錨桿框架梁在挖方高邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

蘇 憶

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，山區(qū)新建的高速公路不斷增加。由于山區(qū)地形起伏較大，高填深挖不可避免，出現(xiàn)挖方高邊坡在山區(qū)高速公路建設(shè)中十分普遍。工程實踐表明，由于未采取有效的防護(hù)措施或者采取的防護(hù)措施不當(dāng)，挖方高邊坡時常會出現(xiàn)溜坍、滑塌、落石甚至滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，是高速公路路基病害易發(fā)段落，這對高速公路工程的建設(shè)和正常運營造成了一定的不良影響。另外，高速公路是個帶狀工程，挖方高邊坡面積大，防護(hù)措施是否經(jīng)濟(jì)合理對工程投資影響較大。因此，合理的挖方邊坡防護(hù)措施對高速公路建設(shè)項目的工程投資規(guī)模影響比較大。同時，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路建設(shè)對綠化及充分體現(xiàn)低碳環(huán)保理念的要求也越來越高。因此，挖方高邊坡防護(hù)的設(shè)計既要做到保證邊坡穩(wěn)定、安全，又要做到經(jīng)濟(jì)、美觀。本文結(jié)合成渝高速公路復(fù)線重慶段的實際工程實踐，詳細(xì)闡述了挖方高邊坡錨桿框架梁防護(hù)的特點及錨桿框架梁防護(hù)的設(shè)計及施工技術(shù)要求。

1 工程地質(zhì)條件

成渝高速公路復(fù)線重慶段按雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，路基寬度34.5 m，設(shè)計速度120 km/h。項目所在區(qū)域地貌以低山丘陵地貌為主，地形起伏較大，沿線高填深挖路基分布比較多。

本項目高挖方邊坡巖體主要以侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組泥巖、砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，其中砂巖屬較軟巖，泥巖屬極軟巖。砂巖及泥巖均具有易風(fēng)化、易崩塌、對水敏感等工程特性。因此，路塹邊坡開挖時，易產(chǎn)生崩塌、垮落等現(xiàn)象。邊坡成型后，在長期風(fēng)化、降雨作用及人工活動等的影響下，邊坡易產(chǎn)生局部塌落、掉塊等失穩(wěn)現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)大范圍的淺層溜坍等病害。

2 錨桿框架梁防護(hù)的特點

錨桿框架梁防護(hù)是近年來發(fā)展起來的一種新型防護(hù)形式，具有如下幾個特點:

1)節(jié)省工程材料，工程造價低。由于該防護(hù)形式中錨桿的使用對加固土層起到加筋作用，同時通過錨桿使框架梁結(jié)構(gòu)與地層連鎖在一起，形成一種共同作用體系，增強(qiáng)了地層的強(qiáng)度，改善了地層的力學(xué)性能，能有效地調(diào)用和提高巖土自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力[1]，可大大減少坡面防護(hù)的圬工數(shù)量，具有節(jié)省工程材料，工程造價低的特點。

2)邊坡綠化效果好，充分體現(xiàn)了低碳環(huán)保的設(shè)計理念。由于該防護(hù)形式盡可能地減少了圬工防護(hù)的工程數(shù)量，而且可以采用掛三維噴播植草或掛雙網(wǎng)噴有機(jī)基材等形式對框架內(nèi)挖方邊坡進(jìn)行充分的綠化，具有邊坡整體綠化效果好的特點。能使挖方邊坡達(dá)到與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，保持生態(tài)環(huán)境相對平衡，美化公路、改善行車條件的效果，充分體現(xiàn)了低碳環(huán)保的設(shè)計理念。

3)具有隨機(jī)補強(qiáng)、隨機(jī)優(yōu)化的特點，利于對挖方高邊坡進(jìn)行信息化動態(tài)設(shè)計[2]，使挖方高邊坡防護(hù)措施更為經(jīng)濟(jì)合理。

