钢管桩与预应力锚索在公路路堑高陡边坡中的综合应用.pdf

第45卷第4期地质与勘探Vo1．45No．42009年7月GE0L0GYANDEXPLORAT10NJuly，2009钢管桩与预应力锚索在公路路堑高陡边坡中的综合应用周斌良，吴刚，李勇(贵州省桥梁工程总公司，贵州550018)[摘要]本文通过介绍镇水公路K62+374一K62+500段路堑右上边坡坡口线拦渣墙失稳的岩土工程条件，解析治理方案选用的理论依据，通过理论计算分析，根据实际情况采用钢管桩与预应力锚索、喷射水泥砂浆封闭坡面等综合性工程治理措施。＼[关键词]路堑边坡钢管桩预应力锚索工程治理[中图分类号]TD824．7[文献标识码]A[文章编号]0495—5331(2009)04—0479—05ZhouBin—fiang。WuGang，LiYong．Theapplicationsteelpipestakeandprestressed8ndlorropeintheconstructionsteepandhighsl0peofhighwaycut[J]．GeologyandExploration，2009。45(4)：479—4．镇水公路K62+374一K62+500段路堑右上边(2)残坡积粘土(Q“)坡位于贵州省六枝特区中寨乡，路线类型为山坡线，分布在路堑边坡范围内，厚度0．7～4．1in。黄场区属于陡坡分布区，坡度40。～65。陡斜，覆盖层色坡积软至硬可塑状粘土。含碎石，碎石成分为弱为修筑镇水公路碎块石弃方堆积体和残坡积粘风化灰岩，粒径0．3～7．0cm不等，含量3％～7％。土。受地形因素、岩层产状、填方密实度及地表水影路堑边坡在地形因素及层面渗透的地表下渗水的作响，下坡口线拦渣墙失稳2发生拦渣墙及其内侧的用，该层软化变形，沿路堑边坡左侧临空面位移，造碎块石废渣弃方沿坡口线坠落，严重危及该段路堑成本段路堑边坡失稳。综合考虑雨季因素，经岩土的行车及行人安全。该边坡位于一岩质边坡顶部，测试及反算滑塌带粘土的力学参数为C=5kPa，介于三线同坡的中线和下线之间，两线相邻。目前西=38。。坡比1：1．73～1：2．75，坡面表层为修筑K61+900一1．1．2岩体K62+026段路堑时，在其右下边坡堆积的弃方体，二叠系下统茅口组(P)。灰色弱风化灰岩，厚度1～6m，其物质组成为人工砂、碎石、块石、碎岩层产状为290。L56。。节理发育，产状为68。块，成分为中风化白云岩及少量泥块，呈棱角状、次L56。和127。L43。两组“x”型共轭节理最为发育。棱角状，粒径0．1～1．0m不等，夹2．0～3．0m巨块，1．2地形地貌级配差，为弃渣边坡，破坏后果严重，安全等级一级。场区地处贵州高原切割较大斜坡地带，典型构造溶蚀一剥蚀切割峡谷地貌，两岸谷坡以中高山为1场区工程地质与水文地质主。场区路基沿一条“V”字形冲沟斜坡穿过，路基1．1边坡岩(土)性左侧地势较低，左侧位于山体斜坡下部，自然坡度1．1．1土体40。～65。之问，该路堑右上边坡属于溶蚀峡谷陡坡。(1)人工填筑碎块石土(Q)1．3水文地质分布在路堑边坡范围内，厚度0．40～6．60m。场区地下水主要靠大气降水的补给，并向冲沟黄褐色、灰白色碎块石及粘土混杂堆积。碎块石成及坡面等低洼处排泄。水介质的危害主要表现在雨分为弱风化灰岩，粒径0．5～70．0em不等，含量季，特别是受暴雨影响，因短时间大量坡面地表下渗50％～70％，结构松散至稍密。水，渗人孔隙比大的不稳定的碎块石土层内，地表水[收稿日期]2008—11—04；[修订日期]2009—06一O1。[责任编辑]王梅[第一作者简介]周斌良(1974一)，男，1999年毕业于广州工业大学，学士学位，副总工程师，从事岩土工程勘察设计、施工检测工作。