公路边坡稳定性分析及锚固治理措施研究

公路边坡稳定性分析及锚固治理措施研究

陈进曹杨飞

中国铁建港航局集团有限公司

摘要：以道路滑坡为研究对象，介绍某公路K48+200岩体滑动边坡稳定性分析和预应力锚杆（索）锚固治理的设计过程，为类似工程提供参考和借鉴。

关键词：公路边坡；稳定性分析；锚固治理；设计

前言

我国是一个地质灾害频发的国家，随着人类工程活动项目的增多，人为作用引发的地质灾害数量在逐渐增多，造成的损失也愈加严重。地质灾害中尤以滑坡地质灾害最为突出，发生的频率最高，特别是在山区地形中危害最广。本文以劈山开挖形成的岩质边坡为例，介绍岩体滑动边坡稳定性分析和预应力锚杆（索）锚固治理的设计过程。

1工程概况

某公路是由劈山开挖修筑而成，其K48+200段边坡为岩质边坡，坡长120余米，高20余米，坡向100°，坡度35～47°。该公路建成运营1年后，K48+200段坡体发生滑动变形，边坡混凝土支架部分断裂，坡脚排水沟壁因膨胀开裂，逐步形成破坏性滑坡，严重影响到公路质量与使用。为有效控制公路危害，在公路勘测和稳定性分析的基础上，拟采用预应力锚杆（索）作永久性锚固治理。

2地质和水文地质条件

坡段为基岩丘陵地貌类型，地形起伏较大。地层为白垩系下统碎屑岩组，主要以泥质粉砂岩夹薄层泥岩为主，岩层为中厚状，产状140°∠12°，坡面岩石风化程度中等偏微风化。岩层发育过程中，形成两组倾斜度大的裂隙，呈张裂状，分布均匀，内有粘性土填充。坡段所处地势较高，其地下水主要来源于大气降水补给，即季节性基岩裂缝水。在雨水充沛的季节，降水部分渗入基岩使裂缝充水，形成季节性地下水体，再通过陡倾斜裂隙逐渐下渗，以季节泉形式在坡脚排泄。

3边坡滑动特征

3.1形态特征

通过实地走访和现场调查，发现边坡滑坡形成的主要原因是残坡积土堆积造成的。破段后缘高程421～434米处有多条裂缝，且裂缝大小和长短不一，从平面上来看裂缝呈圆弧状，延展性较好，汇入后整体形成一条长约130m、宽为5～30cm的主裂缝。滑坡边界明显，地表有明显的开裂下陷，且滑坡不同部位也有程度不一的变形，具体如图1、图2所示：

图2滑坡后缘

从上图可见滑坡平面呈弧型，整体坡面较缓，滑动主方向约为134°，斜长约39米，宽约150米，厚约4.5米，由此可知面积约5850平方米，体积约2.6万立方米，隐患体前沿坡度较陡，约45°左右，切坡高0～8.0m。

3.2滑坡结构特征及类型

滑坡主要由三部分组成，即滑坡体、滑带（面）及滑床（图3），其结构特征具体如下：

①滑坡体物质组成

滑坡体物质主要为粉质粘土，偶夹巨大块石，其中粉质粘土层较厚，厚度一般多在1.6-8.9米之间。总体来说，滑坡体具有土体结构松散、土石分配不均等特征。

图3工程地质剖面图

②滑带（面）特征

滑坡主滑面基本沿岩层面分布，其中，滑带中下部位于残坡积层与基岩接触带附近，滑带后缘位于基岩面以上的残坡积层中。滑带地段一般是通过钻孔揭露，存在科技揉搓及挤压片理化现象。滑带物质主要为土黄色及褐黄色粉质粘土，偶夹碎石，呈饱和状态。就其剖面形态来看，滑面呈弧形，前缘至后缘，其坡度前缓后陡。

③滑床特征

结合钻孔揭露资料，滑床上部为全风化凝灰岩（局部粉质粘土层），呈灰褐色、褐黄色及青灰色，厚度为12.7m-23.7m，因岩石风化严重，发育有风化裂缝，岩芯多呈土柱状，局部间夹少量块状、碎块状，岩层松软力学强度低。滑床中部为强风化凝灰岩，厚度为3.1m-4.1m，风化强烈，发育有风化裂缝，岩芯基本呈块状、碎块状，块径多为1cm-4cm，局部少量短柱状，除此外还有少量风化碎屑物。滑床下部为微-未风化的凝灰岩，岩石坚硬且密实度高，没有发育裂缝，岩芯完整性好，多呈柱状，岩层产状150°∠60°。

