李輝
摘 要:在該邊坡坡頂出現(xiàn)裂縫并處于臨界狀態(tài)時,及時采取有效措施進行治理,此時治理工程易于施工,也較為經(jīng)濟。如任其發(fā)展成整體滑動,必將造成巨大的經(jīng)濟損失。結(jié)合邊坡實際地形及地質(zhì)情況,深入分析邊坡破壞的形成機制并進行穩(wěn)定性分析,按照“防治結(jié)合、一次根治、不留后患”的原則,采用技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠的工程措施對該邊坡進行綜合治理。
關(guān)鍵詞:高邊坡設(shè)計 施工
一、工程概況
某高速公路是國家重點干線的組成部分,也是省會連接旅游的交通要道。該路中的湯口互通立交A 匝道AK3+698~AK3+888 段右側(cè)路塹邊坡位于山腳下,原設(shè)計為五級,每級高8m,最大坡高42m。該坡坡頂坡口線外沿傾向線路方向發(fā)現(xiàn)一弧形拉裂縫,自下向上裂縫寬度約10~45cm,其中裂縫最高位置位于AK3+785,距開挖坡口線平距約62m,高差約45m。根據(jù)現(xiàn)場情況分析,該邊坡處于暫時穩(wěn)定的臨界狀態(tài),如任其發(fā)展導致整體滑動將直接損壞在建的高速公路和堵塞其下的河道,必將造成巨大的經(jīng)濟損失,且無法保證高速公路的如期建成。為確保下一步施工及運營階段的安全,必須對該坡出現(xiàn)的裂縫進行治理。
二、邊坡的地質(zhì)環(huán)境及結(jié)構(gòu)特征
1.邊坡的地質(zhì)環(huán)境
該邊坡屬于構(gòu)造侵蝕中山區(qū),山勢陡峭,地形復雜,植被發(fā)育。邊坡兩側(cè)均發(fā)育有小沖溝,其下逍遙溪沿線流過,河谷深切呈“V”字形,邊坡自然坡度一般在20°~53°。該邊坡大地構(gòu)造單元屬地臺之下,次級構(gòu)造為褶皺束。外圍主要發(fā)育有斷裂,斷裂發(fā)育方向55°,發(fā)育長度33KM,傾向南東,傾角55°~77°,屬壓性斷層,而湯口斷裂,發(fā)育長度12KM,走向310°,傾向北東,傾角80~90°,具張扭性,屬配套斷裂。受上述地質(zhì)構(gòu)造影響,邊坡內(nèi)節(jié)理極發(fā)育。該邊坡上覆第四系全新統(tǒng)殘坡碎石土(Qel+dl4 ),下伏基巖為震旦系休寧組下段( 1 1 Z X )硅化粉砂巖,粉砂巖間夾有薄層的泥巖,泥巖層厚0.2m 左右,泥質(zhì)砂巖和石英砂巖呈韻律式出現(xiàn)。地層產(chǎn)狀變化較大,總體上為NWW/NE∠35~40°。
2.邊坡的結(jié)構(gòu)特征
該邊坡為一順傾向巖質(zhì)邊坡,傾向NNE,為小夾角的順向坡。經(jīng)人工開挖后坡面坡度為50°~53°,巖層的產(chǎn)狀為N10~20°E/SE∠50~53°。巖體結(jié)構(gòu)特征十分復雜,呈塊狀、次塊狀、鑲嵌及碎裂狀,結(jié)構(gòu)面有斷層、軟弱帶、層間錯動帶等。邊坡內(nèi)節(jié)理裂隙密集,結(jié)構(gòu)面相互切割巖體呈碎裂結(jié)構(gòu),多為壓扭性,局部為張性,裂縫寬1~3mm,個別達100mm,裂隙中充填有巖屑、粘土、粉砂、裂面上多為硅質(zhì)、泥質(zhì)或錳質(zhì)氧化薄膜,其巖體結(jié)構(gòu)多表現(xiàn)為碎塊狀巖體、塊狀~裂塊狀巖體。
三、變形破壞的形成機制及穩(wěn)定性評價
1.變形破壞的形成機制
(1)坡面表層第四系殘坡積層較厚,結(jié)構(gòu)松散,孔隙度大;下伏強風化粉砂巖風化強烈,巖質(zhì)松軟,且風化層厚度大,受外界因素影響時易失穩(wěn)。