由于挖方高邊坡是個帶狀工程，分布廣、范圍長，在勘察和設(shè)計階段對挖方高邊坡巖土體的認(rèn)識是有限的?；谟邢薜男畔⑻岢龅姆雷o(hù)工程設(shè)計不可能十分精確合理，而隨著施工開挖的逐步進(jìn)行，真實的工程地質(zhì)條件逐步擺在面前。因此，在施工過程中根據(jù)邊坡開挖揭示的地質(zhì)情況，及時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，能使設(shè)計更為合理。錨桿框架梁防護(hù)可采用邊開挖邊防護(hù)的方式進(jìn)行，并可以根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況及時調(diào)整錨桿長度或框架尺寸，具有隨機(jī)補強(qiáng)、隨機(jī)優(yōu)化的特點，有利于對挖方高邊坡進(jìn)行信息化動態(tài)設(shè)計，使高挖方邊坡防護(hù)措施更為經(jīng)濟(jì)合理。

1) 缺乏竹林的可持續(xù)經(jīng)營。低投入和無序采伐導(dǎo)致竹材產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低。目前，埃塞竹材供應(yīng)零散，且無規(guī)范的采伐標(biāo)準(zhǔn)，更無資源可持續(xù)發(fā)展政策措施。土地為國家所有，農(nóng)民沒有合法的土地使用權(quán)。竹材采伐取決于中間商的需要，隨采隨賣，缺乏存放場所。因此，竹林面積呈逐年下降趨勢，竹材質(zhì)量也在不斷降低。

下文結(jié)合成渝高速公路復(fù)線重慶段的工程實踐，詳細(xì)闡述了挖方高邊坡錨桿框架梁防護(hù)的設(shè)計、施工技術(shù)要求及施工注意事項。

3 錨桿框架梁設(shè)計

挖方高邊坡錨桿框架梁防護(hù)設(shè)計按如下的設(shè)計原則進(jìn)行:首先仔細(xì)研究每個深挖方段落的地勘資料，并根據(jù)巖土體的工程特性、風(fēng)化程度、完整程度，主要結(jié)構(gòu)面的特征及組合關(guān)系，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等因素確定合理的挖方邊坡坡率，然后采用赤平投影分析對每個挖方邊坡的整體穩(wěn)定性做出定性的判斷。邊坡穩(wěn)定性定性分析結(jié)果有如下五種情況:a最穩(wěn)定的;b穩(wěn)定的;c較穩(wěn)定的;d較不穩(wěn)定的;e不穩(wěn)定的[3]。對于分析結(jié)果為a、b、c三種情況的挖方邊坡，錨桿框架梁防護(hù)設(shè)計時可只考慮淺層防護(hù)，以防止坡面出現(xiàn)塌落、掉塊及局部溜坍等病害的發(fā)生。對于分析結(jié)果為d或e的挖方邊坡，在進(jìn)行錨桿框架梁防護(hù)設(shè)計時還應(yīng)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算分析，并應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定性分析計算確定錨桿長度。

3.1 錨桿設(shè)計

1)錨桿采用全長粘結(jié)性錨桿[4-5]，桿體材料采用HRB335鋼筋，錨桿按軸心受拉構(gòu)件設(shè)計，其所需錨筋面積，按式(1)計算:

式中 As——普通鋼筋的截面面積(m2);

K——荷載安全系數(shù)，采用2.0;

Nt——錨桿軸向拉力設(shè)計值(kN);

fy——普通鋼筋的抗拉設(shè)計強(qiáng)度(kPa)。

2)錨桿長度確定

對于邊坡整體穩(wěn)定，無不利結(jié)構(gòu)面，只需考慮淺層穩(wěn)定的挖方高邊坡，錨桿長度采用4.0 m，錨孔直徑采用50 mm，錨桿采用單根φ18鋼筋。

對于邊坡較不穩(wěn)定或不穩(wěn)定的挖方高邊坡，錨桿長度根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算分析確定，計算時錨桿有效錨固端長度不宜小于2.0 m。設(shè)計時采用的不同長度錨桿的設(shè)計抗拔力，采取的錨孔直徑及錨桿材料詳見表1。

