要求时,则需要采用适宜的方法,挖掘暑土的潜能,充分利用岩土体的自稳能力,积极调用岩土体的抗剪强度,使一定范围内的岩土体成为整个边坡工程不可分割的组成部分,以显著增强边坡体的安全系数,这就涉及到边坡加固处理问题。 1.3.1岩土边坡的加固措施
总体而言,目前较常用的治理边坡失稳的加固处理措施有:减载措施;压坡措施;排水与截水措施;混凝土抗剪结构措施;锚固措施;支挡措施等。
减载措施包括削头减载和削坡减载两种。削头减载是将边坡上部一定范围内覆盖层或岩体削掉,以降低边坡总高度;削坡减载是将边坡的坡度放缓。两种减载措施的作用都是减少边坡可能发生滑动破坏的下滑力。一般来讲,削坡措施常常受到建筑物布置上的制约,边坡不能放得太缓或根本不能放缓,而削头措施较少受到制约。减载措施的实施有主动和被动之分,主动实施是在开挖之前就已经考虑了此项措施,而被动实施是开挖过程中或开挖完成后,因边坡失稳滑塌才考虑到的补救措施。在已完成加固处理的水电工程边坡中,属于被动实施的情况最多。
压坡措施就是在边坡滑体的趾部附近人为地增强约束(用土、石或其它材料)以防止坡体滑动。一般来讲用于压坡的材料采用开挖的废弃料,该措施的使用也往往受到场地的限制。在场地允许的前提下水电工程边坡中对大型古滑坡的处理可采用该措施。排水措施可分为坡内排水措施和表面排水措施两种。坡内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。坡内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,坡内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。
截水措施包括作防渗帷幕、防渗墙等。在边坡滑体的上游侧适当位置做防渗帷幕和防渗墙可降低边坡内的地下水位,减小作用在边坡滑体上的水荷载,从而提高边坡的安全度。 混凝土抗剪结构措施包括在岩体内打抗滑桩、抗剪硐或塞等,是一种被动加固。在边坡滑体滑面位置比较明确的情况下,可采用混凝土抗剪结构措施。抗滑桩和抗剪硐或塞的使用条件不尽相同:边坡滑体的规模不大时可采用抗滑桩,一般来讲断面尺寸不大,提供的阻滑力有限;边坡滑体的规模较大、深层滑动的情况,可采用抗剪硐或塞将滑面截断,为滑体提供抗剪力,根据需要抗剪硐可以做得很大。从施工质量方面讲,由于抗滑桩为垂直开挖,可保证混凝土和周围岩体紧密结合。而抗剪硐或塞一般由水平洞室回填混凝土形成,洞顶混凝土的回填质量不易保证。根据已建工程的经验,混凝土抗剪结构均存在配筋量大、钢筋问距较密的情况,如何保证混凝土振捣的密实度是施工中应注意的问题。
锚固措施包括预应力锚固和非预应力锚1直I两种,前者是一种主动加固,后者是一种被动加固。预应力锚固是采用预应力锚索、锚杆或钢丝对岩体进行加固,通过对可能失稳的岩体主动施加压力,提高滑动面上的抗剪参数和阻滑力(通过提供正压力、反向力实现),从而实现提高边坡的抗滑稳定安全度。非预应力锚固是采用砂浆锚杆、树脂锚杆等对边坡岩体进行加固,通过提高滑动面上的抗剪参数和阻滑力(通过提高抗剪力实现)来实现提高边坡的抗滑稳定安全度。
支挡措施包括挂钢筋网、喷混凝土或喷钢纤维混凝土、挡土墙和混凝土护面等,是一种被动加固,是从外部解决边坡滑体的稳定问题。挂钢筋网、喷混凝土或喷钢纤维混凝土的作用是覆盖边坡岩体表面、支撑岩体,除喷钢纤维混凝土极少采用外(小浪底工程进口高边坡上得到了应用),其它几项在水电工程边坡中应用非常普遍。水电工程边坡中混凝土护面用得较多,其主要作用是封闭表面,防止雨水下渗和表面岩体风化,同时兼有对边坡滑体的支
挡作用。挡土墙的主要作用是防止边坡表面坍塌造成的危害,一般用在己有结构物限制的部位。挡土墙在公路和铁路边坡的处理中用得较多,而在水电工程边坡上用得相对较少。
1.3.2岩土边坡的锚固设计方法
边坡锚固设计一般分为以几个步骤:潜在滑移体的位置、大小、和滑动力的识别与计算:加固滑移体锚固力计算;锚固参数与施工工艺的确定与优化。
