二广高速公路南阳段路堑岩质高边坡锚杆格构加固设计

摘要：本文以二广高速公路洛阳至南阳段路堑岩质高边坡,采取削方整形、锚杆格构、浆砌石护坡、地表排水等加固防护工程的设计为实例，详细阐述了锚杆格构设计计算过程。对于岩质高边坡加固设计有一定的参考意义。

关键词：岩质高边坡；稳定性分析；锚杆；格构；设计

引言

随着高速公路建设的不断发展，工程建设中路堑开挖产生的人工高边坡问题越来越多。如何安全经济、科学合理地处理好高边坡问题，对边坡治理本身及日后工程运营都具有十分重要的意义，同时也具有显著的社会经济效益。

1边坡工程地质条件概述

二广高速公路侄分水岭至南阳段开挖有一系列岩质边坡，本文选取的边坡是一个中心最大开挖深度达21m的高路堑岩质边坡。

1.1边坡工程地质条件

本高边坡所处地貌整体为中低山地貌形态，地势起伏较平缓。边坡长105m坡面产状为298°∠47°。该边坡为一岩质边坡，岩体为变质泥岩、变质页岩和变质砂岩，这3种岩体交互发育。边坡为大角度斜交坡，坡体为一倾向北东的单斜岩层构造.该边坡内部节理较发育，共见4组节理，这些节理面分布较均匀，贯通性较差，相互间少见穿透切断现象，节理面大部分延伸长度较小，多呈微张型。位于边坡左下侧还发育一条宽10cm，长20m的挤压破碎带。

1.2 边坡稳定性评价

根据高边坡地质勘察资料和边坡稳定的计算，该高边坡自北西侧向南东侧稳定系数逐步增大。西北侧1-1至4-4剖面目前处于极限平衡状态，在特殊工况时，随时可以失去稳定。中间的5-5剖面基本工况下基本稳定，但安全系数小于规定的安全运行安全系数。在特殊工况，边坡处于极限平衡状态。6-6剖面基本工况和特殊工况都能满足规定的安全运行安全系数。南东侧的7-7、8-8剖面，稳定性较好，在基本工况时安全系数大于1.3，特殊工况下安全系数大于1.0，但小于规定的安全运行安全系数。

2边坡加固设计

由路面向坡上，以1：0.58坡比削坡至坡顶；在高出公路6m处留平台。平台以采用浆砌块石护坡；平台以上为格构锚杆护坡，格构内培土植草。

2.1削坡整形设计

清除坡体表层残坡积土，按1：0.58坡比削至高出路面高程6m处，留出1.8m宽平台，平台上再按1：0.58坡比削至21m高处陡坎边缘，每级坡高不超过15m。

经削坡后，除剖面7-7，边坡的稳定性状态在基本工况和特殊工况都得到提高，但安全安全系数还未到达规定的安全运行安全系数，必须通过锚固工程来提高边坡安全系数[1]。

2.2锚杆设计

在平台以上采取锚杆格构支护。格构的纵梁水平间距3m；纵梁之间设置弧形钢筋混凝土横梁，间距为3m。在格构梁的交点设置锚杆。格构纵梁上设纵向排水沟，在框格之间植花种草，美化环境。

2.2.1锚杆设计计算[2]

①岩石侧压力计算：

式中：ehk――岩石侧向压力水平分力标准值（kN/m2）；

Ehk――岩石侧向压力合力水平分力标准值（kN/m）；

H――边坡高度（m）。

=257/（0.9×23）=12.42kN/m2

②锚杆所受水平拉力计算：

Htk=ehk×sxj×syj

式中：Htk――锚杆所受水平拉力标准值（kN）；

sxj――锚杆的水平间距（m）；

syj――锚杆的垂直间距（m）

根据工程类比，初步拟定锚杆横向间距和纵向间距均为3m，坡率1：0.58则syj=2.3m。=ehk×sxj×syj=12.42×3×2.3=85.7（kN）

③锚杆轴向拉力标准值计算：

式中：Nak――锚杆轴向拉力标准值（kN）；

α――锚杆倾角（°）。

根据规范和工程类比，取α=20°。

=85.7/cos20°=91.2（kN）

④锚杆轴向拉力设计值计算：

式中：Na――锚杆轴向拉力设计值（kN）；

――荷载分项系数，取1.3。

=1.3×91.2=118.6（kN）

⑤锚杆钢筋截面面积计算：

式中：As――锚杆钢筋截面面积（m2）；

――边坡工程重要性系数，取1.0；

――锚筋抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69；

――锚筋抗拉强度设计值（kPa）。

根据规范，采用二级钢筋。

=118.6/(0.69×290000)=0.0005927（m2）

选用φ28Ⅱ级钢筋。

⑥锚固段长度

式中：――锚固段长度（m）；

――锚固体直径（m）；

――地层与锚固体粘结强度特征值（kPa）；

――锚固体与地层粘结工作条件系数，取1.00；

――锚杆直径（m）；

――钢筋根数；

――钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值（kPa）；

――钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，取0.60。

=91.2/(3.14×0.1×150)=1.93（m）

=118.6/(0.6×1×3.14×0.028×2100)=1.07（m）

取≥1.93m

2.2.2锚杆构造设计

根据计算和规范要求，设计锚杆纵向、横向间距均为3m，设在格构交点处。锚杆直径φ28mm，锚杆长度8m，锚固体直径100mm。

2.3格构设计

2.3.1格构内力计算[3]