表1 錨桿設(shè)計一覽表

3)錨桿采用彎筋掛接格子梁主筋的方式與格子梁連接，錨桿長度＞4.0 m時，應(yīng)設(shè)置定位器，定位器采用φ6.5鋼筋彎制，并點焊于錨桿主筋上，定位器設(shè)置間距1.5 m。

4)錨桿錨固體采用M30水泥砂漿灌注。

3.2 框架梁設(shè)計

1)框架梁單元形狀采用矩形，梁單元尺寸采用3.0 m×3.0 m，錨桿布置在框架梁節(jié)點位置。具體布置形式如圖1所示。

圖1 錨桿框架梁坡面布置(單位:cm)

2)框架梁截面形式采用矩形截面，框架梁內(nèi)彎矩、剪力按連續(xù)梁計算。梁結(jié)構(gòu)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10)計算，荷載分項系數(shù)取1.3，附加安全系數(shù)取1.23。

3)通過計算確定框架梁截面尺寸采用0.2 m×0.2 m，0.3 m×0.4 m兩種形式。其中0.2 m×0.2 m截面框架梁用于邊坡整體穩(wěn)定，只需進(jìn)行淺層防護(hù)的挖方邊坡;0.3 m×0.4 m截面框架梁用于比較不穩(wěn)定或不穩(wěn)定挖方邊坡的防護(hù)。

4)梁內(nèi)主筋通長布置，主筋采用HRB335鋼筋，其中0.2 m×0.2 m框架梁內(nèi)配有5根φ16鋼筋;0.3 m×0.4 m框架梁內(nèi)配有6根φ16鋼筋。鋼筋保護(hù)層厚度不小于50 mm。

5)框架梁采用C25混凝土澆筑，橫梁每10～15 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填塞瀝青麻絮。

6)截面尺寸為0.2 m×0.2 m框架梁底嵌入坡面巖體內(nèi)深度不宜小于0.10 m，截面尺寸為0.3 m×0.4 m框架梁底嵌入坡面巖體內(nèi)深度不宜小于0.15 m。

4 錨桿框架梁防護(hù)施工技術(shù)要求

4.1 錨桿施工

錨桿施工前應(yīng)按土建技術(shù)規(guī)范清坡，然后按綠化技術(shù)要求進(jìn)行人工修坡，修坡后坡面整體應(yīng)平整、自然。每個大框架內(nèi)坡面起伏不宜超過15 cm。錨桿的施工應(yīng)遵守下列規(guī)定:

1)應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求，定出孔位，做出標(biāo)記。錨桿孔距的允許偏差為5 cm，錨桿孔深允許偏差為5 cm，錨桿孔徑應(yīng)符合設(shè)計要求。對于碎石土層、泥巖、頁巖錨桿孔，應(yīng)采用干鉆，嚴(yán)禁孔內(nèi)積水。

2)錨桿安裝前應(yīng)作好下列檢查工作:錨桿原材料型號、規(guī)格、品種，以及錨桿各部件質(zhì)量和技術(shù)性能應(yīng)符合設(shè)計要求，錨桿使用前應(yīng)平直、除銹、除油。錨桿孔位、孔徑、深度及布置形式應(yīng)符合設(shè)計要求。

3)砂漿配合比應(yīng)符合下列要求:宜采用中細(xì)砂，粒徑不應(yīng)大于2.5 mm，使用前應(yīng)過篩。砂漿強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計要求。

4)砂漿應(yīng)拌和均勻，隨拌隨用，一次拌合的砂漿應(yīng)在初凝前用完，并嚴(yán)防石塊、雜物混入。

5)注漿作業(yè)應(yīng)遵守下列規(guī)定:注漿開始或中途停止超過30 min時，應(yīng)用水或稀水泥漿潤滑注漿罐及其管路。注漿時，注漿管應(yīng)插至孔底，采用翻漿法注漿，確保注漿管埋入砂漿的長度不小于1.0 m。隨砂漿的注入緩慢勻速抽拔注漿管，直至孔口砂漿溢出后，方能全部拔出注漿管。若發(fā)現(xiàn)溶槽、溶穴或裂隙漏漿時，可采用間歇性注漿，確保錨桿孔中砂漿飽滿、密實。

