论文部分内容阅读
摘要：介绍某公路K48+200岩体滑动边坡稳定性分析和预应力锚杆（索）锚固治理的设计过程，为类似工程提供参考和借鉴。
关键词：公路；边坡；稳定性分析；锚固；设计
中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：
工程概况
某公路K48+200段边坡是修筑公路劈山开挖形成的岩质边坡，坡长120余米，高20余米，坡向100°，坡度35～47°。建成1年后坡体发生滑动变形，导致坡脚排水沟壁臌胀开裂，局部崩塌，边坡混凝土支护骨架部分断裂，进一步发展将演变为破坏性滑坡，对公路造成严重破坏。经勘测和稳定性分析，决定采用预应力锚杆（索）作永久性锚固治理。
地质和水文地质条件
坡段所处地貌类型为基岩丘陵地貌，地形起伏较大。地层为白垩系下统碎屑岩组，岩性以泥质粉砂岩夹薄层泥岩为主，岩层中~厚层状，产状140°∠12°，坡面岩石中等～微风化。岩层中发育两组陡倾斜裂隙，裂隙呈张裂状，分布均匀，有粘性土充填。坡段所处地势较高，地下水主要为季节性基岩裂隙水，受大气降水补给。降水部分入渗使基岩包气带裂隙充水形成季节性地下水体，并通过陡倾斜裂隙下渗，在坡脚以季节泉形式排泄。
边坡滑动特征
发生滑动变形的岩体位于边坡中南端，滑体长44m，宽44m，主滑方向140°。滑动面破碎带影响宽度78m，高及坡顶外15m。滑体前缘位于坡面南端，滑体后缘张拉裂缝位于坡顶北部，裂缝落距15～30cm，可测缝深1.1m。勘测滑动体厚度2~12m，滑体体积约17000m3。
主滑岩体被裂隙切割呈菱块状，尚属较完整，但滑体周界岩石较破碎。现状勘测分析，该边坡已经形成滑坡雏形，前缘滑面位于坡脚路沟下约1m处，属泥岩夹层软弱结构面，岩体顺层滑动（图1）。
图1 滑动边坡平剖面图
边坡滑动成因与稳定性分析
4.1边坡滑动成因
根据滑体特征分析，边坡岩体發生滑动主要是岩性及产状、构造裂隙切割、降水渗入浸泡等三方面因素综合作用造成的。边坡地处桂南多雨区，泥质粉砂岩中的泥岩夹层一般厚度5～10cm，质软强度低，受季节性地下水浸泡产生泥化，形成层间软弱结构面，且岩层倾角小于坡角，极易发生斜坡岩体向临空面滑移。滑体后壁呈折线状的170°∠73°、75°∠75°两组陡倾斜裂隙较发育，切割较深，延伸长，用赤平投影图分析，这两组结构面楔形体交线产状为126°∠72°，裂隙组合结构面主控岩体滑动方向和后壁倾角。
4.2稳定性分析
取滑体主轴方向单宽岩体，按由两组结构面构成滑体的平面剪切破坏边坡进行稳定性计算分析，并过两结构面交点作垂直线CD，将滑体分成Ⅰ、Ⅱ两部分，按两滑块平面滑动型计算分析。设块体Ⅱ对块体Ⅰ的推力为，块体Ⅰ的下滑力为，抗滑力为，地下水对块体Ⅰ、Ⅱ的浮托力分别为、，在滑动面充水且忽略动水压力条件下边坡稳定性系数为KS，则：
(4-1)
(4-2)
(4-3)
(4-4)
式中：1、2——滑动块体Ⅰ、Ⅱ的自重（kN/m）。
、——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面倾角（°）；
1、2，1、2——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面的内摩擦角（°）和内聚力（kPa）；
1、2——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面斜长（m）；
、——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面充水高度（m）；