边坡滑移体和滑动面的识别是边坡加固设计的重要一步,它是锚固力计算和锚固参数的设训基础:岩十边坡一般可分为土质边坡和岩质边坡。这两类边坡的区别就在于它们的滑移面的差异。对于土质边坡””,最常见的破坏面呈圆弧或螺旋状。但当土质中潜在软弱面或夹层,部分滑面可能沿着这些弱面滑动。对于岩质边坡,边坡内部的断层、节理等不连续结构面控制着边坡的稳定,而潜在的滑移体一般为这些结构面作为边界而切割而成的楔体等。当坡体内不存在控制性结构面或结构面不足以形成潜在的滑移体时,对于高陡岩石边坡,滑移体的部分滑坡可能由应力集中追踪破坏所形成的曲面滑面。
目前,对于土质边坡的滑移体的确定,已经积累一定的经验,例如上部滑面一般为坡顶张裂缝,中部滑面一般为圆弧面或螺旋面,下部坡脚一般为滑移体的滑出部位。但在确定张裂缝的位置、深度、滑出位置时,仍存在很大程度的不确定性。
岩质边坡的潜在滑移体的识别,是建立在边坡工程地质研究的基础上。对于简单的地质构造面,如结构面与边坡面产状一致,或接近于一致,根据结构面的倾角,可以初步判断边坡可能发生平面滑动。对于地质结构较为复杂时,可以采用赤平投影或块体理论进行可移动块体的识别。
数值方法的应用能够比较准确地确定滑移体的位置和大小。由于滑移面一般在滑动前发生塑性屈服或流动,并伴随着相对大的弹塑性位移,因此,通过不断加大边坡载荷或改变岩体参数,逐步模拟潜在的滑移体的发生、发展过程,以及为之大小。
锚固参数一般包括锚固类型、锚固参数(锚杆长度、间、排距、锚固方向、锚固段长度、锚固材料、施加的预应力等),以及锚固施工工艺等。
在初步确定了锚固类型的基础上,还要对锚固参数和施工工艺的优化。一般情况下,优化的目标是锚固工程的总费用或总工程量,同时要考虑施工的方便和工程质量的保证,并考虑到工程对周围环境的影响。
1.4锚杆喷射混凝土加固技术应用现状
锚杆喷射混凝土加固技术是一项先进的、被国内外地下工程围岩支护中广泛采用的支护技术,也是国家重点推广的一项新技术。随着科学技术的发展,锚喷加固技术的应用在地下
工程中己从一般稳定性较好的通道、峒室扩展到一些特殊的、围岩软弱破碎的通道峒室工程;在地面工程中,也己从加固路堑、加固建筑物基础扩展到土岩边坡的加固。
20世纪90年代锚杆喷射混凝土加固技术逐渐发展为一种边坡加固新技术,并成为建设部重点推广的十大新技术之一。几年来在全国各地得到广泛的推广和应用。它能与多种支护技术联合使用,具有技术理论先进、安全可靠、价格偏低、快速灵活、不占独立工期、综合效果好等突出优点。
作为一种新型的边坡加固方法,锚喷加固是一种有效的岩石边坡坡面工程防护措施,它将喷射混凝土技术和全粘结注浆锚杆结合起来,依靠锚杆、钢丝网和喷射混凝土共同负荷来提高边坡岩体的结构强度和抗变形刚度,以减少岩体侧向变形,增强边坡的整体稳定性和耐久性,从防护与加固的角度整治高陡岩石边坡坡面易产生的坠石、崩塌、滑落等病害。它适用于岩性较差、坡面岩石易风化,坡面岩体切割碎破碎严重的硬岩式岩状结构的不连续地层及坡面岩体与基岩分离、节理发育易受自然营力影响而产生危害的岩石边坡坡面防护。锚喷加固既有抑制边坡岩面有害变形的一面,又有适应边坡变形的一面。
锚喷加固边坡就是在坡面上按一定间距、行距和一定的角度、深度,设置一定数量的锚杆,而后布上钢筋网,喷射混凝土,形成锚杆与薄壁钢筋混凝土联合作用的边坡加圆体系。喷射混凝土面板与锚杆及锚杆间的岩(土)体,组成一个复合体,天然岩(土)体通过岩(土)层锚杆,就地实施加固并与喷射混凝土面板形成了一个复合挡墙,以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力,从而使得坡面达到稳定。这就是锚喷加固的宏观力学机理。、
锚喷加固法融合了锚杆挡墙和加筋挡墙的长处,将喷射混凝土、锚杆和钢筋网三者有机地结合起来。钢筋网布设在喷射混凝土中,将加强筋与锚头焊接一处,锚杆则深埋于压力注入的水泥砂浆内,在高压力的作用下,水泥砂浆与土(岩)体紧密地嵌固在一起。它具有以下特点: (1)技术先进
锚喷加固法是采用主动支护结构,将被加固岩(土)体通过与锚杆相连的钢筋网、喷射混凝土面板与稳定岩(土)体紧密结合一起,形成一连续、稳定的加筋重力式挡墙,充分发挥了加固区岩(土)体的自承能力,显著提高了边坡整体稳定性。