479 地质与勘探2009焦使残坡积粘土表层发生软化和润滑，土体的力学性压桩，接桩方便，间歇时间短，桩身强度高。在高边坡质降低。同时，地表水软化润滑了路堑边坡碎块石加固工程中适应性极强，是其它桩型所无法替代的。土和残坡积粘土的接触带，路堑边坡上的碎块石土2．2预应力锚索在自重作用下顺坡发生位移，路堑边坡上的主动防预应力锚固技术是通过对滑坡体结构面施加预护网拉裂发生边坡失稳等地质灾害，是该路堑边坡应力起到抗滑和加固的作用，其最大的特点是能够变形失稳的根源所在。充分利用岩土体自身强度和自承能力，大大减轻结1．4不良地质现象构自重，节省工程材料，是高效和经济的加固技术，(1)失稳路堑边坡位于陡斜坡上，岩层产状为具有以下特点：290。／56。，岩层为顺坡向产出。(1)具有一定的柔性(2)由于大气降水沿碎块石土空隙渗透至路堑锚索是一种细长受拉构件，柔度较大，具有柔性边坡的残坡积粘土中，地表水使残坡积粘土发生软可调的特点，用于加固岩土体时能与岩土体共同作化和润滑，形成路堑边坡的软弱带，造成路堑边坡的用，充分发挥两者的能力。不稳定。(2)深层加固(3)路堑边坡碎块石土弃方虽在施工时已按设预应力锚索的长度，可根据工程需要确定，加固计要求作主动防护处理，但边坡坡度陡，边坡碎块石深度可达数十米。土弃方量大，在碎块石土弃方自重压力作用下，向路(3)主动加固堑边坡左侧坡面的临空面产生位移，造成路堑边坡通过对锚索施加预应力，能够主动控制岩土体中上部和左侧临空边坡的不稳定。变形，调整岩土体应力状态，有利于岩土体的稳定(4)雨季，特别是暴雨季节，大量地表下渗水对性。锚索是一种细长受拉构件，柔度较大，具有柔性不稳定岩土体及软弱分界面产生软化、托浮、润可调的特点，用于加固岩土体时能与岩土体共同作滑作用，加剧了路堑边坡碎块石土弃方向左侧临空用，充分发挥两者的能力。陡坡面的不稳定性。(4)施工快捷灵活预应力锚索施工采用机械化作业，具有工艺灵2治理方案选用的理论依据活，施工进度快、工期短、施工安全等特点，用于应急2．1钢管桩抢险更具有独特优势。基于钢管桩横向抗剪抗弯、桩体本身体积小不(5)经济性能好破坏地基完整性的多重性能，采用钢管桩钢筋砼将预应力锚索既可单独使用，充分利用岩土体自单位钢管桩个体有机结合成整体，具有以下特点：身强度，从而节省大量工程材料，同时可与其它结构(1)抗剪抗弯强度高物组合使用，改善其受力状态，节省大量的圬工，具钢管微桩目前大多采用A3号低碳普20或D40有显著经济效益。钢管，材料的抗压、抗拉、抗剪抗弯强度高，一般来说，抗压屈服强度达320～450MPa，且抗弯能力强。3设计计算(2)品种多，选用余地大，不需定型生产3．1设计荷载确定目前市场上可选用的钢管直径有32～630mm，3．1．1计算参数取值壁厚2．5—45ram，规格多达几十种。但应用于钢管弃方堆积滑坡体计算强度指标是依据室内土工微桩的钢管宜选择直径为60～108mm，壁厚为3．5实验资料和滑坡变形破坏特征进行反算综合得出，～6．5mm的普20或D40钢管。强度指标选取为粘聚力C=5kPa，内摩擦角=(3)桩长易调整，材料浪费少38。。在进行设计荷载计算时，现状情况下的稳定系钢管的标定每节长度为6．0～12．0m，采用丝扣数取1．05，地震取1．0，地震+暴雨取0．96。滑坡推接长，当持力层埋深变化时，根据施工的实际情况可力安全系数取1．20。以任意调整，综合下料、编号，不会造成浪费，并能准滑带强度指标力学参数反演公式如下：确控制桩长至桩顶设计标高，对施工极为有利。(4)施工速度快，不受周边条件限制∑sin0一tan~b∑W,~osu钢管每节采用编号丝接，接口后1～3rain即可480 第4期周斌良：钢管桩与预应力锚索在公路路堑高陡边坡中的综合应用M与锚固端弯矩M固端的大值：扪fI竺二cosO／／式中，c一粘聚力，kPa；一内摩擦角，(。)