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浅谈高速公路边坡加固

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牧马人 发表于 2016-1-17 17:10:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
浅谈高速公路边坡加固
摘要:本文从高速公路边坡加固技术的现状开始,谈到了高速公路边坡面临的现实条件和边坡病害的原理。在此基础上介绍了几种边坡加固的类型以及其优缺点和适用情况。最后总结加固方法的选取要根据工程特点、施工条件、经济水平来衡量选用。
关键词:边坡加固,挡土墙,抗滑桩,预应力锚索,排水固结
1 前言
目前,高速公路以其特有的优势成为我国重要的交通手段。高速公路因其线形、纵坡等方面的约束需要,高填深挖路基较多,由此产生的各类边坡,如加固和防护措施不得力,极易引发各种边坡病害。如何对开挖后的边坡进行合理的稳定性评价和加固成为高速公路建设中的一个难题。
2 高速公路边坡加固技术现状[1]
边坡可分为自然边坡和人工边坡,边坡工程一般指人工边坡,是一种把自然边坡经人工填筑或开挖形成的工程地质体。边坡工程涉及领域很宽,不同行业的边坡工程各具特色。对单个边坡而言,矿山工程边坡高陡,水利工程边坡需要考虑水位升降、洄水影响以及流水侵蚀等诸多复杂的因素。公路边坡具有自身特点,线长点多,地质条件种类多,情况复杂,安全度要求高。坡高相对较矮,坡度略缓,一般直接开挖于地表,其坡高通常为几米至几十米,百米以上高边坡并不多见。边坡多由残坡积、全风化、强风化、中风化、微风化和未风化等不同岩层构成,工程性质相对复杂,值得重视。
边坡病害的类型主要有滑坡、崩塌、泥石流、错落、流坍、冲刷、剥落等,其中滑坡、崩塌、泥石流被称为是山区公路的三大主要地质病害。
2.1 滑坡
滑坡一般指斜坡(小于30°)或边坡(人工斜坡)上的岩土体在重力作用下沿一定的软弱面向下前方整体滑动的现象。人工填筑物滑坡常常由于坡脚地基软弱,或在雨水长期冲刷下导致填土滑移,这在软基地区以及山区填方都有发生;而最为常见的还属山区的挖方滑坡。一般讲,滑坡按形成原因可分为自然滑坡和工程滑坡;对于地质勘察揭示的滑坡,公路选线一般考虑绕避的原则,受其它条件限制不得不通过时,往往会采取加固措施;而涉及公路的滑坡,可分为施工建设期发生的和公路建成运营后发生的滑坡,施工期滑坡往往是由于人为切割山体,导致山体边坡下部形成临空,在爆破、降雨、冻融等外力因素的不利影响下,边坡岩土属性趋向软化或坡体发生蠕变,从而产生滑坡。
2.2 崩塌
崩塌一般指陡坡(大于30°)或边坡(人工斜坡)上岩土沿残积层中的裂隙和下伏风化较浅的岩层或软弱面瞬间脆性破坏的现象。崩塌病害的发生更具突发性,在公路施工期和运营期均可能产生。如浙江省东部沿海一高速公路通车期间,在台风季节曾发生边坡崩塌事件,导致高速公路临时封闭处理近二个月,相应路段的地方道路车辆负荷猛增,常常发生交通拥挤堵塞现象,对地方经济、物流运输、人们出行造成很大影响。
2.3 泥石流
泥石流是指斜坡上或沟谷中含有大量泥、砂、石的固、液相颗粒流体奔腾冲泻的现象。泥石流是地质不良山区的一种介于洪水和滑坡间的地质灾害。泥石流的发生频度主要由于区域山体地貌植被的破坏以及恶劣气候条件的作用,以往在山区低等级公路上发生较多,高速公路往往采取绕避方案或针对性的重点措施,因此,对高速公路边坡的影响相对较少。
3 影响边坡稳定的因素