(2)受構(gòu)造切割的影響,巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育,巖體被切割呈棱形塊狀,目前強風化層巖體均為破碎結(jié)構(gòu)和塊裂結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性差。
(3)巖層傾向與邊坡坡面小傾角斜交,有利于順向滑移,后期的構(gòu)造運動(錯動)、卸荷風化等地質(zhì)作用的改造,破壞了巖體的原有結(jié)構(gòu)。
(4)開挖切坡,形成臨空面,改變了原自然坡體的應力狀態(tài),為塊體失穩(wěn)提供了滑移崩落空間。
(5)降雨滲入,浸潤軟弱結(jié)構(gòu)面也是誘發(fā)因素之一。
2.邊坡的穩(wěn)定性評價
(1)坡體的物理力學性質(zhì)
表1 計算參數(shù)綜合取值表
物理力學參數(shù)是影響坡體穩(wěn)定性評價的重要因素。要獲得符合坡體工程特性的參數(shù)難度較大,選擇強度參數(shù)時應考慮到坡體的巖性、應力應變歷史和時間效應。該邊坡的物理力學參數(shù)在考慮上述因素后,通過現(xiàn)場直接進行大剪、便攜剪切等剪切試驗實測,同時輔以反算和工程類比,得出的結(jié)果如表1。
(2)坡體滑動面的確定
滑面的確定是穩(wěn)定性評價中極為重要的問題,對坡體的
穩(wěn)定性評價應選用最危險的破壞面來進行。對較為破碎的巖
土體,如考慮C 值的影響,滑面一般呈圓弧狀。從幾何角度
來看,圓弧是由圓心和半徑構(gòu)成的圓的一部分弧段,所以確
定最危險的滑面實際上就是確定滑面所在的圓弧的圓心和半
徑。直接搜索法先給出圓心可能出現(xiàn)的區(qū)域,并找出該點與
坡體邊界點的最大和最小距離,然后從最小距離開始以一定
的步長增量為半徑,計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),最后找出穩(wěn)定性系數(shù)最小的圓心位置和半徑,以此來評價坡體的穩(wěn)定性。通過對現(xiàn)場的地形及地質(zhì)情況分析,確定AK3+799 處為邊坡的主滑斷面,則選該主滑斷面進行滑面搜索,結(jié)果見下圖圖3:AK3+799-3 計算剖面所示;同時結(jié)合該邊坡出現(xiàn)裂縫的位置、該邊坡的地質(zhì)勘察報告以及按設(shè)計進行開挖后的邊坡情況,推出其可能的滑面分別如下圖圖1:AK3+799-1 計算剖面(滑體剪出口位于第一級邊坡中部)和圖2:AK3+799-2 計算剖面(滑面剪出口位于第一級邊坡底部)所示,并采用有限元搜索其可能的滑面(見下圖AK3+799-1 計算剖面)。通過對AK3+799-1、2、3 三個剖面進行穩(wěn)定性計算,從而得出該邊坡的穩(wěn)定性結(jié)果。
圖1 AK3+799-1 計算剖面
圖2 AK3+799-2 計算剖面
圖3 AK3+799-3 計算剖面
(3)邊坡穩(wěn)定性計算及結(jié)果分析結(jié)合該邊坡的結(jié)構(gòu)特征及其各種荷載情況,尤其是該地區(qū)降雨豐富的特點,擬定以下三種計算工況。工況①:天然狀態(tài)。僅僅考慮邊坡的自重力,計算時采用
最危險的破壞面上的天然c、φ 值,容重采用坡體的天然容重;工況②:天然+飽水。在工況①的基礎(chǔ)上,再加上地下水的作用,坡體變形后在坡體的后緣和中部均產(chǎn)生了許多和滑面貫通的拉張裂隙,在計算時應考慮靜水壓力的影響;工況③:天然+飽水+地震。在工況②的基礎(chǔ)上,再加水平地震力的影響(a 取為0.005)。根據(jù)該邊坡的物理力學參數(shù),采用AK3+799-1、2、3所示的三個計算剖面,利用極限平衡的基本理論和方法,得