——水的重度（kN/m3）。
根据上述各式分别对滑动体自重条件和降雨后滑动面部分充水条件下的岩体稳定性进行计算，结果见表1：
表1边坡稳定性分析计算表
相关数据
参数取值 取单宽滑体计算时，W=A,A为块体截面面积，为岩石天然重度；1＝369.0m2，2＝24.0m2，=23.72kN/m3；1＝44.0m，2=12.8m；＝12°＝72°；=10.0kN/m3,；1＝2＝12°；1＝2＝10.0（kPa）。坡顶探孔测得大雨后地下水位埋深6m。即取＝15.0m，＝6.0m；
（、、、、单位为kN/m）
稳定性评价：在滑体自重条件下，边坡稳定性系数KS=1.16,边坡处于稳定状态，但不能满足二级边坡稳定安全系数K≥1.30的要求；降雨使滑动面L2半充水，在岩体自重和地下水静水压力共同作用条件下，边坡稳定性系数KS＝0.81，边坡处于不稳状态。根据验算，当边坡地下水位＝8.0m时，KS=1，边坡处于临界平衡状态。综合评价该边坡属不稳定边坡，须采取工程治理措施。
治理工程设计
5.1治理方案的选择与锚固力计算
根据该边坡具有：①周界清晰，滑动岩体相对完整，岩石强度较高；②以降雨入渗为坡体滑动的主要诱因；③不易开挖降坡，但便于坡面施工等特点，提出了采用预应力锚杆锚固滑体、排（降）水孔疏干地下水为主体，坡面设明沟截水和坡顶回填裂缝为辅助的综合治理方案。
锚杆设计前首先确定锚固力的大小。根据公式（4-3），考虑在边坡上施加一个锚固力时，则边坡稳定性系数计算公式变为：
(5-1)
式中：——施加于边坡上锚固力，（kN）；——设计锚杆与滑动面夹角，（°），；——锚固角，即设计锚杆与水平面的夹角。
由此求得边坡达到许用稳定安全系数[K]时所需施加的锚固力为：
(5-2)
锚固角选取，按《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002），边坡岩石锚杆与水平面夹角为15°～25°的要求，根据边坡施工条件，取＝25°。
边坡稳定安全系数按二级边坡要求K＝1.30。，考虑大雨时可能出现短暂水位峰值，边坡安全系数提高10％取值，即取K＝1.30×110％＝1.43；
设计边坡排（降）水孔使滑动面水位降至＝8.0m，=0，根据式（4-2～4-4、5-2）和表1的相关参数，求得单宽锚固力：=542.3(kN)。
5.2锚杆的布设
实测边坡滑体的真宽为44m，但对坡面影响范围达78m，本着整体治理、一次根治的原则，在坡脚及半坡两个平台布置两排锚杆，布设面宽75m。选用锚杆类型为直筒型钢绞线预应力锚索，设计单根锚杆轴向拉力为=800(kN)，计算锚杆数量（N）为：
(根)（5-3）
具体布置为：上排26根，间距3.0m，下排25根，间距3.1m，上下排距11.0m。
5.3确定单根锚杆钢绞线根数
根据锚杆轴向拉力设计值反算单根锚杆极限拉力值。依据：，得：
（kN） （5-4）
式中：——锚杆轴向拉力设计值，（kN）；——设计锚杆轴向拉力极限值，（kN）；——单根锚杆最小安全系数，取值1.6。
设计选用强度级别为=1860MPa（1.86×106kN/m2），φ15.2mm的预应力钢绞线，有效截面面积A=1.39×10-4m2。确定单根锚杆钢绞线的根数时，以满足极限拉力强度要求为原则，即：
＝5.0(根) （5-5）
5.4确定锚杆锚固段长度
