松散堆积体边坡处置技术研究

张慧军，王铁权

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：张慧军（1990－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

王铁权（1989－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

摘 要：川藏公路南线（西藏境）分布着大量的各种成因的松散堆积体。由于松散堆积体极易碎落，加之公路等级较低，边坡防护措施不够完善，其沿线边坡地质灾害较多。为此，提出了微型钢管桩加土钉框架梁这种新型边坡综合处置技术，并介绍了该技术的工作原理及适用条件。针对典型路段用Midas－GTS对边坡稳定性进行了数值模拟，分析了加处置措施前后边坡的稳定性。结果表明，该技术可提高松散堆积体路堑边坡的整体稳定性，验证了该处置措施的有效性。

关键词：松散堆积体；边坡；处置技术

Abstract：Loose deposit is widely distributed along the south route of Sichuan－Tibet highway（in Tibet）．Slope disasters of－ten occur because of the broken loose deposit and the low grade highway without complete safeguards for the slope．The pa－per proposed the integrated treatment technology with micro steel pipe piles and soil nailing frame beam and its work theory and application condition．The slope stability was simulated numerically with Midas－GTS on typical sections to verify the ef－fectiveness of the technology．During simulation，the stability of the slope with or without the integrated treatment technolo－gy was analyzed．Results showed that the technology with micro steel pipe piles and soil nailing frame beam can improve the stability of loose deposit cutting slopes greatly．

Key words：Loose deposit；Slope；Treatment technology

0 引 言

松散堆积体是一种常见的不良地质体，其组成复杂、结构松散、透水性强、易被冲刷，其力学性质既不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体与岩体之间的一种特殊地质体［1］，在自然因素和人为活动的干扰下极易诱发坍滑等病害。为此，许多研究人员开展了松散堆积体边坡的防治技术研究，简文星等［2］对安乐寺滑坡前缘松散堆积体进行现场勘查和分析，并对松散堆积体防治措施进行了探讨，认为采用抗滑桩支挡结合地表排水与护坡等措施进行治理是适宜的。张吉庆［3］通过对石忠高速公路现场调查及地质勘察分析，在工程地质稳定性评价及路堑边坡前期稳定性分析的基础上，结合工程实际情况，提出了采用削坡、重力式挡土墙、土钉、土钉＋重力式挡土墙等措施处治松散堆积体路堑边坡。赵建军［4］等研究了西南地区某松散堆积体工程边坡的结构特征，采用二维有限元方法研究了开挖边坡的变形机理并根据模拟结果确定潜在滑动面，在此基础上，提出锚拉桩、锚索框架、锚杆框架、地表排水相结合的综合治理措施。黄汉彪［5－6］针对河南叶舞高速公路松散堆积体边坡富地下水且含膨胀土的特殊工程地质水文特征，通过现场调查、室内外试验、数值分析和实体工程修筑，对富地下水膨胀土松散堆积体边坡的破坏特征和机理以及柔性支护技术用于该类特殊开挖边坡处治的有效性进行了研究。

本文重点介绍微型钢管桩加土钉框架梁边坡综合处治技术的工作原理及适用条件，针对川藏公路南线典型路段应用有限元法分析了设置该处治措施前后边坡的整体稳定性。

1 工作原理与适用条件

微型钢管桩加土钉框架梁边坡防护技术横断面形式如图1所示，路线穿越厚层松散堆积体，一侧为高陡松散堆积体边坡，山坡岩石风化严重呈松散堆积状态。道路修建在较厚的松散堆积体上，微型钢管桩打入坡脚下侧形成群桩效应，上覆承台，微型钢管桩须穿过松散堆积体层打到基岩中；路堑挡墙采用仰斜重力式挡墙，挡墙扎根于承台；挡墙上边坡采用土钉框架梁进行加固防护。