到的計算結(jié)果如下表2。從計算結(jié)果可看出,在工況①的情況下,AK3+799-1、2 兩個計算剖面邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),AK3+799-3 計算剖面邊坡穩(wěn)定性差;在降雨或者暴雨的影響下,坡體穩(wěn)定性系數(shù)降低,坡體失穩(wěn)可能性非常大。從目前該邊坡坡口外緣已出現(xiàn)裂縫的情況分析,AK3+799-2 計算剖面得出的計算結(jié)果與現(xiàn)場情況十分吻合,同時說明目前該邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),必須及時對其進行治理以確保施工及運營階段安全。
表2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果表
四、邊坡治理工程方案設(shè)計
1.推力計算
為確保治理工程安全可靠,必須正確選擇設(shè)計工況。結(jié)合該邊坡坡體的地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特征及各種可能出現(xiàn)的荷載情況,采用工況②為設(shè)計工況。鑒于該邊坡的復雜性及破壞后后果非常嚴重,將該邊坡的設(shè)計等級確定為一級,其安全系數(shù)取1.2。
表3 AK3+799-2 剖面推力計算結(jié)果
采用規(guī)范推薦的不平衡推力傳遞系數(shù)法對該邊坡的推力進行計算, 參數(shù)采用和穩(wěn)定性評價時相同的參數(shù)。因AK3+799-2 計算剖面較AK3+799-1、3 兩個計算剖面更為不利,且其與現(xiàn)場情況十分吻合,故重點對AK3+799-2計算剖面進行計算,其推力計算情況見表3,其AK3+799-2剖面推力曲線圖如圖4。據(jù)此得出該邊坡設(shè)計工況下的推力為2573.33KN/m。
2.工程治理方案設(shè)計
通過深入分析該邊坡失穩(wěn)的形成機制、邊坡現(xiàn)今所處變形破壞狀態(tài)以及邊坡未來將經(jīng)受的環(huán)境條件變化等特征,同時結(jié)合該邊坡的現(xiàn)狀,擬定以下兩種治理方案:
方案一:錨拉抗滑樁+預應力錨索+排水+坡面局部防護;
方案二:預應力錨索+排水+坡面局部防護;
方案一中因有錨拉抗滑樁,使施工難度增大且工期延長,
但有利于邊坡的長期安全;方案二施工較為簡便快捷,但隨著時間的推移和受外界因素的干擾,施加預應力的錨索會出現(xiàn)不同程度的松弛,不利于邊坡的長久穩(wěn)定。因該段A 匝道左側(cè)為高邊坡,右側(cè)下方下挖8m 后為主線路基,目前尚未開挖,但進一步施工必會對A 匝道左側(cè)高邊坡產(chǎn)生影響。故從該邊坡的復雜性、重要性及長久的安全角度出發(fā),選取方
案一為本邊坡的治理方案。
3.具體的工程治理措施
該邊坡共五級,原設(shè)計為錨桿框架防護?,F(xiàn)自下而上數(shù)第四、五級邊坡已防護完畢;第二、三級邊坡已開挖完畢,錨桿框架也已部分施工;第一級邊坡部分開挖,尚未防護。則根據(jù)邊坡現(xiàn)狀,具體治理措施如下。
(1)在坡口線外再增設(shè)一道截水溝,每級平臺設(shè)一排水溝,將坡面內(nèi)的水引至截水溝排走;在第一、三級邊坡每片框架內(nèi)設(shè)一20m 長仰斜排水孔將坡體內(nèi)的裂隙水排走。
(2)第五級邊坡維持原設(shè)計不變;對第四、三、二級邊坡已施工錨桿框架的部分,在每片框架3X3m 格內(nèi)增設(shè)一根錨索,每排兩根;在第三、二級邊坡未施工錨桿框架的部分改錨桿框架防護為錨索框架防護,每排3 根。第四級錨索長40m;第三級錨索長35m;第二級錨索長30m。錨索傾角均為25°,縱豎向間距3X3m。每根錨索由7 束φs15.24 高強度低松弛無粘結(jié)鋼絞線組成,錨索設(shè)計荷載為800KN,錨固段長為10m。