影响边坡稳定的因素很多, 总的归纳起来可分为两大类, 即: 自然因素和人为因素[2]。
3.1 自然因素
公路是特殊的带状构造物, 每条公路都要穿越很多地区, 由于受地质构造和地形条件等因素的影响, 每一个小区域都有不同的地质和气候条件, 云南更显得突出。所以, 影响边坡稳定的自然因素包括下列几方面, 即: 地质、地形、气候和水文条件等四个方面。
3.2 人为因素
一条公路的建设和使用管理, 都是由人去实现的, 根据建设程序和内容, 并结合已建公路的情况看, 影响边坡稳定的人为因素可归集为下列三个方面, 即: 设计因素、施工因素和养护管理因素。
4 高速公路边坡加固类型
根据滑坡产生的原理,边坡加固工程的技术途径主要有减少滑坡下滑力或消除下滑因素、增加滑坡阻滑力或增加阻滑因素两种。边坡加固工程须贯彻顺应性与协调性原则,充分利用稳定状态的自然条件,改造那些处于非稳定状念的自然条件,使之处于新的稳念。结合滑坡地形、水文地质条件、滑坡形成机理及发展阶段,因地制宜采用一种或多种措施达到防止滑坡灾害的产生或治理己发生的滑坡灾害的目的。
目前,边坡加固措施可归纳为以下几种类型。
4.1 抗滑墙
抗滑挡土墙是目前整治中小型滑坡应用最为广泛而且较为有效的措施之一。对于小型滑坡, 可直接在滑坡下部或前缘修建抗滑挡土墙; 对于中、大型滑坡, 抗滑挡土墙常与排水工程、刷土减重工程等措施联合运用。其优点是山体破坏少, 稳定滑坡收效快。尤其对于由于斜坡体因前缘崩塌而引起的大规模滑坡,会起到良好的整治效果。抗滑挡土墙所抵抗的是滑坡体的剩余下滑力,较一般挡土墙主要抵抗的主动土压力大。因此,为满足其稳定性要求,将墙面坡度采用1: 0.3~1:0.5,甚至缓至1:1,有时甚至将基底做成倒坡[3]。
4.2 挡土墙防护[4]
在公路路堑边坡防护工程中,大量的挡土结构得到了广泛应用。挡土墙按断面的几何形状及特点,常见的形式有:重力式、锚杆式、土钉墙、悬臂式、扶臂式、柱板式和竖向预应力锚杆式等。各种挡土墙都有其特点及适用范围, 在处理实际挡土工程时,应对可能提供的一系列挡土体系的可行性作出评价,选取合适的挡土结构型式,做到安全、经济、可行。
4.3 抗滑桩
抗滑桩是易滑坡路段防护应用最广泛的方法。其主要工作原理是凭借桩与周围岩(土)体的共同作用,将滑坡体的推力传递到滑动面以下的稳定地层,利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡体的推力。抗滑桩承受的外力,主要是桩后土体的滑坡推力,其次是桩前土体抗力。与其他杆件结构如柱、桩基础等相比。其独特的受力特点是主要承受横向荷载。有些类似于梁,但由于它埋藏在地层中。动面的存在和地基土体抗力的作用,又使其有别于简单的粱。成为一种超静定结构[5]。
抗滑桩施工方法可分为:打人桩、钻(挖)孔灌注桩,其中以挖孔桩最为常用;按材料可分为:木桩、钢桩、混凝土或钢筋混凝土桩等;按截面形式,则有矩形桩、管形桩、圆形桩等。其结构形式也是多样的,如各处独立设置的排式单桩,将各桩上部以承台连接的承台式桩及做成排架形式的排架桩等,也可以根据需要做成其它形式。
抗滑桩的突出优点是:
抗滑能力大,在滑坡推力大、滑动面深的情况下,较其它抗滑工程经挤、有效;桩位灵活,可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位,可以单独使用,也能与其他建筑物配合使用。分排设置时,可将巨大的滑体切割成若干分散的单元体,对滑坡起到分而治之的功效,挖孔抗滑桩可以根据弯矩沿桩长变化合理布设钢筋。因此,较打入的管桩等要经济;施工方便,设备简单。具有工程进度快、施工质量好、比较安全等优点。施工时可间隔开挖。不致引起滑坡条件的恶化;开挖桩孔能校核地质情况,检验和修改原有的设计,使其更符合实际;对整治运营线路上的滑坡和处在缓慢滑动阶段的滑坡特别有利;施工中如发现问题易于补救。