；～}：×÷：4．57kN．m滑坡推力安全系数，一般可取K=1．05～1．25；一第i计算条块滑体重量，kN／m；一滑动面倾端：．⋯角，(。)；一滑动面长度，133。3．1．2剩余下滑力计算设采用3排钢管混凝土柱，间距50era×30cm，则内力抵抗矩M抗(钢管抵抗矩)验算：根据滑动面的变坡点和抗剪强度指标变化点，将滑体分成若干块，从最上面一块开始，逐块计算剩=A=0．725x632．51x600×300×10一余下滑力，最下面一块的剩余下滑力即为滑坡推力。=82．5kN·Ill>77．93kN·In，满足设计要求。3．2．2钢管混凝土柱剪力验算传递系数法滑坡推力[公式：(1)钢管混凝土柱剪刀F=KTi+Fl—Ntan~b一cif=COS(0一0+1)一sin(0一0+1)。tg4,式中，一第i块段滑体的剩余下滑推力，当：掣．8kN<0时，取F=0；K一滑坡推力安全系数；一第i式中，钢管混凝土柱的剪力，kN；Z一钢管混计算条块剩余下滑力向第i+1块的传递系数；li一凝土柱的跨度，in；第i计算条块滑动面长度(m)；一第i计算条块底(2)钢管混凝土柱抗剪承载力面倾角(。)；Ⅳ～第i计算条块滑体在滑动面上法线查表取=4．09，=0．16。上的反力(kN／m)；一第i计算条块滑体在滑动面=(1．14+1．02切线上的反力(kN／rn)。=f1．14+1．02X4．o9)×11．9：63．21MPa经计算得：F=283．26kN=(0．385+0．25)’3．2钢管混凝土桩设计计算=(0．385+0．25×0．16’)X4．09×63．213．2．1钢管混凝土柱强度验算=30．23MPa设定钢管混凝土桩所受滑坡推力为138kN，钢=yvA管直径D=76ram，壁厚5．5ram。=0．85X4500×30．23X10～=115．63kN>V，满钢管桩锚固长度：足设计要求。Ⅳ．≥·0m式中，一钢管混凝土柱抗剪强度承载力，kN；一约束效应系数；一钢管混凝土构件截面含钢N。=A率一钢管混凝土轴心受压时的强度指标，MPa；式中，。为钢管混凝土桩锚固长度，In；Ⅳ。为钢厶一混凝土轴心抗压强度标准值，MPa一钢管混管轴向拉力标准值，kN；为锚固体与地层粘结工凝土纯剪切时的强度指标，MPa；一抗剪强度承载作条件系数，对永久性锚固工程取1．0；D为锚固体力计算系数；A一钢管混凝土横截面面积，m。直径，取D=0．1lm；为岩石与锚固体粘结强度特3．3预应力锚索设计计算征值，取f,b=550kPa；A为钢管横截面面积，mm；钢管桩钢筋混凝土拦渣墙上拟设置1排锚索，为钢管抗拉强度设计值，取=300MPa。则钢管桩为一次超静定结构。为充分利用桩身强度，考虑坡面表层1．5m范3．3．1锚索设计锚固力围内岩石节理裂隙发育，特将计算锚固长度加深Pt=iF／[Asin(0十)tg4,十CO8(0+)]1．5m，钢管锚固长度取2．5m。式中，F一滑坡下滑力，kN；A一折减系数，与边钢管混凝土的纵向间距取0．5m，作用在钢管砼坡岩性及加固厚度有关，在0—1之间选取；0为锚柱上的推力P为集中荷载索与滑动面相交处滑动面倾角，(。)；一锚索与水P=0．5X138×cos32．35=58．29kN平面的夹角(锚固角)，取=20，(。)。取钢管混凝土柱的跨度取Z=7．2m3。3．2整治每延米滑坡所需锚索钢铰线根数设计弯矩取钢管混凝土的1／3截面处弯矩n=F1·Pt／Pu481 地质与勘探2009正式中，n一每孔锚索钢铰线的根数；F一钢铰线侧临空区域采用碎石土回填逐层夯实。钢管桩钢筋安全系数，F。=1．7—2．0，通常取1．