CN106049515A - 一种傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，属于施工方法领域。该方法具体为从上到下对傍山路基边坡进行分层开挖，在开挖的同时采用锚杆或锚索及时对已开挖部分进行支护。开挖到傍山路基边坡的下半部时，也可先向边坡土体中打抗滑桩，再开挖土体，利用抗滑桩替代锚杆或锚索对边坡的下半部进行支护。本发明在开挖的同时及时对已开挖部分进行支护，使滑移面不会实际产生，大大提高了边坡的稳定性和节省费用。

Description

一种傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法

技术领域

本发明属于施工方法领域，具体涉及一种傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法。

背景技术

傍山路基边坡(图1)开挖可以利用就地取材的巨大优势来填筑路基，但边坡开挖会破坏原有的地应力平衡。在边坡内部会发生剪应力，如果它大于地基本身抗剪强度就会发生边坡稳定破坏。

傍山路基边坡开挖由于其极具特殊性，其施工迅速，就地取材填筑路基，需要找到一种简单、易操作性的加固处治方法。目前，为了对其进行合理的加固，较多采用极限平衡法及有限元法进行边坡稳定性分析计算。极限平衡法可以事前假定破坏滑动面(圆弧面、折线形，分别如图2和3所示)，也可以自动搜索圆弧破坏面来定量求取其安全系数，但其不能掌握边坡内部可能发生的局部破坏现象或位移变形；为了掌握边坡总体的力学形迹最终确认稳定性，需要进行有限元数值分析，目前应用较多的为强度折减法最终算出临界破坏面。一般施工过程中，通常是先对土体进行开挖，边坡开挖完毕后方才根据边坡规范，对边坡稳定性分析计算得到的假定破坏滑动面进行锚固或打设抗滑桩。但在该方法施工下得到的傍山路基边坡，经常发生滑塌，这表明该方法加固后的边坡并不十分稳定。

发明内容

本发明的目的在于针对现有傍山路基边坡开挖忽视了原始地应力平衡而引起的滑动问题，转而从边坡反力平衡系统出发，提供一种傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，以控制傍山路基边坡稳定性，防止边坡滑塌。

现有的分析理论惯于从滑动面(根据经验判定滑动面求取安全系数或用有限元模拟出滑动形迹)入手，然后在开挖土体后，再穿越滑动面实施锚杆或锚索加固。但基于申请人发现，该方法存在缺陷。尽管极限平衡法及有限元法能够判断出边坡开挖的假定破坏滑动面，但在土体被开挖后，边坡的反力平衡系统被破坏，原先事实上不存在的假定破坏滑动面演变成了真实存在的潜在破坏滑动面。此时，再对其进行锚杆或锚索加固，虽然理论上能够控制其滑移，但由于滑动面已真实存在，因此其在现实中的部分不利条件下，仍然可能产生边坡滑塌事故。

申请人在总结经验和辩证思考的基础上，围绕原始地应力平衡，从反力平衡系统出发改进现有的傍山路基边坡加固治理设计施工方法。该方法运用土力学计算得出开挖部分土体被动土压力(工程最不利情况)的基础上，然后在开挖过程中同时将此被动土压力平均分散到各锚杆或锚索等与周围土体的摩阻力或抗滑桩的抵抗力上，简易地控制傍山路基边坡稳定性，防止边坡滑塌。

本发明所采用的具体技术方案如下：

傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，具体为：从上到下对傍山路基边坡进行分层开挖，在开挖的同时采用锚杆或锚索及时对已开挖部分进行支护。

作为优选，开挖到傍山路基边坡的下半部时，也可先向边坡土体中打抗滑桩，再开挖土体，利用抗滑桩替代锚杆或锚索对边坡的下半部进行支护。抗滑桩的弹塑性变形较小，出现潜在滑移面的可能性较小。需要说明的是，本发明中的上半部、下半部并不一定完全指边坡的中线以上、以下部分，实际的施工过程中，可以根据现场的自然、施工条件进行调整。

作为优选，锚杆的选择应满足以下条件：

单根锚杆轴向拉力标准值N_t为：

$N_t=\frac{E_p}{n\·\cos a}$

式中：E_p为待开挖的傍山路基边坡的被动土压力；a为锚杆倾角；n为边坡上设置的锚杆总根数；

单根锚杆的轴向拉力设计值N_a为：

$N_a=\frac{{\mathrm{\γ}}_Q\·E_p}{n\·\cos a}$

式中：γ_Q为荷载分项系数；

锚杆钢筋截面面积A_s满足：

$A_s\≥\frac{{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{KN}}_a}{{\mathrm{\ξ}}_2{f}_y}$