4.4 预应力锚索
预应力锚索作用机理是把破碎松散岩层组合连接成整体,并锚固在地层深部稳固的岩体上,通过施加预应力,把锚索长度范围内的软弱岩体(层) 挤压密实, 提高岩层层面间的正压力和摩阻力,阻止开裂松散岩体位移,从而达到加固边坡的目的。这种方法的最大特点是:可保持既有坡面状态下深入坡体内部进行大范围加固;预先主动对边坡松散岩层施加正压力,起到挤密锁固作用;锚索孔高压注浆,浆液充填裂隙和孔隙,又可提高破碎岩体的强度和整体性;结构简单、工期短、造价低廉。锚杆在边坡加固中通常与其它支挡结构联合使用[3]。
(1)锚杆与钢筋砼桩联合使用,构成钢筋混凝土排桩式锚杆挡墙。
在边坡支护中排桩式锚杆挡墙主要用于下列情况: ①位于滑坡区域的边坡支护、路堑开挖造成牵引式滑坡或工程滑坡可能性较大的潜在滑坡区域的边坡支护, 在抗滑桩难以支挡边坡推力荷载时,宜优先采用预应力锚索抗滑桩结构,②边坡切坡后,由于外倾软弱结构面形成临空状楔体塌滑可能性较大,造成危害性较大的边坡。③高度大于12m,稳定性较差的土层边坡,此时由于抗滑桩悬臂较长,承受的弯矩过大,为了防止抗滑桩破坏,可采用单锚点或多锚点作法。④坡顶0.5m 内有重要建筑物或较大荷载的Ⅲ、Ⅳ类岩石边坡和土层边坡。
(2) 锚杆与混凝土格架联合使用形成钢筋混凝土格架式锚杆挡墙,锚杆锚点设在格架节点上,锚杆可以是预应力锚杆(索) 和非预应力锚杆(索)。这种支挡结构主要用于高陡岩石边坡或直立岩石切坡,以阻止岩石边坡因卸载而失稳。
(3)锚杆与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构, 适用于岩石边坡。锚杆在边坡支护中主要承担岩石压力, 限制边坡侧向位移, 而面板则用于限制岩石单块塌落并保护岩体表面防止风化。
(4)锚钉加固边坡, 在边坡中埋入短而密的抗拉构件与坡体形成复合体系,增强边坡的稳定性。该法主要用于土质边坡和松散的岩石边坡,加固高度较小。
(5)锚杆与钢筋混凝土板肋联合使用形成柱板式锚杆挡墙, 一般采用自上而下的逆作法施工。
4.5 压浆锚柱(固结)
随着注浆技术和相关技术的迅速发展,注浆在边坡加固与防护中应用相当广泛。注浆是通过把浆液注入岩石的裂隙或土体的孔隙中,一方面增强边坡坡体的抗剪强度、减小坡体的渗透性,从而提高其地基承载力、减小水压力或水动力, 另一方面提高可能的潜在滑面的抗剪强度以增强坡体的稳定性。
边坡注浆加固技术一般适用于两种情况:对于由崩滑堆积体、岩溶角砾岩堆积体、以及松动岩体构成的极易滑动的边坡或由于开挖形成的多卸载裂隙边坡, 对坡体注入水泥砂浆,以固结坡体并提高坡体强度,避免不均匀沉降,防止出现滑裂面。对于正处于滑动的边坡、存在潜在滑动面的边坡、或处于不稳定的边坡,运用注浆技术对滑带压力注浆,从而提高滑面抗剪强度,提高其稳定性。这种情况实际上是把注浆加固作为边坡滑带改良的一种技术,滑带改良后,边坡的安全系数评价一般采用抗剪断标准。由上述可知,边坡注浆加固一般适用于以岩石为主的滑坡、崩塌堆积体、岩溶角砾岩堆积体,以及松动岩体边坡。如图6 所示。
压浆锚柱(固结)其施工设备简单、占地面积小、工期短、见效快、加固地层的深度可深可浅, 但难以检测注入范围和判断固结状态。
4.6 排水固结
