马强中

(兰州铁道设计院有限公司，兰州　730000)



黄土地区高陡斜坡溜坍下滑治理研究

马强中

(兰州铁道设计院有限公司，兰州730000)

摘要：根据黄土高陡斜坡溜坍下滑的现状、特点、地质情况等，应用预应力锚索锚固桩预加固坡脚，通过检算各级边坡的最不利圆弧滑动面，设置锚索格梁、十字形锚杆格梁加固防护各级边坡，可有效治理高陡斜坡的溜坍下滑。研究阐明本项目的边坡设计参数、设计检算与工程设置情况，为类似工程设计提供参考。

关键词：黄土地区；高边坡；分级稳定；预加固；锚固桩；预应力锚索

分级稳定及坡脚预加固技术，是对高边坡从上到下分级加固防护，下部坡脚采用锚固桩[1]进行预加固。针对王洼线清石河特大桥10号墩大里程侧岸坎高陡黄土边坡溜坍下滑的现状、特点、地质情况等，高陡黄土边坡下部坡脚采用预应力锚索锚固桩进行预加固，稳住坡脚；由于10号墩位于坡顶，锚固桩桩顶以上四级边坡坡率均为1∶0.75，为了加强边坡的稳定性，桩顶一级、二级坡面防护设计为锚索格梁工程，桩顶三级、四级坡面防护设计为十字形锚杆格梁工程。经铁三院、铁一院等各方岩土专家现场踏勘、论证，分级稳定及坡脚预加固技术[2]，在治理清石河特大桥10号墩大里程侧岸坎高陡黄土边坡溜坍下滑中，是完全适合现场情况的综合治理措施。

湿陷性黄土高边坡溜坍下滑治理的案例在铁路、公路等工程中比较多，但清石河特大桥斜坡溜坍下滑的特点是斜坡顶上为10号墩，坡脚为清石河河床及11号墩，斜坡高度55 m，原边坡接近1∶1，局部陡峭，在11号墩施工中及施工后，斜坡多次发生溜坍下滑，下滑面积及下滑土方均比较大，为治理措施和施工带来极大困难。

1清石河特大桥及岸坎边坡概况

清石河特大桥为原州区至王洼线中唯一一座特大桥，桥址位于固原市高庄村大坪队东北部，横跨清石河深切沟谷，桥址处沟槽于平地下切深约55 m。桥位处沟槽较顺直，沟底比降约为0.4%。两岸植被一般，沟床为黄土质沟床，沟内有少量的常流水；小里程侧岸坎较陡，基本呈直立状，但坡面较整齐，沟顶为平坦耕地；大里程侧岸坎较小里程侧稍缓，但坡面稍破碎，岸坎顶为台阶状耕地。据调查及钻探揭示，桥址区地层主要为第四系全新统溜坍堆积、冲积砂质黄土，上更新统风积砂质黄土、冲积砂质黄土，上第三系泥岩，下第三系砂岩夹泥岩。砂质黄土主要分布于清石河残留阶地上，厚度35～60 m，工程范围内地表分布的砂质黄土具Ⅳ级(很严重)自重湿陷性，湿陷土层厚约20 m。砂质黄土层下为上第三系泥岩。

清石河特大桥全长612.7 m，主跨采用(48+2×80+48) m连续梁跨越清石河沟槽。原设计考虑不破坏原地形地貌，避免对既有岸坎边坡产生扰动，设计采用2×80 m大跨连续梁跨越清石河主沟，于清石河主沟内设11号墩，墩高81.1 m，于坎顶平地设置10号墩及12号墩，墩高均为27.1 m，10号墩及12号墩承台均置于岸坎边坡稳定线后以保证两墩台的安全，其中10号墩承台边缘距原斜坡15.25 m。10、11号墩布置如图1所示。

图1　10、11号墩布置图及工程设置示意(单位：m)

2岸坎边坡的溜坍体下滑过程及分析

原设计因节省投资并且尽量不破坏原状斜坡的原则，未对该类斜坡做防护设计，而将墩台置于边坡稳定线之后，因2012年6月中旬雨季施工期间常流水积聚并改变方向后，对斜坡底部造成部分掏蚀，导致斜坡上溜坍体滑落。2013年8月7日，因连续数日强降雨的形成，导致雨水从施工缝隙及陷穴下渗，造成10号墩斜坡表层溜坍体大面积下滑。2014年6月斜坡顶部局部再次发生溜坍。斜坡经过多次溜坍后，溜坍体的范围发展到线路左侧37 m，线路右侧39 m，溜坍体的厚度达到3～15 m。斜坡溜坍体及铁路工程平面如图2所示。

