《武汉工程大学学报》 2011年10期
42-48
出版日期：2011-11-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
高陡顺向岩质人工边坡治理研究
0引言峡口码头高切坡位于香溪河左岸、高岚河大桥以南的码头一带，系香溪河左岸斜坡，高切坡主要由三叠系嘉陵江组灰岩、巴东组泥灰岩、侏罗系香溪组长石石英砂岩、粉砂岩组成.高切坡现场调查坡长120 m，切坡面积5 600 m2.峡口码头高切坡坡高一般10～30 m，最高38 m，主要为层状岩体组成的岩质顺向人工边坡.切坡治理前裂隙较发育，据统计有两组裂隙延伸长、密度较大：①组60~80°∠50°，裂隙面较平直光滑，延展性较好，隙宽1~3 mm，无充填物，密度3条/m.裂隙走向与切坡走向夹角40~60°，倾向坡内.②组170~200°∠45°，裂隙面较光滑，延展性稍差，隙宽1~3 mm，密度2条/m.裂隙走向与切坡走向夹角50~80°，倾向坡外.第①组裂隙组延伸较长，裂面较为平整光滑，在剖面上第①组裂隙切割第②组裂隙.两组裂隙隙宽小、无充填及夹泥现象，即无胶结的硬性结构面，当高切坡开挖切穿粉砂岩层面时，层面和裂面组合的块体多顺层产生滑移，尤其切穿至较软的泥质粉砂岩时，则会产生较大规模的滑移［1］.峡口码头一带原系香溪河左岸斜坡，斜坡的走向近南北、倾向西.在自然状态下，临河斜坡坡顶高程800 m左右，香溪河底高程117~120 m，自然状态下斜坡坡度30~45°，在临高岚河出口地带达50°以上.峡口镇码头规划在狭长的斜坡地带，地面高程177~188 m.香溪河是调查区最大的地表水系，流域面积约3 000 km2，多年平均流量65.5 m3/s，历史最大洪峰流量3 920 m3/s（1975年7月3日），最枯流量7.73 m3/s，平均坡降142‰，属于由降雨补给的山溪性河流，集流时间短、汇流快，致使洪水暴涨暴落，一次洪水过程2～3天，涨洪历时仅几小时，洪峰流量持续时间一般在1天以内.大洪水期间，河流两岸洪涝灾害较为严重.组成高切坡岩性为中层～厚层长石石英砂岩、泥质粉砂岩，岩层产状280～285°∠35～43°，层面倾向与切坡坡面倾向基本一致，为顺层面坡.1边坡破坏模式分析峡口码头是人工开挖形成的工程岩体.从其结构面与产状来看，因为节理与裂隙发育与水的侵蚀，开挖之后，不同倾向及倾角的分割面切割，形成局部岩块上陡下缓或顺层结构面的复杂组合.坡体原有平衡体系被破坏，原始地应力场扰动加大，岩体应力进行重新分布，在临空面附近的应力场发生较大，卸荷作用、以及开挖出现的裂隙在风化与雨水侵蚀作用在岩体内部调整转移，大小不同的结构面各向异性作用，使岩体质量劣化，形成多层块体滑移与切脚形成的深层滑移的复杂局面.从滑动面的抗剪强度与结构面的成因和力学特性来看，张性、压性与扭性断裂面复杂组合的共同作用导致本切坡的结构面稳定性极其复杂.中层～厚层长石石英砂岩、泥质粉砂岩，与延伸较长的第①组裂隙组以及倾向坡外的第②组裂隙，岩层与裂面组合的结构面组合形成硬性结构面不稳定的块体，当开挖切穿粉砂岩层面时，形成本切坡层面和裂面组合的块体.从该高切坡的地质结构和已变形破坏形式来说，高切坡已经或将会发生多次多向的块状滑移，可能进一步发育为深层整体滑移的变形模式［25］.2稳定性计算高切坡稳定性评价，是在工程地质评价基础上，应用数学力学等模拟方法进行定量评价其稳定性.潜在滑面的确定、选定计算剖面、拟定计算工况和方案，确定计算参数是稳定性评价的基本内容.第10期郭志明：高陡顺向岩质人工边坡治理研究
武汉工程大学学报第33卷