预应力锚杆（索）强度除杆体（钢绞线）本身应满足极限荷载强度要求外，锚固体与孔壁岩体之间和锚固体与钢绞线之间的握裹力也应满足锚杆轴向极限拉力下抗剪强度要求，须根据轴向拉力极限值分别计算锚固段长度，取其较大值来确定锚杆锚固段长度，且不应小于3m。在锚固体采用强度等级为M30的水泥砂浆条件下：
1）计算锚固体与孔壁岩体之间粘结破坏时锚杆锚固段长度（）为：
＝6.62（m）（5-6）
2）计算锚固体与钢绞线之间粘结破坏时锚杆锚固段长度（）为：
＝4.46（m） （5-7）
式中：——锚杆轴向拉力极限值，（kN）；——锚杆钻孔直径，（设计孔径φ110mm），（m）；——钢绞线直径，（m）；——錨杆用钢绞线的根数，（根）；——岩石与锚固体粘结强度特征值，（按较硬岩和水泥砂浆M30取700），（kPa）；——钢绞线与锚固体粘结强度设计值，（按水泥砂浆M30取2.0×103），（kPa）；——锚固体与岩石粘结效率折减系数，取0.8；——锚固体与钢绞线粘结效率折减系数，取0.6。
依据≥（取较大值）的原则，结合实际确定设计锚杆锚固段长度为下排＝7.0（m），上排＝7.5（m）。
5.5确定锚杆自由段长度和锚杆长度
锚杆自由段长度以超过滑动面1.0m，并应大于5.0m为原则。根据锚杆布置位置及锚固角，确定锚杆自由段长度分别为下排为6.0m，上排为16.0m。因此设计锚杆（索）长度分别为下排13.0m，上排为23.5m。
5.6外锚设计
外锚是锚杆的重要组成部分，除其强度、刚度和抗裂必须满足锚杆极限荷载作用要求外，其结构形式应有利于工作锚具的安装使用和防护。本方案设计外锚主体为梯台型垫墩，现浇C30钢筋混凝土，工作锚具选用OVM公司生产的OVM15-5型锚具。垫墩尺寸通过对坡面岩石承载力和混凝土强度验算后确定：
（1）垫墩底面尺寸：设垫墩底面验算面积为Ad，垫墩底面压力平均值为pk，坡面岩石承载力特征值为fa则应：，，即：
（m2） （5-8）
根据坡面泥质粉砂岩具中等～微风化特征，取经验值fa=2500kPa；。
（2）垫墩顶面受压面积(Am)：根据，得：
（m2） （5-9）
式中：Ny——施加在垫墩混凝土上的轴向压力值，按锚杆轴向拉力极限值取1280kN；fc——混凝土轴心抗压强度设计值，按C30强度等级取14.3×103kPa；Am——垫墩顶面受压面积，即锚垫板面积，（m2）。
5.7辅助设施设计
在上下两平台上部1.3m处，设计排（降）水钻孔18个，下入60mm热镀锌滤管，仰角5。孔深15～24m。
在坡面中部平台设计光面截水沟，沟长63m，横截面为倒梯形，沟深0.3m，水泥砂浆抹面。
对坡顶裂缝进行开挖沟槽夯实底部，后用粘土分层回填夯实，以减少降水下渗。
治理效果
通过实施设计方案，并按设计的单根锚杆轴向拉力值对施工锚杆进行预应力张拉锁定，竣工一年后对51根锚杆进行位移对比观测，数据偏差一般在20mm内，最大偏差为33mm。说明滑体已停止滑移，滑动岩体被成功锚固，整个边坡均未发现新裂缝，雨后上排降水孔未见出水，下排南端几个降水孔有出水现象，说明排（降）水孔起到了降低坡体破碎带雨后地下位的预期作用。边坡治理达到预期效果。
结束语
通过对治理边坡的稳定性分析和治理设计，并参与施工。综合以下几点体会：
1）在多雨区，公路建成1～2年内发生边坡失稳或滑坡的现象比较普遍，常用的治理方法较多，工程也较复杂，选择经济技术合理的治理方案至关重要，方案设计应着眼于对边坡的整体稳定和长远效果，避免二次治理造成损失。
2）在对边坡稳定性计算评价和预应力锚杆设计验算中，安全系数取值一般按现行有关规范执行。在勘探程度不足，工程地质条件较复杂且不明因素多、预测工程破坏后果严重的情况下，可适当提高安全系数取值，但从经济考虑不宜过高。