图2　斜坡溜坍体及铁路工程平面

原地貌发生较大改变，清石河内洪水对10号墩斜坡底部进行掏蚀，以及坡面受雨水冲刷、湿陷和施工干扰等因素，引起了边坡多次垮塌。

3岸坎边坡的溜坍体下滑后对10号墩的影响

10号墩为清石河特大桥主墩，墩高27.1 m，墩底设12根φ1.50 m钻孔灌注桩，桩长82.0 m。设计时考虑10号墩桩基顶端2.0 m的自由桩长。根据现场实测地面线核实后发现，溜坍后的斜坡坡面与边坡稳定线基本吻合，故根据目前现场情况，10号墩能保证安全性。但是10号墩斜坡坡面若再进一步侵蚀塌方，则会对10号墩造成安全隐患，以致无法正常使用，故需对10号墩斜坡坡面增加相应的防护措施，保证现有坡面的稳定。

4高边坡溜坍下滑挡护方案的研究

4.1高边坡溜坍体下滑的防护特点

清石河特大桥10号墩大里程侧的边坡高度为55 m，溜坍下滑后边坡坡率接近1∶0.75。当桩顶以上边坡设计为1∶1的刷方坡率，坡面设置浆砌片石拱型骨架护坡防护时，10号墩的承台及部分桩基外露，且桩顶边坡的稳定性难以保证。

10号墩斜坡的边坡高度大，坡度陡峭，黄土湿陷性很严重，坡顶有10号墩限制，坡脚有河床及11号墩限制；因边坡多次垮塌，坡脚溜坍堆积土体多，未治理前不宜清除。

为防止10号墩斜坡的边坡坡面受雨水冲刷、湿陷及洪水掏蚀而进一步滑塌，维护山坡平衡，保护环境，对斜坡溜坍下滑进行治理研究。

4.2预应力锚索锚固桩的设计与检算4.2.1预应力锚索锚固桩的设计参数

重度γ=19 kN/m3、内摩擦角φ0=40°、强风化泥岩地基系数m=90 000 kPa/m2，桥址区地震动峰值加速度0.20g(相当于地震基本烈度8度)。

桩底支承条件:铰接，计算方法:M法。

锚孔壁与水泥砂浆的黏结强度:0.25 MPa。

钢绞线与水泥砂浆间的黏结强度：3.40 MPa。

4.2.2设计检算

考虑地震情况下，计算库仑土压力[3]，如图3所示。

图3　土压力与破裂角关系曲线

按库仑土压力计算预应力锚索桩的内力及位移。弯矩、剪力曲线如图4所示。

图4　弯矩、剪力曲线

最大位移=86 mm。

检算的桩身尺寸如下。

桩总长:30.0 m，锚固深度:15.0 m

截面形状:方桩，桩宽:2.0 m，桩高:3.0 m，桩间距:5.0 m。

桩体采用C40钢筋混凝土[4]浇筑，局部冲刷线以上桩与桩之间设C40钢筋混凝土挡土板。距锚固桩桩顶1.5、3.5 m处分别设一孔锚索[5]，锚索Ⅰ与水平面夹角20°，自由段[6]长度为36 m，锚固段长度为15 m；锚索Ⅱ与水平面夹角25°，自由段长度24 m，锚固段长度15.0 m。锚索设计施加预应力为450 kN，锚固段提供的锚固力可达到 471 kN。

