岩质高边坡稳定性分析与加固设计

岩质高边坡稳定性分析与加固设计

一、锚杆的设计问题在设计节点钩子的情况下，加固钢筋混凝土或预制预制混凝土，以保护边板的倾斜边缘，并使用钩子加固固定的边坡加固技术。格构的主要作用是将边坡的剩余下滑力或土压力分配给格构结点处的锚杆(索),然后通过锚杆传递给稳定地层,从而使边坡在由锚杆或锚索提供的锚固力的作用下达到稳定状态。因此,就格构本身来讲仅仅是一种传力结构,而抗滑力主要由结点处的锚杆或锚索提供。锚杆的设计主要是根据边坡的下滑力(或土压力,设计中取两者的大值作为设计依据)来确定锚杆的自由段长度、锚固段长度、钢筋的截面面积等。锚杆本身对加固效果的影响涉及锚杆的长度、直径、锚杆表面特性等。随锚杆长度的增加,锚杆的加固效果得到提高。但是当锚杆长度超过一定长度后,其加固效果提高甚微或不再提高。所以在锚杆的设计过程中应当特别注意锚杆锚固段长度的确定。方从严等通过室内试验研究了锚杆加固机理以及锚固段长度的确定方法;文浩雄等通过岩石边坡加固设计证明了锚杆加固对于岩石陡坡地区及挖方地区是一种十分行之有效的支挡措施。二、工程实例与辅助方案1.岩质边坡高度本文以某一岩质高边坡的加固分析为例来探讨岩质边坡的锚固设计及其力学机理。某岩质边坡高度总长220m,最大坡高23m,坡角50°～60°,坡面面积4,908m2。高切坡类型为Ⅰ1类岩质切坡,高切坡失稳危害较严重,安全等级为二级,设计安全要求不下于1.25。2.工程治理方案通过对边坡加固前的稳定性计算,边坡存在不稳定滑动面的稳定性系数不满足安全性的要求,有必要采取工程治理措施。方案设计如下:主要采取的治理工程为格构锚杆方案。格构主要起到护坡的作用,防治坡面在降雨条件下进一步冲刷;锚杆的作用主要为治理不稳定滑面提供抗滑力,提高滑面的稳定性安全系数。(1)混凝土浇筑法格构设计:坡面采用格构(纵横向间距3.5m),设计锚杆锚固于格构上,格构的横截面尺寸设计为30×40cm,采用C25混凝土现场浇筑,配筋满足构造要求即可。(2)锚杆设计(1)锚杆设计流程(2)最优锚固角的确定锚杆的间距根据格构的节点来确定,利用格构节点将锚杆锚固与节点上,因此锚杆的间距取为3.5m。锚杆的安设角度一般不小于10°,理论分析表明,锚杆的最优锚固角为:式中:uf071—为滑动面的倾角;uf06a—为滑动面上的内摩擦角。但有时受到施工条件和结构本身要求的限制,不可能按最优锚固角进行布置,此时可对锚固角进行适当调整,但必须保证提供较好的锚固效果。此次设计的锚索的安设角度取为20°(3)锚杆抗滑力计算根据边坡的稳定性计算:总的下滑力1,935.054(kN/m),总的抗滑力2,115.402(kN/m),滑动安全系数为1.09,如达到1.25的安全系数,则抗滑力要到达2,418.818kN/m,因此锚杆要承担的抗滑力为En=303.416kN/m。通过搜索最危险滑面的平均倾角为40°,因此需承担的水平抗滑力为Ehk=En·cos35°=303.416×cos35°=232.43kN/m。最危险滑面坡高为19.8m,由此可得出单位面积锚杆需承担的水平抗滑力为ehk=11.74kN/m2。再根据锚杆设计的行距和排距3.5m×3.5m,可以得出单根锚杆需承担的水平抗滑力,即锚杆所受水平拉力标准值Htk=ehk×3.5×3.5=143.3kN。最后,根据锚杆的轴向拉力标准值。(4)杆截面的钢筋段根据,锚杆钢筋选用为。因此锚杆的钢筋直径可以取Φ28。(5)锚杆衬底固结层长度三、计算的加固1.边坡安全设计问题岩质高切坡的稳定性计算分为整体稳定性计算和局部块体稳定性计算。对边坡影响较大的是整体稳定性问题,加固方案的设计也主要根据整体稳定性计算来确定。因此选取的剖面要具有充分的代表性,满足边坡安全设计等级的要求。本文计算选取的剖面如图4。3.ks—稳定性计算方法通过现场调查和勘察结果,该边坡主要为强风化花岗岩组成,破坏模式主要为坡面的雨水冲刷和可能存在的整体圆弧滑动为主,由于强风化花岗岩岩性较均匀,可采用圆弧滑动法进行整体稳定性计算。其计算原理如下:式中:Ks—边坡稳定性系数;Gi—第i计算条块单位宽度岩土体自重(kN/m);Gbi—第i计算条块滑体地表建筑物的单位宽度自重(kN/m);Pwi—第i计算条块单位宽度水压力值(kN/m)。4.锚杆锚固段长度的确定通过比较加固前和加固后最危险滑动面稳定性系数情况,可以清晰看出支护前岩质边坡的滑动面为圆弧,如图5,剪出口在强风化线与中风化线相交处,稳定性系数为1.03,不满足安全系数的要求;对于加固后的边坡,通过最危险滑面搜索,得到的最小稳定性系数为1.29,大于标准中规定的1.25的要求,支护效果满足要求。为了达到工程效果和技术要求最优支护方案可以进行优化。该边坡在地质结构上较为简单,由较均一的散体、碎裂状及块状风化花岗岩体构成,如图1。切坡自上而下根据风化分带分为三层:(1)层,全风化花岗岩,厚4.6～12m,浅黄褐色,疏松、半疏松状,风化较均匀,由浅黄褐或灰黄色,疏松、半疏松状,中粗粒砾石含量占95%以上,风化较均匀,强度低,手可捏碎,属碎屑状风化类型,有时夹少量碎块石和风化球块。(2)层,强风化花岗岩,浅褐黄色,半疏松状,夹有零星风化球,最大厚度14.6m;(3)层,中风化花岗岩,灰白色,坚硬状。根据,经计算得出锚杆锚固段的长度为3.19m。锚杆设计:根据构造要求取锚固长度La=3.5m