2.1计算方法稳定性计算方法很多，常见的有剩余推力法和Sarma法.剩余推力法在计算滑坡推力和稳定性时，在主滑面进行条块分割，不计算侧向摩擦力和滑体自身挤压力，滑面或破裂面分别按整体折线滑动，计算滑坡推力与阻力，求解稳定性系数.Sarma法是Sarma博士提出的［6］，其假设岩土体是沿一个理想的平面圆弧进行滑动破坏模式，并在工程中广泛应用，它是考虑滑体强度的边坡极限平衡分析方法.本切坡先破坏成多块相对滑动的块体，因切坡开挖切脚，已经或将要发生多次岩块滑移，可能存在多层多个滑动面，并可发育为深层滑移.对深层结构面采用推力传递系数法进行计算，基本荷载仅考虑岩体自重，组合荷载包括重力、静水（渗水）压力和地震力的组合作用.其稳定性系数计算［69］公式为：
Pi=(Wisinαi-Kccosαi)+(PWi-1-PWi)sinαi
+Ei-1cos(αi-1-αi)+PDicosβi-［Wicosαi-KcWisinαi-(PWi-1-PWi)cosαi-Ui+Ei-
Lisin(αi-1-αi)-PDisinβi］tgφi+CiLi（1）K=TnNn（2）Ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφ′iK（3）式（1）（2）（3）中：Pi为第i块滑体剩余推力；Wi为垂直荷载，包括土条自重和其上部的建筑荷载,其中，自重可将其分为两部分，地下水位以上用湿容重计算，设为Wi1，地下水位以下用饱和容重计算，设为Wi2；Ui为剪切面上的孔隙水压力的合力，与剪切面正交；PDi为第i条块的动水压力；φ′i、φ′为剪切面抗剪强度（有效应力指标）；Li为土条底面长度；αi为土条底面倾角；K为安全系数.求解安全系数K的条件是Pn=0;βi为第i条块所作用动水压力与滑动面之间的夹角.2.2计算工况及安全系数考虑高切坡区域可能遇到的各类情况，特别是最危险的情况，由于区内基本地震烈度为6度，可不考虑地震的影响，故综合确定以下两种计算工况：工况一，天然（自重）状态；工况二，自重+暴雨.本高切坡的安全等级为二级，根据《建筑边坡工程技术规范》规定，采用折线滑动法计算，边坡稳定安全系数取1.30.2.3典型剖面的选择与潜在滑面的确定在现场调查和工程地质资料［2］分析基础上，选取代表性工程地质剖面进行稳定性评价.（见图1~3）.图1工程地质1-1剖面图
Fig.1Sectional drawing for the 1-1 engineering geological section图2工程地质2-2剖面图
Fig.2Sectional drawing for the 2-2 engineering geological section图3工程地质3-3剖面图
Fig.3Sectional drawing for the 3-3 engineering geological section在以上模型与参数给出的情况下，利用折线滑动法对潜在滑面进行稳定性计算，计算结论是:顺层滑动面，剖面1-1(见图1)，在天然状态下，稳定性系数为1.22;在暴雨状态下，稳定性系数为1.013;低于安全系数1.30.3边坡稳定性评价高切坡稳定性定性分析与计算表明：峡口码头高切坡目前的整体稳定性安全储备不高.随着风化作用的加强，结构面强度的降低，在强降雨的情况下，有可能发生失稳.4治理方案确定高切坡治理应针对斜坡变形破坏的特点进行.在治理过程中采用分层次分段治理的原则.高边坡防治的目标是采用防治工程辅以安全监测，确保高边坡在结构设计基准期50年内不发生失稳.该切坡是由破碎岩体的块状多次多向块体滑移与深层层面滑移结合的破坏模式.局部滑移与整体滑动的危险，暴雨与风化作用下，边坡变形破坏可能进一步发育，建议采取预应力锚索+地梁的措施进行治理.4.1推力计算
4.1.1计算剖面的选择高切坡主要有块体滑移与深层滑移两组破坏模式.多向的块体滑移，因断层、夹层、层理、片理、节理和裂隙导致岩体被复杂切割，高度的非均质性，弹性与非弹性，各向异性与不连续性的不同块体的变形.采用薄弱点的分析，对深层滑移选择剖面进行推力计算.由于岩体具有多层滑动面（带），应取推力最大的滑动面（带）确定滑坡推力；择平行于滑动方向的几个具有代表性的断面进行计算.根据不同剖面的推力设计相应的支护结构；当滑动面为折线形状时，滑坡推力可按圆弧滑动采用传递系数法计算.