4.3锚索格梁的设计与检算4.3.1锚索格梁的设计参数

重度γ=19 kN/m3、内摩擦角φ0=40°

桥址区地震动峰值加速度0.20g

锚孔壁与水泥砂浆的黏结强度: 0.10 MPa

钢绞线与水泥砂浆间的黏结强度：3.40 MPa

4.3.2设计检算

应用圆弧滑动法[7]，找到最不利圆弧滑动面，计算下滑力[8]，确定锚索格梁的结构尺寸。最不利圆弧滑动面简图如图5所示。

图5　桩顶边坡最不利圆弧滑动面简图及土条底部切向力曲线

将锚拉点锚索拉力简化[9]为集中荷载，应用有限元法按弹性地基梁进行计算。格子梁可简化为单元梁，按连续梁进行内力计算。弹性地基梁计算简图及弯矩、剪力图如图6所示。

图6　弹性地基梁计算简图及弯矩、剪力图

格梁肋柱间距4.0 m，横梁间距4.0 m， 肋柱高为0.8 m、宽为0.6 m，横梁高为0.8 m、宽为0.6 m。

锚索的自由段长度依据最不利[10]圆弧滑动面确定。最不利圆弧滑动面如图1所示。

锚索[11]的锚固段长度依据锚索设计吨位确定，锚索的锚固力按10 m锚固段计算，超过10 m部分的锚固段起到加固[12]松散黄土的作用。

格梁设上、中、下3孔锚索，间距4.0 m，锚索钻孔孔径150 mm，锚固力由锚孔壁与水泥砂浆的抗剪强度控制。锚索与水平面向下夹角为20°，自由段长度6～14 m，锚固段长度15.0 m；采用φ15.2 mm高强钢绞线[13]，其标准强度1 860 MPa。锚索孔注浆材料采用M35水泥砂浆。格梁之间的坡面叠砌生态袋。

4.4十字形锚杆格梁的设计与检算4.4.1十字形锚杆格梁的设计参数

重度γ=19 kN/m3、内摩擦角φ0=38°

桥址区地震动峰值加速度0.20g

锚孔壁与水泥砂浆的黏结强度: 0.10 MPa

钢筋与水泥砂浆间的黏结强度：2.70 MPa

4.4.2设计检算

应用圆弧滑动法，找到三、四级坡面的浅层圆弧滑动面，计算下滑力，确定十字形锚杆格梁的尺寸。三、四级坡面浅层圆弧滑动面简图及土条底部切向力计算如图7所示。

图7　三、四级坡面浅层圆弧滑动面及土条底部切向力曲线

三级、四级边坡设置十字形锚杆格梁，边坡[14]坡率为1∶0.75，框架肋柱间距2.5 m，横梁间距2.5 m，框架[15]肋柱、横梁高为0.4 m、宽为0.3 m。肋柱下有溜塌坑凹部分时嵌补M7.5浆砌片石，嵌补宽度0.5 m。锚杆钻孔孔径90 mm，每孔锚杆采用1根φ25 mm螺纹钢筋，锚杆与水平面向下夹角为20°，锚杆长度7.5～15 m，采用HRB400级钢筋，孔内注浆材料采用M35水泥砂浆。格梁之间的坡面叠砌生态袋。

5结论及建议

(1)运用分级稳定及坡脚预加固技术治理王洼线清石河特大桥10号墩大里程侧岸坎高陡黄土边坡溜坍下滑起到了很好的效果。

(2)在湿陷性黄土深切沟谷设置桥梁工程时，应评估桥墩施工中对桥墩周边黄土斜坡产生的扰动范围及程度，并依据评估结果对黄土斜坡采取安全可靠、经济合理的加固防护措施。

(3)工程范围内的湿陷性黄土高边坡，在雨季极易发生溜坍下滑，施工时应将扰动范围及程度降低至最小，施工前做好坡顶、坡底、坡面的系统排水，可避免黄土边坡的溜坍下滑。

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收稿日期：2016-01-07； 修回日期：2016-01-23

作者简介：马强中(1980—)，男，工程师，2006年毕业于兰州交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail：49962977@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0059-04

中图分类号：U213.1+3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.014

Research on Treatment of High and Steep Slope Collapse and Sliding in Loess Areas

MA Qiang-zhong

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute， Lanzhou 730000， China)

Abstract：In view of the current situation， characteristics and geological conditions of high and steep slope sliding in loess areas， prestressed anchor pile is applied to pre-reinforce the toe of slope. Based on the calculation of the most unfavorable circular slipping surface of slopes at all levels， anchor cable lattice beam and cross type bolt lattice beam are set up to effectively reinforce and protect the slopes. This paper studies and defines slope design parameters， design verification and engineering configuration and provides references for the engineering deign of similar projects．

Key words：Loess areas; High slope; Staged reinforcement; Pre-reinforcement; Anchor pile; Prestressed anchor