式中：ξ₂为锚杆抗拉工作条件系数；γ₀为边坡工程重要性系数；f_y为锚杆钢筋抗拉强度设计值；K为安全系数；

锚杆锚固体与地层的锚固长度l_a：

$l_a\≥\frac{{\mathrm{KN}}_t}{{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\πDf}}_{rb}}$

式中：ξ₁为锚杆锚固体与地层粘结工作条件系数；D为锚固体直径；f_rb为地层与锚固体粘结强度特征值；

锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度l_b：

$l_b\≥\frac{{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{KN}}_a}{{\mathrm{\ξ}}_3{\mathrm{n\πdf}}_b}=\frac{{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_Q{\mathrm{KN}}_t}{{\mathrm{\ξ}}_3{\mathrm{n\πdf}}_b}$

式中：ξ₃为钢筋与砂浆粘结工作条件系数；d为锚杆钢筋的直径；f_b为钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值；

锚杆锚固段长度为l_a、l_b中的较大值，即为max(l_a、l_b)；工程上遵循不利(或不利组合)情况，为保证安全，取两者中的较大值。也即锚杆越长，边坡越稳定，但不能无限长。这与复合地基水泥土搅拌桩竖向承载力特征值取值类似，分别采用桩身强度、桩周土和桩端土阻力计算出的单桩承载力特征值，为保证安全，取不利情况，即两者中的较小值。

锚杆总长度为锚杆锚固段长度和锚杆自由段长度之和。

本发明的锚杆参数设计针对现有的规范进行了改进，该设计参数下的锚杆能够进一步保证土体开挖后的边坡稳定。

作为优选，中腰锚杆长度需长于上、下坡的锚杆。

更进一步的，所述的边坡中腰锚杆自由段长度根据实际经验或有限元分析破坏面形迹确定。

中腰锚杆在整个边坡加固体系中起承上启下的作用，边坡滑移面由于通常呈现圆弧面、折线形，其中腰部位的假定滑移面距离边坡表面距离较长，因此需要将其长度进行延长，使锚固段能够位于假定滑移面之后。中腰部位的锚杆若长度不足，会导致锚固段部分处于假定滑移面之前，其锚固作用会大大减弱，锚杆的力不足以维持边坡的稳定，最终导致边坡失稳坍塌。

进一步的，所述的抗滑桩的设置需能够承受土体推力F，其中：

$F=m\frac{{\mathrm{\γ}}_Q\·E_p}{n}$

式中：m为抗滑桩锚固深度范围内的设计锚杆根数。

由此，满足该推力要求的抗滑桩可以替代原本需要设置的锚杆，起到下半部土体的稳定作用。同时也充分利用了抗滑桩的低形变特点，使中下部土体保持在反力平衡状态。

进一步的，所述的锚杆自由段长度需预先判定出滑动面形迹，然后根据边坡相关规范确定。

进一步的，所述的抗滑桩的平面布置根据边坡的地层性质、受力大小、滑动面坡度、滑动面以上的厚度、施工条件、桩型和桩截面大小以及可能的锚固深度以及锚固段的地质条件因素综合考虑确定。

进一步的，所述的抗滑桩桩型的选择应根据滑坡性质、滑坡处的地质条件、受力大小、工程造价、施工条件和工期要求因素综合考虑，结合设计人员的工程经验来选择。

传统的边坡加固处治方法都是先开挖完土体后，再进行支护，因此潜在滑移面容易变成现实的滑移面，边坡出现问题的几率较高。而本发明在从上到下开挖边坡土体，在开挖的同时及时对已开挖部分进行支护；开挖到下半部时，也可以先打抗滑桩，再开挖土体，使滑移面不会实际产生，大大提高了边坡的稳定性。另外，本发明对锚杆和抗滑桩的参数计算也进行了优化，能够更好的控制边坡的稳定性。

附图说明

图1为傍山路基边坡开挖断面示意图；

图2为傍山路基边坡(土质)开挖破坏了原始地应力平衡引起滑动图；

图3为傍山路基边坡(岩土体)开挖破坏了原始地应力平衡引起滑动图；

图4为本发明的控制傍山路基边坡(土质)开挖引起滑塌的锚杆(索)设置示意图；

图5为本发明的控制傍山路基边坡(岩土体)开挖引起滑塌的锚杆(索)设置示意图；

图6为本发明的控制傍山路基边坡(土质)开挖引起滑塌的抗滑桩设置示意图；

图7为本发明的控制傍山路基边坡(岩土体)开挖引起滑塌的抗滑桩设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图4和5所示，傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，具体为：从上到下对傍山路基边坡进行分层开挖，在开挖的同时采用锚杆或锚索及时对已开挖部分进行支护。本实施例中，如图6和7所示，开挖到傍山路基边坡的下半部时，也可先向边坡土体中打抗滑桩，再开挖土体，下半部可不打设锚杆或锚索，直接利用抗滑桩替代锚杆或锚索进行支护。上半部分可按照边开挖边锚杆或锚索支护的方式按图4或5中打设，然后再往下半部的边坡中按图6或7所示打设抗滑桩，然后继续进行开挖。