3）为检验预应力锚索设计，在施工初期应进行预应力锚索锚固试验，并根据试验结果修改设计，以取得预期的治理效果。
关键词：公路；边坡；稳定性分析；锚固；设计
中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：
工程概况
某公路K48+200段边坡是修筑公路劈山开挖形成的岩质边坡，坡长120余米，高20余米，坡向100°，坡度35～47°。建成1年后坡体发生滑动变形，导致坡脚排水沟壁臌胀开裂，局部崩塌，边坡混凝土支护骨架部分断裂，进一步发展将演变为破坏性滑坡，对公路造成严重破坏。经勘测和稳定性分析，决定采用预应力锚杆（索）作永久性锚固治理。
地质和水文地质条件
坡段所处地貌类型为基岩丘陵地貌，地形起伏较大。地层为白垩系下统碎屑岩组，岩性以泥质粉砂岩夹薄层泥岩为主，岩层中~厚层状，产状140°∠12°，坡面岩石中等～微风化。岩层中发育两组陡倾斜裂隙，裂隙呈张裂状，分布均匀，有粘性土充填。坡段所处地势较高，地下水主要为季节性基岩裂隙水，受大气降水补给。降水部分入渗使基岩包气带裂隙充水形成季节性地下水体，并通过陡倾斜裂隙下渗，在坡脚以季节泉形式排泄。
边坡滑动特征
发生滑动变形的岩体位于边坡中南端，滑体长44m，宽44m，主滑方向140°。滑动面破碎带影响宽度78m，高及坡顶外15m。滑体前缘位于坡面南端，滑体后缘张拉裂缝位于坡顶北部，裂缝落距15～30cm，可测缝深1.1m。勘测滑动体厚度2~12m，滑体体积约17000m3。
主滑岩体被裂隙切割呈菱块状，尚属较完整，但滑体周界岩石较破碎。现状勘测分析，该边坡已经形成滑坡雏形，前缘滑面位于坡脚路沟下约1m处，属泥岩夹层软弱结构面，岩体顺层滑动（图1）。
图1 滑动边坡平剖面图
边坡滑动成因与稳定性分析
4.1边坡滑动成因
根据滑体特征分析，边坡岩体發生滑动主要是岩性及产状、构造裂隙切割、降水渗入浸泡等三方面因素综合作用造成的。边坡地处桂南多雨区，泥质粉砂岩中的泥岩夹层一般厚度5～10cm，质软强度低，受季节性地下水浸泡产生泥化，形成层间软弱结构面，且岩层倾角小于坡角，极易发生斜坡岩体向临空面滑移。滑体后壁呈折线状的170°∠73°、75°∠75°两组陡倾斜裂隙较发育，切割较深，延伸长，用赤平投影图分析，这两组结构面楔形体交线产状为126°∠72°，裂隙组合结构面主控岩体滑动方向和后壁倾角。
4.2稳定性分析
取滑体主轴方向单宽岩体，按由两组结构面构成滑体的平面剪切破坏边坡进行稳定性计算分析，并过两结构面交点作垂直线CD，将滑体分成Ⅰ、Ⅱ两部分，按两滑块平面滑动型计算分析。设块体Ⅱ对块体Ⅰ的推力为，块体Ⅰ的下滑力为，抗滑力为，地下水对块体Ⅰ、Ⅱ的浮托力分别为、，在滑动面充水且忽略动水压力条件下边坡稳定性系数为KS，则：
(4-1)
(4-2)
(4-3)
(4-4)
式中：1、2——滑动块体Ⅰ、Ⅱ的自重（kN/m）。
、——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面倾角（°）；
1、2，1、2——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面的内摩擦角（°）和内聚力（kPa）；
1、2——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面斜长（m）；
、——块体Ⅰ、Ⅱ滑动面充水高度（m）；
——水的重度（kN/m3）。