④滑坡类型

根据不同层面划分滑坡可分为多种类型，下面主要从物质组成、滑体厚度、运动形式、滑坡体积等方面进行划分。首先从滑坡体组成物质上，该滑坡属残坡积层土质滑坡，沿基岩风化壳层面产生滑动；从滑体厚度上属浅层滑坡，其滑坡体厚度一般在10m以内；从运动形式上属牵引式滑坡，下部先滑，上部失去支撑后再滑；从滑坡体积及成因上属小型工程滑坡。

位于边坡中南端的岩体发生滑动变形，滑体前缘位于坡面南段，滑体后缘张拉裂缝位于坡顶北部，裂缝落距为15cm～30cm，缝深1.1m。滑体长、宽皆为44m，主滑方向为140°，滑动面破碎带影响范围，宽及78m，高及坡顶外15m。经勘测，滑动体厚度为2～12m，滑体体积约17000m3。

主滑岩体尚属完整，被裂隙切割呈菱块状，而滑体周边岩石较破碎。结合勘测现状进行分析，该公路边坡已初具滑坡雏形，前缘滑面所处位置在坡脚路沟下约1m处，其结构面属泥岩夹层，岩体顺层滑动。

4边坡滑动成因与稳定性分析

4.1边坡滑动成因

结合滑坡成因及滑体特征分析，边坡滑动形成原因是岩性及产状、降水渗入浸泡、构造裂隙切割等因素综合作用造成的。边坡地处桂南多雨区，其岩层主要以泥质粉砂层为主，夹薄层泥岩，泥岩厚度一般为5～10cm，其土质松软强度低，受季节性地下水浸泡，泥岩易产生泥化形成层间软弱结构面，岩层倾角小于坡角，从而容易导致斜坡岩体向临空面滑移。滑体后壁呈折线状的①170°∠73°、②75°∠75°，发育形成陡倾斜裂缝，裂缝延伸长，切割深，以赤平投影图分析，两组结构面楔形体交线产状为126°∠72°，岩体滑动方向和后壁倾角受裂隙组合结构面控制。

4.2稳定性分析

取滑体主轴方向单宽岩体，基于两组结构面构成滑体的平面剪切破坏边坡进行稳定性计算分析，过两结构面交点作垂直线CD，将滑体分成Ⅰ、Ⅱ两部分，以两滑块平面滑动型进行计算分析。设块体Ⅱ对块体Ⅰ的推力为P，块体Ⅰ的下滑力为S，抗滑力为F，地下水对块体Ⅰ、Ⅱ的浮托力分别为U1、U2，在滑动面充水且不考虑动水压力条件下的边坡稳定性系数为KS，则：

结合上述公式，分别对滑体自重条件和滑动面充水条件下的岩体稳定性进行计算分析，其结果如表1所示：

表1边坡稳定性分析计算表

综上分析计算可知：滑体自重条件下，边坡稳定性系数KS=1.16，而二级边坡稳定安全系数K≥1.30，所以边坡处于相对稳定状态，但仍不满足边坡稳定性要求；当降雨使滑动面L2处于半充水状态时，边坡受到岩体自重和地下水静水压力的共同作用，其稳定性系数KS＝0.81，远小于二级边坡稳定安全系数要求，因此边坡处于不稳定状态。根据验证计算，当边坡处于临界平衡状态时，边坡地下水位＝8.0m，KS=1。由此评价该边坡属于不稳定边坡，必须采取有效措施进行工程治理。

5关于治理工程的设计

5.1科学选择治理方案以及锚固力的计算

本工程边坡具备以下特征：第一，周界较为清晰，岩石的强度相对较高，且滑动岩体比较完整；第二，导致坡体滑动最主要的诱因在于降雨入渗；第三，开挖降坡比较困难，但坡面施工较为便利。根据以上特征来选用科学合理的治理方案，本工程以预应力锚杆锚固滑体、排水孔树干地下水为主，坡面设置坡顶的回填裂缝和明沟截水为辅，综合治理边坡工程。

在锚杆设计工作开始之前，先将锚固力大小进行确定。按照公式（3）若在边坡部分设置锚固力T，那么稳定性的系数公式则变成：

锚固角δ选取，按《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002），边坡岩石锚杆与水平面夹角为15°～25°的要求，根据边坡施工条件，取δ＝25°。

边坡稳定安全系数按二级边坡要求K＝1.30，考虑大雨时可能出现短暂水位峰值，边坡安全系数提高10％取值，即取K＝1.30×110％＝1.43；

设计边坡排（降）水孔使滑动面水位降至＝8.0m，=0，根据式（2～4、5-2）和表1的相关参数，求得单宽锚固力：T=542.3（kN）。

5.2布设锚杆

边坡滑体真宽实测为44米，但对于坡面的影响可达78米，以一次根治、整体治理为原则，于坡脚和半坡的两个平台进行两排锚杆的布设，面宽为75米。以直筒型的钢绞线预应力锚索为选用的锚杆类型，单根锚杆的轴向拉力设计为Na=800（kN），并计算锚杆的数量（N）：