边坡开挖之前，需要对所需的锚杆或锚索及抗滑桩的参数进行设计计算，准备相应的施工材料和设备。具体如下：

(1)采用朗肯土压力公式计算出开挖部分被动土压力标准值E_p(工程最不利情况)。根据力学平衡，此力由n根锚杆分担。由反力平衡体系知，被动土压力标准值E_p等于n根锚杆所受水平拉力标准值N_h之和，即E_p＝nN_h，由此可得单根锚杆所受水平拉力标准值为N_h＝E_p/n，进而由公式(1.1)得出单根锚杆轴向拉力标准值为

$N_t=\frac{E_p}{n\·\cos a}---\left(1.1\right)$

式中：N_t为单根锚杆轴向拉力标准值(kN)；a为锚杆倾角；其余字母代表意义如前所述。

进而通过公式(1.2)中的荷载分项系数求取单根锚杆的轴向拉力设计值。

$N_a=\frac{{\mathrm{\γ}}_Q\·E_p}{n\·\cos a}---\left(1.2\right)$

式中：N_a为锚杆轴向拉力设计值(kN)；γ_Q为荷载分项系数，可取1.3。

该步骤中，锚杆总根数和单根锚杆轴向拉力标准值需要根据施工现场的进场材料相互之间进行反馈调整。最终采用的锚杆根数和单根锚杆轴向拉力标准值应足够支撑被动土压力标准值E_p。

(2)由公式(1.3)确定出锚杆钢筋截面面积。

$A_s\≥\frac{{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{KN}}_a}{{\mathrm{\ξ}}_2{f}_y}---\left(1.3\right)$

式中：A_s为锚杆钢筋或钢绞线截面积(m²)；ξ₂为锚杆抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69；γ₀为边坡工程重要性系数，对安全等级为一级的取1.1，二、三级取1.0；f_y为钢筋或钢绞线抗拉强度设计值(kpa)；K为安全系数，可采用2.0。

通过公式(1.4)、(1.5)分别求出锚杆锚固体与地层的锚固长度l_a、锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度l_b，最后求出两者中的较大值max(l_a、l_b)(工程最不利情况)，即为锚杆锚固段长度。

锚杆锚固体与地层的锚固长度l_a：

$l_a\≥\frac{{\mathrm{KN}}_t}{{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\πDf}}_{rb}}---\left(1.4\right)$

式中：l_a为锚杆锚固体与地层间的锚固长度(m)；ξ₁为锚固体与地层粘结工作条件系数，对永久锚杆取1.00；D为锚固体直径(m)；f_rb为地层与锚固体粘结强度特征值(kpa)；K为安全系数，可采用2.0。

锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度l_b：

$l_b\≥\frac{{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{KN}}_a}{{\mathrm{\ξ}}_3{\mathrm{n\πdf}}_b}=\frac{{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_Q{\mathrm{KN}}_t}{{\mathrm{\ξ}}_3{\mathrm{n\πdf}}_b}---\left(1.5\right)$

式中：l_b为锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度(m)；ξ₃为钢筋与砂浆粘结工作条件系数，对永久锚杆取0.6；n为锚杆钢筋(钢绞线)根数；d为锚杆钢筋的直径(m)；f_b为钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值(kpa)；K为安全系数，可采用2.0。

(3)根据现场地质土层分布情况(如地裂缝)或通过数值模拟判定出滑动面形迹(土质边坡为圆弧形破裂面；岩土混合体边坡为折线形破裂面，如图2～3所示。)，然后根据边坡规范确定出锚杆自由段长度，由上述第(2)步求得的锚杆锚固段长度，则可以得出所需锚杆总长度。

(4)上、下坡的锚杆采用步骤(3)中计算得到的长度，而中腰的锚杆根据实际经验或有限元分析破坏面形迹进行确定(类似人体的腰要好，起承上启下的作用)。中腰锚杆长度一般比上、下坡分布锚杆要长。如图4～5所示。如上下坡锚杆长度为7m，边坡中腰锚杆长度可以设置为8～9m，以锚固段能够位于破坏滑移面之后为准。