4.1.2计算方法按工程岩体特点，分析采用传递系数法（推力传递法）计算滑坡推力［6,9］，如公式（4）.Fi=k［(Wi1+Wi2)sinαi+ΔPicosαi］-{ciLi+［(Wi1+Wi2)icosαi-PwiLi-ΔPisinαi］×tgφi}+Fi-1ψi-1（4）式（4）中：Fi为第i条间推力（kN/m）；k为抗滑稳定安全系数；Wi1为第i个条块地下水位线以上土体天然重量（kN/m）；Wi2为第i个条块地下水位线以下土体饱和重量（kN/m）；ΔPi为第i个条块土体两侧静水压力的合力；Pwi为第i个条块土体底部孔隙水压力；φi为第i个条块所在滑动面上的内摩擦角（°）；αi为条块滑动底面倾角（°）；ci为条块滑动底面处岩土体内聚力(kPa)；Li为条块滑动底面长度(m)；ψi-1为传递系数，由公式(5)计算：ψi-1=cos(αi-1-αi)tgφisin(αi-1-αi)（5）当最后一条块剩余下滑力Fn≤0时可判断为滑坡（斜坡）稳定，当Fn>0时则滑坡不稳定.此Fn值可作为设计支挡工程结构所承受的推力.传递系数法适用于折线滑动面情况的稳定性验算.滑坡推力的计算指标宜根据试验、经验数据和反算结果综合分析确定.4．2计算结果典型剖面计算模型及条分见图2.典型剖面剩余推力520 kN/m.4.3治理方案确定根据滑坡的结构特征及坡面分析，本切坡是多向块体多次滑移与深层滑移作用.选择分坡面系统治理，本高切坡治理采用预应力锚索及地梁相结合的措施.
4.3.1预应力锚索总锚固力确定对于边坡锚固，在边坡稳定性分析基础上，锚索预应力（抗滑力）的计算，应根据滑坡的下滑力确定锚固力［79］，预应力锚索承担每延米520 kN的剩余推力.因而有Pt=F［cos(α+β)+sin(α+β)tg］（6）式(6)中，α是锚索与滑动面相交处滑动面倾角，β是锚固角，是滑面摩擦角，F是滑坡推力设计值（kN），Pt是设计总锚固力（kN）；α=41°，β=20°，=22°，F=520 kN/m，计算得设计总锚固力Pt=620.4 kN/m.如果预应力锚索间距为3 m×3 m，纵向布置4个锚孔，则单根锚孔的锚固力Pt＝620.4×3/4＝465.3 kN，为了提高安全储备，设计锚固力取1 000 kN.
4.3.2钢绞线根数每孔锚索钢绞线的根数n：n=FslPtPu（7）其中，Fsl为安全系数，取1.7～2.0，高腐蚀地层取大值；Pu为锚固钢材极限张拉荷载.峡口高切坡Fsl取1.9，Pu取220 kPa，计算得需要钢绞线5.64根.预应力锚索间距为3 m×3 m，纵向布置4个锚孔，则每孔需要钢绞线5.64×3/4＝4.23股，故取5股进行设计.