6)錨桿試驗要求:各邊坡必須取各種類型錨桿總數(shù)的3%且不得少于3根進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

4.2 框架梁施工

框架梁施工應(yīng)在錨桿施工后進(jìn)行，框架梁施工應(yīng)遵循如下規(guī)定:框架梁施工應(yīng)在坡面上人工開槽，然后在槽中立模、安裝鋼筋，經(jīng)監(jiān)理驗收合格后現(xiàn)澆混凝土框架，并應(yīng)保證整個框架梁頂面平順、自然，框架梁截面尺寸不得小于設(shè)計值。

4.3 施工注意事項

1)在挖方高邊坡錨桿框架梁施工前，應(yīng)對各個邊坡地質(zhì)情況進(jìn)行現(xiàn)場核實，對巖體破碎、可能存在失穩(wěn)邊坡而在設(shè)計中沒有進(jìn)行特殊設(shè)計的邊坡，應(yīng)及時進(jìn)行現(xiàn)場優(yōu)化設(shè)計。

2)邊坡應(yīng)采用自上而下分階段邊開挖、邊防護(hù)的施工原則。

3)挖方高邊坡施工過程中應(yīng)進(jìn)行施工監(jiān)測，獲取開挖揭示的工程地質(zhì)信息、變形信息、施工技術(shù)信息等，并對獲取的信息進(jìn)行及時整理分析，據(jù)此以進(jìn)行現(xiàn)場優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié)語

針對泥巖、砂巖易風(fēng)化、易崩塌、對水敏感等工程特性及泥巖、砂巖挖方高邊坡易產(chǎn)生崩塌、垮落、淺層坍塌等病害的現(xiàn)象，設(shè)計采用了錨桿框架梁防護(hù)措施，以確保邊坡穩(wěn)定及施工安全。成渝高速公路復(fù)線重慶段挖方高邊坡防護(hù)施工已完成，并經(jīng)受了一個雨季的考驗，挖方邊坡整體穩(wěn)定，取得了良好的防護(hù)加固效果。另外，通過施工過程中的信息化動態(tài)設(shè)計，對開挖后邊坡巖體較破碎，易發(fā)生大塊楔形體滑落區(qū)段的邊坡，增加錨桿長度，確保了施工安全及邊坡穩(wěn)定。同時也通過優(yōu)化設(shè)計，將邊坡巖體比較完整、邊坡整體穩(wěn)定段落的長錨桿進(jìn)行了變更設(shè)計，縮短了錨桿長度。通過優(yōu)化設(shè)計，較施工圖設(shè)計減少錨桿約2萬多延米，充分體現(xiàn)了錨桿框架梁防護(hù)隨機(jī)補強(qiáng)、隨機(jī)優(yōu)化的特點。

錨桿框架梁防護(hù)是一種切實可行的挖方高邊坡防護(hù)措施，具有節(jié)省工程材料、工程造價低、邊坡綠化效果好的特點，能充分體現(xiàn)低碳環(huán)保設(shè)計理念;具有隨機(jī)補強(qiáng)、隨機(jī)優(yōu)化的特點，利于對挖方高邊坡進(jìn)行信息化動態(tài)設(shè)計?？稍诮窈箢愃频母咚俟讽椖恐型茝V應(yīng)用，以發(fā)揮出更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]閆莫明.巖土錨固手冊[M].北京:人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國交通部.JTG D30—2004 公路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[3]中鐵第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[4]熊保林，王希良，路春嬌.高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索格子梁加固系統(tǒng)三維有限元分析[J].鐵道建筑，2010(2):67-70.

[5]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS 22—2005 巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計劃出版社，2005.