①纵梁内力计算

设计锚固力118kN，作为集中力作用在梁上，按弹性地基梁计算，按风化岩石取基床系数k=200000kN/m。坡高15m，坡比1：0.58，则坡长17.3m，格构节点纵向间距为3m，上端伸臂长2.3m，下端伸臂长3m。

计算结果最大剪力73.6kN，最大弯矩59.1kN。

②弧形横梁内力计算

横梁一方面受到锚杆作用力，一方面受到坡面回填土的下滑分力作用。在锚杆作用下产生的内力和纵梁计算方法相同，回填土按弧形连续梁计算，均布荷载为10.4kN/m。

计算得：锚杆作用力产生最大剪力93.1kN，最大弯矩-52.1kNm（跨中上部受拉），和25.1kNm；回填土产生最大剪力28.5kN，跨中最大弯矩8.5kNm，支座最大弯矩－17.1kNm。

2.3.2格构结构设计

取梁断面为300mm×300mm，混凝土采用C25。

①纵梁配筋计算

锚杆作用点处截面最大弯矩69.1，选用4φ22的Ⅱ级筋；

跨中负弯矩最大值18.9，选用2φ22的Ⅱ级筋；

按构造要求选择φ8@150双肢箍筋。

经校核满足强度要求。

②弧形梁配筋

锚杆作用点处截面最大弯矩40.1，选用2φ22选用的Ⅱ级筋；

跨中负弯矩最大值25.2，选用2φ22的Ⅱ级筋；

按构造要求选择φ8@150双肢箍筋。

经校核满足强度要求。

纵梁表面做排水槽，因构造需要纵梁采用高400mm宽400mm，弧形横梁为高400mm宽300mm，截面形式和配筋见附图。每隔21m设置20mm伸缩缝，填塞沥青麻筋和沥青木板。

2.4回填种植土

所有格构框格之间回填厚度为25cm的种植土，要求种植土壤有机质含量高，保水保肥，通气性能好。采用易成活、生长快、叶茎低矮的多年生草种，建议采用鼠尾草和小冠花等几种草籽混合播种，形成良好的覆盖层[4]。

2.5浆砌块石护坡设计

级平台以下采用浆砌块石护坡根据规范和工程类比，采用底宽600mm，顶宽300mm浆砌块石护坡。每隔5m设一浆砌块石肋梁。在距坡底0.5m处设置3m深泄水孔，间距3m。坡面设计美术图案。

2.6排水设计

2.6.1地表排水沟设计流量的计算

该地区50年一遇最大降雨量为70.6mm即196.1L/s・公顷，100年一遇最大小时降雨量为79.4mm即220.6L/s・公顷。

试中：Qp――设计排水流量

Du――排水沟堵塞影响系数，取1.2

φ――径流系数，取0.7

q――暴雨强度，取220.6L/s

F――汇水面积

地表排水沟设两条横向排水沟，一条纵向排水沟。第一道横向排水沟设在边坡顶部做截水沟，汇水面积为1.333公顷，第二道排水沟设在二级平台处，汇水面积为0.89公顷，

将以上面积和其他确定参数代入流量计算公式可求得实际流量分别为截水沟Q1＝0.247m3/s,第二道排水沟Q2=0.165m3/s,纵沟Q2=0.412m3/s

2.6.2排水沟设计

依据设计流量，纵向排水沟截面设计为底净宽0.4m，最小深度0.5m，顶宽0.6m梯形截面。在水流流速超过8m/s处采用沟底阶梯消能，削能台阶高0.2m，宽0.3m。截水沟截面设计为底净宽0.3m，最小深度0.5m,顶宽0.5m梯形截面；第二道排水沟以格构底梁和二级平台绿化带挡墙为排水沟侧壁，深0.4m，宽0.4m矩形截面。排水沟采用浆砌块石砌筑。

3 结论

本工程是典型的岩质高边坡加固工程，通过本加固工程的设计，得出以下结论：

（1）合理确定削方量。结合边坡勘察工程地质条件，科学确定削方坡比。坡缓虽稳定，削方量将大大增加，在天然工况下达到整体稳定，对运行安全系数不足部分通过锚固工程来提高到达。

（2）锚杆加固工程是通过锚杆与锚固体之间的握裹力，锚固体与锚孔之间的粘结力来达到的，因此，锚孔孔径、杆杆直径和长度是能否达到加固目的的关键，必须按照有关规范，通过详细计算来确定。

（3）在高速公路路堑岩质高边坡加固工程设计中，在考虑加固边坡稳定的同时，要充分考虑绿化来美化环境，避免高速公路上成片的水泥灰色形成视觉疲劳。

参考文献：

[1]刘琴.高等级公路边坡综合防护和治理概述[J].中南公路工程,2003,28(1)：108-110

[2]金掌臻，锚喷支护及其应用[J].矿业研究与开发，1999,19(Supp.)：18-20

[3]许英姿、唐辉明，格构锚固措施及其在滑坡防治中的应用[J].地质科技情报，2001，20(2)：91-94。

[4]许文年、王铁桥、叶建军，岩石边坡护坡绿化技术应用研究[J].水利水电技术，2002，33(7)：35-37。