8；一设计锚砼拦渣墙应分段(12—15m为一段)施工，施工过程固力，kN；P“一钢铰线极限张拉荷载，取Pu=中注意钢管桩钢筋砼拦渣墙钢筋的搭接。259kN。4．4设置预应力锚索3．3．3锚固段长度4．4．1设计参数锚索的锚固段长度采用下列。中的大值。(1)锚索间距：4．0m水泥砂浆与锚索张拉钢材粘结强度确定锚固段(2)锚索布置及锚索长度：共布置10根锚索，长度L。=(：·Pt)／(1T··r)。预应力锚索自由段平均长7．5m，锚固段平均长锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度。8．0m。=(2·)／(竹·d^·)(3)锚索标准规格：国标7丝标准型式中，一张拉钢材外表直径(束筋外表直径)5+15．2mm，R=1860MPa。(m)；一锚固体(即钻孔直径)直径(m)；丁一锚索(4)钢铰线安全系数：F1=1．8锚固体抗拔安张拉钢材与水泥砂浆的极限粘结应力，按砂浆标准全系数：F：2．5抗压强度的10％取值(kPa)；为锚孔壁与水泥砂(5)注浆管：+25ram高压胶管或塑料软管浆的极限剪应力(kPa)。(6)锚座：C25现浇钢砼，尺寸0．84m×0．84rn经计算得：Pt=177．60kN／m；n=5根；L。：x0．6m，嵌入钢管桩钢筋砼拦渣墙内。2．27m，L。=7．91m，取L=8．0m。(7)锚索设计锚固力：Pt=177．60kN／m(8)稳定岩层极限抗压强度R=36×10kPa4工程治理措施4．4．2设计要点4．1拆除原浆砌片石拦渣墙(1)预应力锚索布置于拟设计钢管桩钢筋砼拦4．2清方渣墙顶面以下1．0m位置。清除坡口线一带松散碎块石弃方及沿坡口线坠(2)锚孑L孔径+130mm，倾斜度20。。落的碎块石废渣废方。(3)锚索孑L内自孔底一次性压满M35水泥砂4．3设置钢管桩钢筋砼拦渣墙浆，锚索自由段采用防护油及4,22mm聚乙烯塑料在坡口线位置原拦渣墙内侧1．0m处设置一道套管隔离。长度为40m的钢管桩钢筋砼拦渣墙，墙体嵌入现坡(4)每根锚索设计施加压力710．40kN，张拉为面线以下0．5m(垮塌区墙体基底以现坡面线为两次四级张拉，二级为一次，每次张拉间隔时间大于准)，出露现坡面线以上1．0m(垮塌区墙体经内侧30rnin，每级间隔时间5～10rain，每级张拉荷载控制回填后与邻近现坡面线平齐以上1．0m为准)，砼强为20％的设计值。度C30。钢管桩呈梅花形布置3排，排距0．3m，孑L(5)在施加预应力完毕直至压力表无返回现象距0．5m，孔径4,110mm，钢管规格为4,76X5．5mm后，方可进行锁定作业，切除外露的多余钢绞线。的普20钢管，嵌岩2．5m，出露现坡面线0．95m，各(6)锚索锁定在C30钢管桩钢筋砼拦渣墙内。孔将钢管下人孔底后通过钢管进行灌浆_l，将钢管(7)锚索最后锁定施加预应力为设计拉力的内外密实灌满0．5：1的纯水泥浆(钢管外围直接与110％，稳定时间不少于5min。堆积层和残坡积土层相接触的部份要求用环氧树脂(8)选择不少于锚索总数的5％且不少于3根包裹钢管)。采用~bl4mm螺纹钢筋以0．5m间距斜锚索做张拉试验，坡面每根锚索施加781．44kN拉力。双向与钢管桩焊接，外围以0．4m间距依次与钢管4．4．3施工要点桩焊接，一起构成钢管钢筋网。墙高1．5～4．5m(其(1)锚索施工按照造孔一下锚一压浆一张拉中未垮塌区墙高1．5m，垮塌区墙高1．5—4．5m)，墙封锚的顺序进行，锚座锚垫板面须与锚索垂直，锚固体等厚0．8m，砼强度C30。段锚索必须清污除锈，油脂保持洁净，自由段锚索需在浇筑墙体时注意预留预应力锚索孔与泄水作防腐处理，压浆采用孔底注浆法，浆液先稀后浓，注孔，其中锚索孔间距4．0m，孔径4,110mm，距现地面浆压力不宜小于0．