根据上述各式分别对滑动体自重条件和降雨后滑动面部分充水条件下的岩体稳定性进行计算，结果见表1：
表1边坡稳定性分析计算表
相关数据
参数取值 取单宽滑体计算时，W=A,A为块体截面面积，为岩石天然重度；1＝369.0m2，2＝24.0m2，=23.72kN/m3；1＝44.0m，2=12.8m；＝12°＝72°；=10.0kN/m3,；1＝2＝12°；1＝2＝10.0（kPa）。坡顶探孔测得大雨后地下水位埋深6m。即取＝15.0m，＝6.0m；
（、、、、单位为kN/m）
稳定性评价：在滑体自重条件下，边坡稳定性系数KS=1.16,边坡处于稳定状态，但不能满足二级边坡稳定安全系数K≥1.30的要求；降雨使滑动面L2半充水，在岩体自重和地下水静水压力共同作用条件下，边坡稳定性系数KS＝0.81，边坡处于不稳状态。根据验算，当边坡地下水位＝8.0m时，KS=1，边坡处于临界平衡状态。综合评价该边坡属不稳定边坡，须采取工程治理措施。
治理工程设计
5.1治理方案的选择与锚固力计算
根据该边坡具有：①周界清晰，滑动岩体相对完整，岩石强度较高；②以降雨入渗为坡体滑动的主要诱因；③不易开挖降坡，但便于坡面施工等特点，提出了采用预应力锚杆锚固滑体、排（降）水孔疏干地下水为主体，坡面设明沟截水和坡顶回填裂缝为辅助的综合治理方案。
锚杆设计前首先确定锚固力的大小。根据公式（4-3），考虑在边坡上施加一个锚固力时，则边坡稳定性系数计算公式变为：
(5-1)
式中：——施加于边坡上锚固力，（kN）；——设计锚杆与滑动面夹角，（°），；——锚固角，即设计锚杆与水平面的夹角。
由此求得边坡达到许用稳定安全系数[K]时所需施加的锚固力为：
(5-2)
锚固角选取，按《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002），边坡岩石锚杆与水平面夹角为15°～25°的要求，根据边坡施工条件，取＝25°。
边坡稳定安全系数按二级边坡要求K＝1.30。，考虑大雨时可能出现短暂水位峰值，边坡安全系数提高10％取值，即取K＝1.30×110％＝1.43；
设计边坡排（降）水孔使滑动面水位降至＝8.0m，=0，根据式（4-2～4-4、5-2）和表1的相关参数，求得单宽锚固力：=542.3(kN)。
5.2锚杆的布设
实测边坡滑体的真宽为44m，但对坡面影响范围达78m，本着整体治理、一次根治的原则，在坡脚及半坡两个平台布置两排锚杆，布设面宽75m。选用锚杆类型为直筒型钢绞线预应力锚索，设计单根锚杆轴向拉力为=800(kN)，计算锚杆数量（N）为：
(根)（5-3）
具体布置为：上排26根，间距3.0m，下排25根，间距3.1m，上下排距11.0m。
5.3确定单根锚杆钢绞线根数
根据锚杆轴向拉力设计值反算单根锚杆极限拉力值。依据：，得：
（kN） （5-4）
式中：——锚杆轴向拉力设计值，（kN）；——设计锚杆轴向拉力极限值，（kN）；——单根锚杆最小安全系数，取值1.6。
设计选用强度级别为=1860MPa（1.86×106kN/m2），φ15.2mm的预应力钢绞线，有效截面面积A=1.39×10-4m2。确定单根锚杆钢绞线的根数时，以满足极限拉力强度要求为原则，即：
＝5.0(根) （5-5）
5.4确定锚杆锚固段长度
预应力锚杆（索）强度除杆体（钢绞线）本身应满足极限荷载强度要求外，锚固体与孔壁岩体之间和锚固体与钢绞线之间的握裹力也应满足锚杆轴向极限拉力下抗剪强度要求，须根据轴向拉力极限值分别计算锚固段长度，取其较大值来确定锚杆锚固段长度，且不应小于3m。在锚固体采用强度等级为M30的水泥砂浆条件下：
