，需采取加固措施。
3 邊坡支護設(shè)計
根據(jù)邊坡的巖土體情況、勘察報告以及支護性質(zhì)，具體方案如下:采用錨桿與預應(yīng)力錨索并配置鋼筋腰梁的復合支護方案，可有效控制邊坡土體變形，以確保邊坡穩(wěn)定，滿足邊坡安全的要求。邊坡支護剖面如圖 1 所示，均按 1∶4放坡，邊坡坡底標高為 91. 0m，坡頂標高為 106. 5m，于 98. 5m 標高處設(shè)置一個 1m 寬平臺，平臺內(nèi)砌有水溝。
3. 1 錨桿( 索) 設(shè)計
1) 邊坡共設(shè) 10 排錨桿，縱橫間距為 1. 5m，遇錨索位置錨桿縱向間距為 3m;錨索設(shè)有 4 排，縱橫間距均為 3. 0m，每排錨索都設(shè)有腰梁。
設(shè)計拉力
式中:δ 為錨索 ( 桿 ) 與水平面夾角，其余符號與前相同。根據(jù)《巖 土 工 程 勘 察 規(guī) 范》GB50021-2001 Fs取1. 25 計算，得錨桿拉力 T1= 520kN / m，錨索拉力 T2=430kN / m。
由公式 Ti= mT / n (6)
式中:Nt= Ti，m，n 分別為錨桿索間距和排數(shù)。經(jīng)計算得出:單根錨桿抗拔力設(shè)計值 Nt= 130kN，單根錨索抗拔力設(shè)計值 Nt= 320kN。
3) 錨桿( 索) 結(jié)構(gòu)為圓柱形，由β = 45° + φ /2 － α，根據(jù)最大抗滑力錨固角和最經(jīng)濟錨固角確定錨桿(索)的最優(yōu)化錨固角。錨桿鉆孔與水平方向的夾角為 15°，錨索鉆孔與水平方向的夾角為 20°。
4) 錨桿設(shè)計長度為 8 ～ 12m，錨索設(shè)計長度為 18 ～23m;錨桿孔徑為 110mm，錨索孔徑為 130mm，孔深都應(yīng)超過設(shè)計長度 0. 5m。
5)錨桿采用 1 根Φ25 的 Ⅱ 級螺紋鋼筋;錨索采用4 根 7Φ5，Φ15. 24mm 的預應(yīng)力鋼絞線。
錨桿和錨索的抗拉驗算:
As= KNt/ fpkt (7)
式中:K 為安全系數(shù);Nt為錨桿(索)設(shè)計軸向力;As為錨筋截面積;fpkt為錨筋(鋼筋、鋼絞線) 抗拉強度設(shè)計值，鋼筋為 455N/mm2，鋼絞線為1 470N/mm2。
經(jīng)計算，錨桿 As= 457mm2，一條Φ25 的 Ⅱ 級螺紋鋼筋截面積為 490mm2> As，滿足要求。錨索鋼鉸線 As= 392mm2，4 根 7Φ5 直徑為 15. 24mm 的預應(yīng)力鋼絞線截面積 4× 137. 37 = 549mm2> As，滿足要求。
3. 2 腰梁設(shè)計
腰梁為鋼筋混凝土梁，設(shè)計腰梁截面積為 350mm× 400mm，箍筋Φ8@ 100，采用 C30混凝土澆筑。
4 邊坡支護施工
4. 1 施工總體安排
人工土質(zhì)邊坡開挖采用自上而下的形式。開挖結(jié)束后的邊坡采用錨桿(索) 土釘墻噴錨與腰梁組合的支護形式。先施工錨桿、錨索，再對錨索位置設(shè)置腰梁進行施工。錨桿(索) 施工應(yīng)與同級坡開挖修坡同時進行，待錨索、腰梁結(jié)構(gòu)預應(yīng)力張拉后再進行下一級土石方開挖，以免邊坡面長時間不防護，造成更大的施工困難，影響施工進度。
4. 2 錨桿施工
1) 進行錨桿孔的定位放線，每隔 1. 5m 間距設(shè)一錨孔。在孔口前用定位器定出鉆具斜度，錨孔定位偏差不宜大于 20mm，錨孔偏斜度不應(yīng)大于 3% 。
2)錨桿采用單根Φ25HRB335 級鋼筋，放入鉆孔前應(yīng)平直、除銹，長度誤差不大于 10cm，并保證注漿體或混凝土包裹保護層不小于 25mm。
3) 采用壓力泵將水灰比為 0. 5∶ 1的 ( P・O42. 5 普通硅酸鹽) 水泥凈漿注入錨孔，常壓注漿，注漿完成后半小時孔口補漿。
4. 3 預應(yīng)力錨索施工
1) 選用直徑 15. 24mm，強度1 860MPa的高強低松弛無黏結(jié)鋼絞線，延伸率≥3. 5% 。
2) 錨索采用兩次注漿工藝，采用水灰比為 0. 5 ∶ 1的水泥凈漿，第 1 次為常壓注漿，注漿壓力 0. 5MPa;第2 次為高壓注漿，注漿壓力不小于 2. 0MPa。
3)錨索采用 ZB4-500S 電動油泵和 ESYDC250-200(20t)單根張拉千斤頂進行張拉。
4. 4 掛網(wǎng)、噴錨
1) 按網(wǎng)孔20cm× 20cm編制鋼筋網(wǎng)，選用Φ8網(wǎng)格筋，鋼筋網(wǎng)的交點用隔點式焊接或綁扎，錨頭水平方向設(shè)雙道 Φ16加強鋼筋。
2)噴射 C20 細石混凝土，厚 100mm，配合比為:水泥∶中砂∶ 碎石 = 1∶ 2∶ 2. 5。
4. 5 鋼筋混凝土腰梁施工
1)施工工藝
測線定位→清理坡面→鋼筋制作與安裝→擋板支模→澆筑混凝土→拆模→養(yǎng)護。
2) 混凝土澆筑采用 C30 混凝土，澆筑過程中要伴隨振搗棒進行振搗，防止出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象。澆筑 24h后可以拆除模板，7d 之內(nèi)要及時對腰梁灑水養(yǎng)護。
4. 6 工程錨桿(索) 的驗收試驗
驗收試驗中對錨桿及錨索各選取 5% 進行抗拔試驗。試驗最大荷載值取 1. 5 倍的抗拔力設(shè)計值，且≤0. 8Afpkt，經(jīng)試驗得出錨桿抗拔力≥200kN，錨索抗拔力≥370kN，均能滿足設(shè)計要求。
5 邊坡穩(wěn)定性驗算及監(jiān)測
邊坡支護后采用瑞典圓弧條分法將邊坡分 4 層進行分析得出，Ks=(R + Nt) /T = 1. 438 > 1. 25，故支護后的邊坡是穩(wěn)定的。邊坡監(jiān)測采用人工巡視和位移監(jiān)測。該邊坡支護工程施工結(jié)束后，經(jīng)連續(xù)的位移和沉降觀測，基本沒有位移和沉降變化，邊坡穩(wěn)定性較高。
6 結(jié)語
通過工程實例，分析了錨桿與預應(yīng)力錨索腰梁組合的設(shè)計方法及其應(yīng)用的可行性。該方法在考慮工程安全穩(wěn)定和經(jīng)濟合理的前提下，位移變形小，解決了單純錨噴支護存在的問題，具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