6—0．8MPa。M35水泥砂浆加入线以下0．25m；泄水孔间距1．5m，尺寸10em×水泥重量1．5％的速凝剂和6％o的膨胀剂(铝粉)，水10em，距现地面线以上0．3m。对垮塌区拦渣墙内泥标号PO42．5。预应力锚具采用OVM群锚体系及482 第4期周斌良：钢管桩与预应力锚索在公路路堑高陡边坡中的综合应用其相应张拉设备，并符合GB／T5224-2003标准。neeHngGeologyandinvestigation(roadsandurbanroads，bridgesengineeringuse)[S](JTJF10—2006)．Bejing：ChinaCommu·(2)锚索张拉须待孔内砂浆及钢管桩钢筋砼拦nicationsPress，2000：104．渣墙达到设计强度的90％后方可进行。[4]阮长青．钢管桩设计中的若干问题探讨[J]．地下空间，2003，4(3)锚座必须嵌人钢管桩钢筋砼拦渣墙内。(5)：45～48．(4)锚索设计长度系指钢管桩钢筋砼拦渣墙外RuanChang—qin．DiscussiononSomeProblemsinDesignof侧面至导向帽顶端的距离，本设计锚索设计长度Steel—tubePiles[J]．UndergroundSpaceandEngineering，2003，4(5)：45～48．13．50～17．50m(平均长度15．50m)。[5]公路设计手册：路基．第二版[M]．北京：人民交通出版社，4．5坡面喷射水泥砂浆封水体系2OO4：243．利用坡面原有挂设的FN钢绳网采用喷射混凝HighwayDesignManual：Subgrade，SecondEdition[M]．Bering：土的形式，使水泥砂浆与FN钢绳网粘结成整体ChinaCommunicationsPress，2004：243．对坡面实施封闭。[6]滑坡防治工程设计与施工技术规范[S](DZ／T0219—2006)．北京：中国标准出版社，2004：6．5结束语Specificationofdesignandconstructionforlandslidestabilization[S](DZ／T0219—2006)．Bejing：Standardsprassofchina，(1)在陡立的坡口线位置采用钢管桩钢筋砼拦2004：6．渣墙替代常规设计中的浆砌片石拦渣墙或抗滑桩，[7]铁路路基支挡结构设计规范[s](TB10025—2001J127—使管桩墙体能有效提供墙底的摩阻力防止因废渣弃2001)．北京：中国铁道出版社，2001：44．Codefordesignonretainingengineeringstructuresofraj1waysub—方边坡沿坡口线剪出而坠落。grade[S](TB10025—2001J127—2001)．Bering：Chinarail—(2)山区公路路堑边坡采用预应力锚索与钢管waypublishinghouse，2001：44．桩进行变形失稳治理，设计计算中运用预应力锚索[8]韩林海，杨有福．现代钢管混凝土结构技术(第二版)[M]．北桩设计的基本原理，施工中灵活结合其它辅助措施京：中国建筑工业出版社，2007：84～90．进行有效防治，从根源上防止路堑高边坡稳定性进HanLin—hai，YangYou—fu．Modemtechnology—filledsteel一步恶化，变被动支挡为主动加固，可改善和提高滑tubestmeture(SecondEdition)[M]．Beijing：ChinaArchitecture＆BuildingPress，2007：84～90．移面的抗剪强度，调整改善边坡岩土体的应力状态，[9]李海光．