路堑高边坡加固设计方法与实例

路堑高边坡锚固设计方法与实例摘要：结合云南某高速公路路堑高边坡工程实例，详细介绍了边坡锚固的设计步骤与方法，并提出了一些有益的经验和结论。关键词：路堑高边坡锚固设计实例引言在山岭重丘地区，公路是交通运输的主要方式。然而长期以来，路基边坡的治理一直是高速公路建设中的一个薄弱环节[1]，在20世纪80年代中期以前，我国主要以低等级公路建设为主，由于交通量小，线路选择时深挖高填较少，对边坡的治理研究常常被忽视。20世纪80年代以来，随着我国公路建设的飞速发展，边坡稳定性问题日益突出。如何准确分析边坡的稳定性、提出既经济又安全的处置方案，是人们长期以来不断探索的关键技术问题[2]。1工程概况云南某高速公路K47+475～K47+630段位于构造侵蚀的低山斜坡地带，坡面平缓，浅切割，横向沟谷不发育，上部覆盖层为第四纪崩积灰黑、褐黄、黑色块石土，中密，潮湿，厚度5~15米，块石土容许承载力350~450KPa。下伏为三叠纪灰、深灰色泥质粉砂岩，弱风化，呈碎块状，容许承载力500~700KPa。该地段地下水以裂隙水为主，富水性中等，其流量较小，对路基无影响，可忽略不计。路线所经区域内地震活动较频繁，震级大。根据中华人民共和国国家标准GB18306－2001《中国地震参数区划图》地震峰值加速度为0.2，对应的地震烈度为8°。2开挖边坡稳定性分析本段自然边坡，因开挖高度较大，拟按岩石风化程度及坡高采取相应的措施，采用台阶式边坡，边坡坡率：强风化地层坡率1：0.5，顶级坡坡率1：0.75。每级台阶高12.0m，刷至自然山坡坡顶，每级边坡顶预留2.0m平台，在有条件的高陡边坡可将中部平台加宽至4.0m左右，平台上设截水沟。取K47+560处的边坡横断面为算例，进行稳定性分析和加固设计。各土层计算参数如表1所示。表1土层分布及计算参数土层序号厚度（m）重度(kN/m3)粘聚力(kPaa)内摩擦角(°)弹性模量(MPPa)泊松比11619535250.3212202038800.33152015432000.254102210504000.2建立开挖后的人工边坡计算模型，如图1、图2所示，计算结果见表2、表3。从表2、3的数据上判断，开挖边坡在天然状态下的最小安全系数小于1，不满足《公路路基设计规范》（JTJ013-95）中的K≥1.25的要求；在地震荷载作用下边坡的最小安全系数更小，不满足《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）中的K≥1.15的要求。由此看出开挖边坡在无支护状态下将会发生坡体局部失稳破坏，为提高其稳定度，确保高速公路在施工和运营过程中的安全，应对高边坡进行加固处理。图2开挖边坡最危险滑裂面图1开挖边坡计算模型图2开挖边坡最危险滑裂面图1开挖边坡计算模型表2开挖边坡计算结果计算方法OrdinarryBishopJanbuMorgenssternn-Priice安全系数值0.91110.96690.88640.9662表3地震荷载作用下的开挖边坡最小安全系数值计算方法OrdinarryBishopJanbuMorgenssternn-Priice安全系数值0.84750.93180.84950.93273边坡锚固设计3.1边坡加固力计算经过稳定分析，K47+560开挖边坡不稳定，当施加一锚固力后，其安全系数计算式为[3]：(1)式中：——第条块所在土层的凝聚力，kPa；——第条块所在土层的内摩擦角；——第条块底部滑弧长，m；——第条块滑面倾角；——作用于第条块的地震力，kN；——作用于边坡上的加固力，kN；——锚杆轴线与滑动面的垂直线的夹角；——各土层内摩擦角的加权平均值。给定满足边坡稳定的许用安全系数[]后，单位厚度边坡所需的加固力计算公式为：(2)式中：[]——根据《公路工程抗震设计规范》取值1.15；公式其余符号意义同上。根据式(2)算得该单位厚度边坡所需的加固力为：753.6kN。3.2预应力锚索（杆）的间距设定如果锚索（杆）的水平、垂直间距设得过大，则单根锚索（杆）承载力过大，从而引起应力集中现象；如果间距太小，则容易产生群锚效应而降低锚固力。因此，锚索（杆）的水平间距和垂直间距都应控制在1.5~4.0m[4]。在该工程中，水平间距取3.0m，垂直间距也取3.0m。图4开挖边坡锚固设计计算模型图3圆弧破坏边坡锚固受力分析图图4开挖边坡锚固设计计算模型图3圆弧破坏边坡锚固受力分析图3.3预应力锚索（杆）锚固力的分布原则预应力锚索（杆）锚固力的取值和分布是设计中非常重要的问题。首先，初步建立计算模型如图4所示。如图示，根据以上设定的间距，计算模型将开挖边坡从坡脚到坡顶共布设了十二根锚杆（索）。