1）计算锚固体与孔壁岩体之间粘结破坏时锚杆锚固段长度（）为：
＝6.62（m）（5-6）
2）计算锚固体与钢绞线之间粘结破坏时锚杆锚固段长度（）为：
＝4.46（m） （5-7）
式中：——锚杆轴向拉力极限值，（kN）；——锚杆钻孔直径，（设计孔径φ110mm），（m）；——钢绞线直径，（m）；——錨杆用钢绞线的根数，（根）；——岩石与锚固体粘结强度特征值，（按较硬岩和水泥砂浆M30取700），（kPa）；——钢绞线与锚固体粘结强度设计值，（按水泥砂浆M30取2.0×103），（kPa）；——锚固体与岩石粘结效率折减系数，取0.8；——锚固体与钢绞线粘结效率折减系数，取0.6。
依据≥（取较大值）的原则，结合实际确定设计锚杆锚固段长度为下排＝7.0（m），上排＝7.5（m）。
5.5确定锚杆自由段长度和锚杆长度
锚杆自由段长度以超过滑动面1.0m，并应大于5.0m为原则。根据锚杆布置位置及锚固角，确定锚杆自由段长度分别为下排为6.0m，上排为16.0m。因此设计锚杆（索）长度分别为下排13.0m，上排为23.5m。
5.6外锚设计
外锚是锚杆的重要组成部分，除其强度、刚度和抗裂必须满足锚杆极限荷载作用要求外，其结构形式应有利于工作锚具的安装使用和防护。本方案设计外锚主体为梯台型垫墩，现浇C30钢筋混凝土，工作锚具选用OVM公司生产的OVM15-5型锚具。垫墩尺寸通过对坡面岩石承载力和混凝土强度验算后确定：
（1）垫墩底面尺寸：设垫墩底面验算面积为Ad，垫墩底面压力平均值为pk，坡面岩石承载力特征值为fa则应：，，即：
（m2） （5-8）
根据坡面泥质粉砂岩具中等～微风化特征，取经验值fa=2500kPa；。
（2）垫墩顶面受压面积(Am)：根据，得：
（m2） （5-9）
式中：Ny——施加在垫墩混凝土上的轴向压力值，按锚杆轴向拉力极限值取1280kN；fc——混凝土轴心抗压强度设计值，按C30强度等级取14.3×103kPa；Am——垫墩顶面受压面积，即锚垫板面积，（m2）。
5.7辅助设施设计
在上下两平台上部1.3m处，设计排（降）水钻孔18个，下入60mm热镀锌滤管，仰角5。孔深15～24m。
在坡面中部平台设计光面截水沟，沟长63m，横截面为倒梯形，沟深0.3m，水泥砂浆抹面。
对坡顶裂缝进行开挖沟槽夯实底部，后用粘土分层回填夯实，以减少降水下渗。
治理效果
通过实施设计方案，并按设计的单根锚杆轴向拉力值对施工锚杆进行预应力张拉锁定，竣工一年后对51根锚杆进行位移对比观测，数据偏差一般在20mm内，最大偏差为33mm。说明滑体已停止滑移，滑动岩体被成功锚固，整个边坡均未发现新裂缝，雨后上排降水孔未见出水，下排南端几个降水孔有出水现象，说明排（降）水孔起到了降低坡体破碎带雨后地下位的预期作用。边坡治理达到预期效果。
结束语
通过对治理边坡的稳定性分析和治理设计，并参与施工。综合以下几点体会：
1）在多雨区，公路建成1～2年内发生边坡失稳或滑坡的现象比较普遍，常用的治理方法较多，工程也较复杂，选择经济技术合理的治理方案至关重要，方案设计应着眼于对边坡的整体稳定和长远效果，避免二次治理造成损失。
2）在对边坡稳定性计算评价和预应力锚杆设计验算中，安全系数取值一般按现行有关规范执行。在勘探程度不足，工程地质条件较复杂且不明因素多、预测工程破坏后果严重的情况下，可适当提高安全系数取值，但从经济考虑不宜过高。
3）为检验预应力锚索设计，在施工初期应进行预应力锚索锚固试验，并根据试验结果修改设计，以取得预期的治理效果。