新型支挡结构设计与工程实例[M]．北京：人民交通施工速度快，适应性强，具有显著经济效益。出版社，2004：329～332．[参考文献]LiHai—guang．Retainingthestructureofthenewdesignandengi-[1]公路路基设计规范[s](JTGD30—2004)．北京：人民交通出neeringexamples[M]．Bejing：ChinaCommunicationsPress，版社，2004：21．2O04：329～332．SpecificationfordesignofHighwaySubgrades[S]．Bejing：China[1O]林宗元．岩土工程治理手册[M]．北京：中国建筑工业出版CommunicationsPress，2004：21．社，2005：19．[2]公路路基施工技术规范[S](删FIO一2006)．北京：人民交通LinZong—yuan．ManagementofGeotechniealEngineeringManu—出版社，2006：17．al[M]．Beijing：ChinaArchitecture＆BuildingPress，2005：19．TechnicalSpecificationforConstructionofHighwaySubgrades[S][11]林宗元．简明岩土工程勘察设计手册(下册)[M]．北京：中国(JTJF10-2OO6)．Bejing：ChinaCommunicationsPress，2OO6：17．建筑工业出版社，2003：327．[3]刘世凯，陆永清，欧湘萍．公路工程地质与勘察(公路与城市道LinZong—yuan．ConciseHandbookofGeotechnicalEngineering路、桥梁工程专业用)[S](JTJF10—2006)．北京：人民交通出SurveyandDesign(NextList)[M]．Beijing：ChinaArchitecture版社，2000：104．＆BuildingPress．2003：327．LiuShi—kai．LuYong—qing。OuXiang—ping．HighwayEngi-TheApplicationofSteelPipeStakeAndPrestressedAnchorRopeintheConstructionofSteepandHighSlopeOfHighwayCutZHOUBin—liang，WUGang，LIYong(GuizhouprovinceBridgeEngineeringCorporation，GuiyangGuizhou，550018，China)Abstract：ThisarticleintroducedengineeringgeologicalconditionsaboutblockdregswallatrightslopecutinZhenshuihighwayk62+374一k62+500part，analyzedtheoreticalbasisofapplyingforpracticalimprovementplan．Throughtheoreticalcalculationandphysicalreality，improvingmeasureslikesteelpipestakeandprestressedanchorropewereadopted，andcementplasterinjectionwasundertakentocloseslope．Keywords：slopeofcut，steelpipestake，prestressedanchorrope，improvingmeasures483