排水包括地表排水和地下排水,其目的是将地表水截流排泄,并把滑体内地下水引出坡体,以减少滑坡体因水理作用而失稳。研究表明绝大多数滑坡是由于过于集中的水活动(地表水、地下水和大量降水)所引起,故有“十滑九水”之说,所以滑坡体的排水十分必要。
地下排水措施包括在边坡内设置的排水平硐、排水竖井,或在排水平硐和排水竖井内打的排水孔,以及在边坡表面上打的排水孔。地下排水措施可降低坡内的地下水位,减小作用在边坡滑体上的水荷载。该种措施的排水效果取决于不连续面的规模、渗透性能、输水能力和方位。一般来讲,地下排水措施是一种较有效的边坡处理措施之一。表面排水措施包括在坡顶和坡面上修的截水沟。表面排水措施可将坡顶和坡面上的来水集中排泄,减小裂隙水压力对边坡稳定的不利影响。表面排水措施是岩质高边坡加固处理中一种快捷、经济和有效的措施[1]。
4.7 复合支挡结构
复合支挡结构是由锚杆和桩组成的一种新型挡土结构,由作为竖向挡土结构的双排桩和作为外拉系统的侧向倾斜锚杆组成,并通过桩顶横梁沿土体通长布置。其中,两排竖向桩及桩顶横梁形成空间门架式挡土结构体系,具有较大的侧向刚度,可以有效地限制整个结构的侧向变形。作为外拉系统的土层锚杆,其一端通过桩顶横梁与桩相连,另一端为锚固体。锚固体设在稳定土层中,通过锚杆传递到处于稳定区域中的锚固体上,由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中,从而可以充分发挥结构的整体受荷能力和地层的白承能力。挡土结构通过桩顶横梁保证结构的整体性,具有较大的空间效应。
5 结语
边坡稳定性分析及加固理论技术研究由来已久。国内外学者曾从静力学观点和理论出发, 对边坡失稳滑动形成的条件、作用力因素、滑体结构、滑体尺寸方面进行考虑, 对边坡进行勘测, 运用极限平衡法分析计算来评价边坡的稳定性, 并采用适当的加固技术防护边坡, 实践证明是成功的。目前,边坡稳定性分析无论从理论上还是方法上都日趋成熟, 提出了多种评价边坡稳定性的方法, 这些理论技术均不同程度地推进了对边坡稳定性的研究。
在进行加固方法的选择时, 需要正确分析边坡失稳机理, 准确评价其稳定性,合理地进行下滑力的计算, 这是选择加固设计方法的关键。因此, 在进行加固设计时, 首先要结合工程所处的地质环境, 分析边坡可能出现的破坏情况,然后结合工程特点, 提出相应的加固方案, 最后综合考虑施工方法和经济条件选择便于实施的加固方案[6]。

参考文献
[1]毛斌.高速公路边坡加固与防护技术研究.浙江大学建筑工程学院硕士学位论文,2008.
[2]何福道.高速公路边坡防护与加固初探.公路.2001年2月第2期.
[3]朱蓓.高速公路路堑边坡加固防护技术.
[4]陈建娣.高速公路路堑边坡的防护加固技术.科技创新导报,2008.
[5]黄力华.抗滑桩在高速公路边坡加固治理中的应用.科技信息,2008.
[6]刘卫东.浅析高速公路高边坡加固方法.交通标准化,2008年第1期.
[7]吴壮佳.浅析高速公路边坡加固及防护措施.广东科技,2007.
[8]陈增新.高速公路高边坡加固的设计方法.中国科技信息,2008年第13期.
[9] Hoek E. Strength of rock and rock masses. ISRM News Journal,1994.
[10] Han Juran Aomar Benslimane. Slope stabilization by micropile reinforcement. Landslides,1996.
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