4.3.3锚索锚固段长度计算锚索锚固长度的计算需考虑锚索与砂浆的结合破坏、砂浆与孔壁的结合破坏、岩体的剪切破坏以及锚索的拉伸破坏等诸多形式：Ⅰ．按水泥砂浆与锚索钢材粘结强度确定锚固段长度：lsa=Fs2Ptπdsτu（8）当锚索锚固段为枣核状时，lsa=Fs2Ptnπdτu（9）Ⅱ．按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度：la=Fs2PtπDτ（10）为了确保安全，实施的可行性，锚杆锚固段长度式（8）~（10）进行计算，且取其中大值.按式(8)~(10)中各符号意义如下：Fs2为锚固体拉拔安全系数，永久性锚固Fs2≥2.5，临时性锚固Fs2≥1.5；lsa,la为锚固段长度（m）；D为锚固体直径（mm）;ds为张拉钢材外表直径（mm）;d为单根锚杆钢筋直径（mm）;n为钢筋（钢绞线）根数（根）；τu为锚索张拉后与水泥砂浆的极限粘结应力；按砂浆标准抗压强度fck的10％取值（kPa）；τ为锚孔壁对砂浆的极限剪应力（kPa）.锚索相关参数取值为：Fs2取2.5，τu取值为1 400 kPa，取值为800 kPa，d=15.2 mm，n=5，D=110 mm，带入式（8）~（10）计算并取较大值得lsa=7.8 m，设计锚固段长度取10 m［10］.岩质边坡中锚固段长度应不小于3 m，峡口高切坡计算的锚固段长度确定是合理的.
4.3.4锚孔孔径及砂浆强度钻孔孔径取为110 mm；砂浆强度取M30［11］.
4.3.5锚索总长度锚索总长度L＝Le+L0+L1（11）其中，Le为锚固段长度（m），L0为自由段长度（非锚固段，m），L1为张拉段长度（m），经计算Le为10.0 m，张拉段L1取1.2 m，锚索自由段长度L0由锚索与滑动面和边坡坡面的交点间距离而定，同时应考虑锚固段的起点应下离滑动面（或潜在滑面）一定距离，一般超出滑动面（或潜在滑面）不小于1 m，依据1-1′剖面布置锚索区潜在滑面深度，自由面长度在4~5 m，从而确定锚索的长度为20 m.4.4地梁内力计算以单向条形基础，弹性地基，对单向条形基础可采用winkler地基上梁法进行内力计算.钢筋地梁与锚索复合结构是一种兼顾深层加固与浅层护坡的治理措施.地梁锚固是一种较新型可靠的边坡加固技术，不需动用大型机械设备，可使坡体尽早稳固.地梁首先起表层护坡作用，在地梁上加锚索，锚索锚于滑动面以下稳定地层中，预应力锚索主动抗滑.具体的工程措施布置详见图4~图7.钢筋混凝土地梁是索集中荷载通过基础梁共同作用传递到地基上.计算了每个结点荷载后，地梁可以看作一个独立的单向条形基础，然后可以计算单向条形基础受力后对荷载的传递作用.图4锚索地梁结构图
Fig.4Structure chart of the prestressed anchor rope foundation beam图5工程地质1-1与2-2剖面锚索结构图
Fig.5Structure chart of the prestressed anchor rope for 1-1 and 2-2 engineering geological section图6工程地质3-3剖面锚索结构图
Fig.6Structure chart of the prestressed anchor rope for 3-3 engineering geological section图7锚索布置立面图
Fig.7Vertical view for distriction of the prestressed anchor ropes梁中砼采用C25，纵筋为II级螺纹筋，箍筋为I级钢筋.其中有关参数取值为：E＝3.0e7 kPa，k=3e5 kPa，按winkler地基上梁法根据锚索荷载对地梁进行内力计算和配筋［12］.最大剪力：Vmax=461.4 kN；锚索作用点处截面最大弯矩Mmax=338.42 kN·m，跨中最大负弯矩｜Mmin｜=21.12 kN·m.峡口码头高切坡变形破坏的模式是，多次多向的块体滑移，可能发育为深层滑移.治理措施选择锚索地梁方案，综合考虑了切坡的工程地质特点和环境特点.