(5)按边坡规范做好锚杆现场抗拔试验，确定出锚杆的抗拔力指标。

(6)按边坡规范进行现场施工，严格按照规范规定的预应力锚杆(索)或全长粘结性锚杆两种类型的施工步骤进行作业，确保施工质量；

(7)抗滑桩(图6～7)的平面布置指的是桩的平面位置和桩间距。一般根据边坡的地层性质、受力大小、滑动面坡度、滑动面以上的厚度、施工条件、桩型和桩截面大小以及可能的锚固深度以及锚固段的地质条件等因素综合考虑决定，以满足其需要承受的土体推力。通过公式(1.6)求取抗滑桩所受土体推力F。

抗滑桩所受土体推力F可按下式计算：

$F=m\frac{{\mathrm{\γ}}_Q\·E_p}{n}---\left(1.6\right)$

式中：F为抗滑桩所受土体推力(kN)；m为抗滑桩锚固深度范围内的锚杆根数，即被抗滑桩取代的锚杆根数；n为待开挖的标准断面范围的锚杆总根数；其它字符代表意义同上。由此，原本作用于锚杆上的力可以由抗滑桩进行支承，进而最大限度的利用抗滑桩的低弹性形变性能，维持边坡稳定。

(8)抗滑桩桩型(钢筋混凝土桩、钢管桩及H型钢桩)的选择应根据滑坡性质、滑坡处的地质条件、受力大小、工程造价、施工条件和工期要求等因素综合考虑，按安全、可靠、经济、方便的原则，结合设计人员的工程经验来选择。

相对于现有技术中事后支护的方法，本发明在边坡开挖施工的同时，采用锚杆和抗滑桩及时对其进行支护，从源头控制了边坡滑移面的产生。而且锚杆和抗滑桩的参数采用了优化的计算方法，能够更好的控制边坡的稳定性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，从上到下对傍山路基边坡进行分层开挖，在开挖的同时采用锚杆或锚索及时对已开挖部分进行支护。

2.如权利要求1所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，开挖到傍山路基边坡的下半部时，也可先向边坡土体中打抗滑桩，再开挖土体，利用抗滑桩替代锚杆或锚索对边坡的下半部进行支护。

3.如权利要求1所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，锚杆的选择应满足以下条件：

单根锚杆轴向拉力标准值N_t为：

式中：E_p为待开挖的傍山路基边坡的被动土压力；a为锚杆倾角；n为边坡上设置的锚杆总根数；

单根锚杆的轴向拉力设计值N_a为：

式中：γ_Q为荷载分项系数；

锚杆钢筋截面面积A_s满足：

式中：ξ₂为锚杆抗拉工作条件系数；γ₀为边坡工程重要性系数；f_y为锚杆钢筋抗拉强度设计值；K为安全系数；

锚杆锚固体与地层的锚固长度l_a：

式中：ξ₁为锚杆锚固体与地层粘结工作条件系数；D为锚固体直径；f_rb为地层与锚固体粘结强度特征值；

锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度l_b：

式中：ξ₃为钢筋与砂浆粘结工作条件系数；d为锚杆钢筋的直径；f_b为钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值；

锚杆锚固段长度为l_a、l_b中的较大值，即为max(l_a、l_b)；

锚杆总长度为锚杆锚固段长度和锚杆自由段长度之和。

4.如权利要求1所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，中腰锚杆长度需长于上、下坡的锚杆。

5.如权利要求2所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，所述设置的抗滑桩需能够承受土体推力F，其中：

式中：m为抗滑桩锚固深度范围内的设计锚杆根数。

6.如权利要求2所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，所述的锚杆自由段长度需预先判定出滑动面形迹，然后根据边坡相关规范确定。

7.如权利要求4所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，所述的边坡中腰锚杆自由段长度根据实际经验或有限元分析破坏面形迹确定。

8.如权利要求2所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，所述的抗滑桩的平面布置根据边坡的地层性质、受力大小、滑动面坡度、滑动面以上的厚度、施工条件、桩型和桩截面大小以及可能的锚固深度以及锚固段的地质条件因素综合考虑确定。

9.如权利要求2所述的傍山路基边坡开挖加固处治的反力平衡稳定加固方法，其特征在于，所述的抗滑桩桩型的选择应根据滑坡性质、滑坡处的地质条件、受 力大小、工程造价、施工条件和工期要求因素综合考虑，结合设计人员的工程经验来选择。