(2)施工操作简单
喷射混凝土防护施1操作简单,占地面积少,施j¨速度快,它将混凝土的输送一灌浆 一捣固合为一道工序,不仅减轻了工人的劳动量,又不要用任何钢一木支撑和模板。 (3)压浆固化层的止水作用
由钢筋网和细石混凝土组成的面板起到对岩土体的封闭的作用,既有效地抵抗雨水和地表生活漏水的冲刷,又防止雨水沿裂缝及其地质通道渗入而导致塌落,使边坡壁面形成较强的防护层。
(4)环境影响程度低
喷锚护壁的强度凝固时间较短,一般7~15天基本完成,边坡变形趋于稳定,且变形量小,故对基坑邻近的建筑物影响不大;加之施工机具简便,施工噪音、振动均较小,更无废弃浆液的污染。尤其对于放坡困难、施工场地狭小的工程而言,尤其显示其优越性。 (5)受力性能好
使用锚喷加固法时,锚杆嵌入岩土体中,对岩土体主动支护,通过浆一杆联合作用,提高了岩土体的强度与整体性。喷射混凝土于岩土体表层间在高速喷射下产生嵌固作用,加强了两者的作用。同时钢筋网调整了锚杆和喷层的应力分布,既保护了岩土体的整体性又有一定的柔性,容许岩体有一定的变形。
锚喷加固法和土钉墙法(又称锚钉墙法)在某些施工工艺上有相似之处,有些文献还将锚喷网支护称为新型土钉,但锚喷网支护与土钉墙无论在锚杆与土钉的构造与作用机理,还是设计与使用条件均不相同。从构造上讲,锚杆一般分为内锚固段、外锚固段、自由段(即张拉段),而土钉不分段。锚杆通常较长,其内锚固段一般位于滑线以外的稳定土内;而土钉一般较短(3~l0m),土钉的内端大都置于滑移线以内或附近。锚杆的设置间距相对较大,土钉则要密得多。从工作原理来看,在较好的岩土层中,锚杆以平衡不稳定体压力为主,在特殊不良地质体中,则以改造介质物理力学性质为主;而土钉墙大体可以归入加筋土的范畴,设置土钉的目的旨在重塑一个新的稳定地质体。
近年来锚喷加固法因其良好的整治效果、可实施性强、施工简便、相比其他加固措施经济合理而得到广泛应用,如三峡永久船闸主体段高边坡工程规模之大、技术难度之高均为国内外边坡工程所罕见,在加固过程中,采取了喷混凝土、挂网锚杆、系统锚杆等加固方法。高速公路与铁路边坡,也使用锚喷加固边坡.肖勤学对锚杆与锚喷加固的作用进行了实验研究,结果表明,锚喷技术用于加固围岩有显著的加固效果,尤其表现在非常明显地控制岩体位移的作用.但由于目前对其在高边坡加固中的作用机理尚未完全弄清,导致锚喷加固的设计方法及参数的确定方法不一致,陈建平等根据在湖北京珠高速公路大悟段岩质高边坡和湖北襄十高速公路武许段的岩质高边坡应用锚喷支护的经验,也对应用锚喷支护的几个问题提出过探讨。实践证明,应用喷锚支护技术进行高陡岩石边坡坡面防护,能从防护与加固的角度整治高陡岩石边坡的病害,从而提高岩石边坡的整体稳定性和耐久性。同时,在经济效益上,根据国内外的经验,锚喷网支护的造价比桩墙支护节约造价10%~30%,比灌注桩支护节约造价20%~50%。
目前,我国岩质边坡锚喷加固设计与施工规范尚未建立,而《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086—2001)的实施对象为硐室,与边坡有较大的差别。这给锚喷加固设计与施工的规范化带来困难。所以,有必要对锚喷加固理论、成功实施的实例、实旌中的问题等进行认真的研究与总结,以使锚喷加固方法在岩质边坡工程中得到更广泛的应用。 1.5本文的主要研究内容与思路
岩体是一种极为复杂的介质,对其所包含的丰富的地质内容、变形及强度特性和力学特性,认知水平还远未达到充分和完善的程度。因此,对岩质边坡的稳定及加固处理研究是十分迫切的。
本文的主要研究内容有以下几方面:
(1)对岩质边坡失稳破坏的模式进行探讨,主要针对滑动破坏的情况分析其稳定性。用刚体极限平衡法推导稳定系数计算公式。用非线性有限元方法对边坡稳定安全度进行间接法分析。
(2)研究锚杆喷射混凝土加固边坡的作用机理,并简述其设计方法。
(3)锚杆喷射混凝土加固边坡的效果与评价:用刚体极限平衡法推导边坡加固以后的安全系数计算公式。用数值分析方法,建立锚杆喷射混凝土和岩土体相互作用的有限元分析模