(3)AK3+714~834 段第一級邊坡頂平臺頂處每6m設(shè)一根斷面尺寸為1.8mX2.6m 錨索抗滑樁,抗滑樁長20m,共21 根,樁頂設(shè)兩根錨索,錨索長25m,上排錨索傾角為28°,下排錨索傾角為20°,每根錨索由7 束φs15.24 高強度低松弛無粘結(jié)鋼絞線組成,錨索設(shè)計荷載為800KN,錨固段長為10m。
(4)第一級邊坡仍采用錨桿框架防護不變,錨桿長度調(diào)整為6m。
五、邊坡治理工程的施工
1.施工工序與施工方法
在該邊坡的工程治理方案確定以后,如何組織實施并使加固措施及時發(fā)揮作用就成為首要問題,確定合理的施工工序和施工方法最為關(guān)鍵。
水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素之一,對本邊坡的影響更十分明顯。所以首先進行截水溝、平臺水溝及邊坡內(nèi)仰斜排水孔的施工,使之形成完整的邊坡排水系統(tǒng),將坡面水及坡體內(nèi)的裂隙水及時排走,將水對邊坡的影響減至最小。
由于該邊坡處于暫時的臨界穩(wěn)定狀態(tài),任何外界的干擾都可能導致邊坡的再次失穩(wěn),所以在進行加固措施的施工過程中應盡量少擾動邊坡。本邊坡在進行排水工程施工后,立即進行第四、三級邊坡的錨桿框架內(nèi)的錨索施工,再依次進行第三、二級錨索施工,最后進行抗滑樁施工。因為錨索的施工對邊坡擾動較小,張拉錨固后能立即發(fā)揮作用,為后面的施工提供有力的保障,而抗滑樁的施工對邊坡的擾動較大,特別是樁進入錨固深度后需放炮開挖,對邊坡的擾動更大,所以應在第四、三和二級邊坡錨索施工完成后方可進行抗滑樁的施工。如為搶工程進度,在上面錨索工程未發(fā)揮作用前,即進行抗滑樁施工是得不償失的。
為減少對邊坡的擾動,在抗滑樁施工時,要求先從兩端開始,每隔兩根挖一根分批跳槽開挖,依次向中間匯合,當基坑開挖進入錨固段必須放炮時,要求“短進尺、弱爆破”,嚴格控制炸藥用量和鉆眼深度。
2.動態(tài)施工盡管在治理工程實施之前,對該邊坡進行了詳細的地質(zhì)勘察,但也無法徹底了解其地質(zhì)情況,所以在治理方案確定以后,對其后的施工過程進行跟蹤,并請有專業(yè)資質(zhì)的單位對該邊坡進行監(jiān)測。通過仔細分析每個鉆孔鉆出的芯樣、鉆機的鉆進速度和抗滑樁基坑揭示的地質(zhì)情況,并結(jié)合監(jiān)測單位反饋的信息,對錨索及抗滑樁的長度做合理調(diào)整;對邊坡的防護范圍也做了一定的調(diào)整;對施工工序也實行動態(tài)調(diào)整,如監(jiān)測反映邊坡變形情況穩(wěn)定,且在第四、三級錨索已部分發(fā)揮作用的前提下,為加快工程進度,同意其施工兩端的抗滑樁,當情況不利時立即調(diào)整。另外,根據(jù)邊坡現(xiàn)場的出水情況將仰斜排水孔的位置及數(shù)量也作了相應調(diào)整,使之更符合實際排水要求??傊?,在監(jiān)測單位的配合下,施工和設(shè)計緊密結(jié)合,做到“動態(tài)設(shè)計、信息化施工”。
六、結(jié)語
根據(jù)高邊坡的地質(zhì)環(huán)境條件,在對邊坡結(jié)構(gòu)特征詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上,分析評價其變形破壞的形成機制,利用極限平衡的基本理論和方法對邊坡穩(wěn)定性進行計算和分析,對該邊坡的動態(tài)設(shè)計和信息化施工進行闡述,采用錨拉抗滑樁+預應力錨索+排+坡面局部防護的治理方案,使邊坡變形得到控制,整個邊坡已趨于穩(wěn)定。
參考文獻
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注:文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。