各锚杆（索）编号如下：从坡脚到坡顶依次为1~12，其中1~4号布在一级坡，5~8号布在二级坡，9~12号布在三级坡。各锚杆（索）的锚固力分布工况见表4，各分布工况对应的最小安全系数见表5。从表4的数据可以看出：工况1是将锚固力平均分配给每一根锚杆（索）；工况2则注重坡脚的锚固，其次是二级坡，再次是三级坡；工况3则重视二级坡（即“腰”部）的锚固，其次是坡脚，再次是三级坡（坡上部）；工况4将坡上部的锚固放在第一位，接下来依次是“腰”和“脚”；工况5与工况2类似。从表5的计算结果来看，工况1不是最佳布置；工况2注重了“脚”和“腰”的锚固，计算结果比较理想；工况3更注重边坡的“腰”的锚固，计算结果较之工况2要逊色一些；工况4则显得有点“本末倒置”，加固效果是五种工况当中最差的一个；工况5较之工况2，加固效果相当，但是每一级坡的四根锚杆（索）的锚固力都相同，便于锚杆（索）框架梁的设计和施工，另外工况5对应的最小安全系数为1.188（Bishop法），满足《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）中的K≥1.15的要求。综上所述，锚杆（索）锚固力的分布原则应当是固“脚”强“腰”，应将锚杆（索）主要布置在边坡下部或中部。本工程采用工况5的锚固力分布进行设计。表4各锚杆（索）锚固力分布工况（表中数据单位均为：kN）杆(索)编号分布工况123456789101112总锚固力165656565656565656565656578021001001001006060606040252525755360606060100100100100402525257554303030306060606010010010010076051151151151156060606015151515760表5各锚固力分布工况所对应的边坡最小安全系数(在地震荷载作用下)计算方法分布工况OrdinarryBishopJanbuMorgenssternn-Priice11.0541.1331.0141.13321.0851.1711.0391.17131.0771.1541.0361.15141.0171.0930.9811.09051.0981.1881.0491.1873.4预应力锚索（杆）的锚固段长度计算由上一小节的锚固力分布，可对预应力锚杆（索）选材如下：一级坡选用4φ15.2钢绞线，二级坡选用Φ32的钢筋锚杆，三级坡选用Φ25的钢筋锚杆。预应力锚杆（索）锚固段长度可按下列公式计算，并取其中的较大值[5]：(3)(4)式中预应力锚杆（索）锚固体设计的安全系数取2.0；水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值取250KPa；4φ15.4锚索的锚固体直径取110mm，Φ32锚杆的锚固体直径取100mm，Φ25锚杆的锚固体直径取70mm。算得锚索的锚固段长度为6.95m，取7.0m；Φ32锚杆的锚固段长度为4.97m，取5.0m；Φ25锚杆的锚固段长度为2.73m，取3.0m。3.5预应力锚索（杆）的锚固角确定锚杆（索）倾角即锚杆（索）与水平面的夹角，应从受力最优及施工最易，同时考虑工程造价节省来确定。本工程锚杆（索）倾角取进行布设。3.6K47+560边坡加固的设计结果K47+560边坡最终设计如下：1.一级边坡设置预应力锚索框架加固边坡，框架顺路线3.0m一榀。锚索规格为4×φ15.2高强度低松弛钢绞线，设计荷载为345kN。2.二级边坡：采用Φ32的钢筋锚杆框架加固，锚杆规格为12m、12m、14m、14m。框架顺路线3.0m一榀。3.三级边坡：采用Φ25的钢筋锚杆框架加固，锚杆规格为10m、8m、6m。锚杆框架沿路线3.0m一榀。设计结果如图5所示。图5K47+560边坡加固设计图图5K47+560边坡加固设计图4结论1.锚杆锚固力的分布原则上应遵循固“脚”强“腰”的原则，将锚杆主要布置在边坡下部或中部。但要注意可能在边坡上出现几个剪出口的工况，一定要检算边坡在不同滑移途径下的稳定性，锚杆的布置应适应抗滑稳定的需要。2.为避免单根锚索（杆）承载力过大而应力集中及产生群锚效应而降低锚固力，锚索（杆）的水平、垂直间距应控制在1.5~4m。3.边坡锚固应以采用预应力锚杆为主，也可根据工况与非预应力岩石锚杆、土钉、挡墙或抗滑桩相结合使用。4.边坡锚固设计决不意味着仅采用单一的岩土锚杆。治坡先治水，在任何条件下，首先应做好边坡的截、防、排水设计，以降低地下水的渗透压力，抑制地表水的入渗。参考文献：[1]赵明阶，何光春.边坡工程处治技术[M].北京：人民交通出版社，2003.101～108.[2]唐树名，吕常新.混合式锚固结构在