公式中：为锚杆轴向拉力的极限值，（kN）；D为锚杆钻孔的直径，（设计孔径φ110mm），（m）；d为钢绞线的直径，（m）；n为锚杆用钢绞线根数，（根）；为锚固体与岩石粘结强度的特征值，（根据较硬岩与M30水泥砂浆取700），（kPa）；为锚固体与钢绞线粘结强度的设计值，（根据M30水泥砂浆取2.0×103），（kPa）；为岩石与锚固体粘结效率的折减系数，可取为0.8；为钢绞线与锚固体粘结效率的折减系数，可取为0.6。

按照l≥lm1（取较大值）原则，与实际相结合，确定锚固段设计长度上排l＝7.5（m），下排l＝7.0（m）。

5.5锚杆自由段的长度及锚杆长度的确定

锚杆自由段的长度通常要以超出滑动面一米，并大于五米为基本原则。通过锚杆进行位置与锚固角的布置，确定锚杆的自由段长度为上排16米，下排6米。所以锚杆长度分别设计为上排23.5米，下排13米。

5.6外锚的设计

在锚杆当中，外锚是一个重要的组成部分，其在刚度、强度以及抗裂方面必须达到锚杆的极限荷载要求以外，其在结构形式上也必须有助于锚具安装、使用及防护。在本方案中，外锚主体设计成梯台型的垫墩，现浇C30钢筋混凝土，且工作锚具要选择OVM公司OVM15-5型的锚具。另外，垫墩的尺寸必须结合坡面岩石的承载力以及混凝土的强度验算结果进行最终的确定：

（1）垫墩的底面尺寸

将垫墩底面的验算面积设为Ad，将垫墩底面的压力平均值设为Pk，且坡面岩石的承载力特征值设为fa，那么应为：Pk≤fa，也就是：

公式中：为施加于垫墩混凝土的轴向压力值，根据锚杆轴向拉力极限值取为1280kN；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，根据C30的强度等级为14.3×103kPa；Am为垫墩顶面的受压面积，也就是锚垫板的面积（m2）。

5.7辅助设施的设计

位于上下平台的上部位置1.3m处，进行排（降）水孔的设置，共18个，且下入φ60mm的热镀锌滤管，其仰角为5°。将孔深设计为15m—24m范围内。

在坡面的中部平台进行光面截水沟的设计，沟长达63米，横截设计成倒梯形，其沟深为0.3米，用水泥砂浆进行抹面。

针对坡顶的裂缝做好开挖沟槽底部的夯实，之后用粘土进行分层的回填并夯实，以此来缓解降水的下渗。

6最终治理效果

经过设计方案的具体实施，根据设计中单根锚杆轴向拉力值对施工锚杆进行预应力的张拉锁定，在工程竣工一年之后进行针对五十一根锚杆的位移观测，通常数据偏差在20mm以内，最大的偏差达到33mm。这也就说明了滑体的滑移已经停止，成功锚固了滑动岩体，边坡整体上都并未出现新的裂缝，降雨后的上排降水渠道并没有出水，下排南端的降水孔出水，因而，降水孔发挥了降低坡体破碎带雨后地下位的预期作用。公路边坡工程的治理达到了预期的效果。

7结语

结合以上关于边坡治理的治理设计以及稳定性的分析，并客观参与到施工过程当中，可以得出以下几点结论：

①降水较多的地区，在公路建设完成一至两年内出现滑坡或者边坡失稳现象的概率比较高，其所采用的治理途径也相对较多，工程比较复杂，因而选择合理、经济的治理方式相当关键，必须着眼于该公路边坡在稳定性上的长远效果，最大程度上避免出现二次治理。

②在公路边坡的稳定性计算以及锚杆设计的验算过程中，通常根据现有的规范进行安全系数的取值工作。若该工程勘探的程度不足，地质条件比较复杂，不明因素相对较多且预测破坏程度较高，那么可以适当将安全系数进行提高，但就经济方面进行考虑也不宜太高。

③为了对预应力的锚索设计进行检验，施工初期必须对锚索锚固进行相应的试验，结合试验的结果做出设计上的合理修改，以此达到预期效果。

④对于地质灾害频发的地区需做好生态环境的保护工作，对地表植被进行恢复。在治理工作全部完成之后，仍然需要就区内的人类工程相关活动进行管理，尽可能避免因人为因素加剧该地区的地质灾害破坏程度，在治理施工防治时，对验槽工作进行加强，完善滑坡监测与预报环节。