1．1 微型钢管桩加土钉框架梁工作原理

微型钢管桩加土钉框架梁边坡综合防护技术综合了钢管桩、土钉及框架梁等措施，使其具有独特的使用环境。土钉对边坡土体的挤密加固作用，增加了土体的结构性，框架梁把土钉联系在一起形成一个整体。另外框架梁将边坡土体分为若干部分，内部可以进行植被防护等措施减少边坡崩塌的发生，滚落的岩块也会因为框架梁的拦挡能量有所降低，降低其对道路的危害。微型钢管桩的植入可以改善坡脚处土体稳定状况，使得上覆挡墙有一个良好的持力层，更为稳定，不至于在水流渗入、冻胀等作用下土体变形失稳。挡土墙植根于钢管桩之上，给松散堆积体开挖边坡以约束，稳固松散堆积体边坡坡脚。设置土钉框架梁可以解决坡面病害的问题，松散堆积体本身结构松散、较为破碎、无胶结能力、易滑动。土钉框架梁底部连接在挡墙之上，固定于坡面，给破碎坡体施加约束，土钉的打入改善土体的应力状况，有效抑制碎落、滑塌等病害。

1．2 微型钢管桩加土钉框架梁的适用条件

现有对于含少量亚黏土松散边坡，一般为松散堆积体的坡积体、残坡积体、冲洪积体，人工开挖边坡坡度45°～60°的松散堆积体上边坡防护。目前所采用的一般是在坡脚设置浆砌块石挡墙，坡面一般无防护。此类防护只有短期效应，治标不治本，抗灾变能力差，隐患多，长期经济性差。而且有些松散地段覆盖较厚的堆积层，普通浆砌块石挡墙无法保证边坡的稳定性，采用抗滑桩施工产生的机械、人工及物料成本大，且在高原地区施工不便，考虑以上条件将采用与抗滑桩形式相似的微型钢管桩结合混凝土挡墙加固边坡，在边坡坡面设置土钉框架梁保证坡面的土体稳定，因此采用微型钢管桩加土钉框架梁边坡防护技术可较好地解决此类松散堆积体边坡（含少量亚黏土松散边坡，人工开挖边坡坡度45°～60°）的加固问题。

图1 微型钢管桩加土钉框架梁结构示意图

图2 典型路段自然环境状况

2 典型路段微型钢管桩加土钉框架梁稳定边坡数值模拟

典型路段的自然环境状况如图2所示，该地段上边坡植被稀少，结构松散，部分路段防护措施已失效，原采用浆砌块石挡墙上加钢筋石笼挡墙处治崩塌产生的碎屑物质，现采用微型钢管桩加土钉框架梁对该边坡进行综合处治。

2．1 微型钢管桩加土钉框架梁结构设计

现将微型钢管桩结合重力式挡土墙以及土钉框架梁加固上边坡土体，作为一个整体进行边坡稳定性分析。采用参数如下：

1）边坡土质参数

松散堆积体的内摩擦角取φ＝36°，内聚力取C＝13k Pa，松散堆积体重度取γ＝20k N／m3，根据《公路挡土墙设计与施工技术规范》取填料与墙背的摩擦角δ＝0．5φ＝18°，基底摩擦系数取碎石类土μ＝0．50，地基承载力标准值取400k Pa。

2）挡土墙构造及参数

路基挡土墙采用仰斜重力式挡土墙，墙身砌体采用C20混凝土浇筑，其重度取γ1＝23k N／m3，混凝土砌体的抗压强度取20MPa，抗剪强度取抗压强度的1／20取1MPa。截面尺寸采用墙背墙面均取1∶0．25，墙高H＝5．0m，墙顶宽＝0．6m，计算得墙底宽度为1．1m。

3）钢管桩构造及参数

微型钢管桩采用成孔直径22cm，内置直径20cm无缝钢管桩，桩内采用高压水泥浆灌注，水泥强度为20MPa。为减少注浆孔对钢管强度的损害，注浆孔呈螺旋式布置，同一截面上只有一个注浆孔，孔眼直径4～5mm，注浆孔间距沿轴线30cm，钢管搭接部位使用套筒焊接，焊接高度不小于钢管桩直径的2倍。钢管桩长度拟采用20 m。钢管桩分两排交错布置，布置排距取低桩承台宽度的一半，钢管桩分别对应承台底宽度的两个四分点处，钢管桩间距取1．5m。

4）土钉框架梁构造及参数

目前土钉支护间距的选取是按照工程经验参数确定的，经验表明土钉孔径一般为10～20cm，间距一般为土钉钻孔直径的6～12倍，已有研究［3］发现，当钉长为坡高的0．6～0．9倍时，土钉的间距为坡高的0．09～0．13倍，打入土钉的倾角控制在0～5°时边坡能获得较好的稳定性与经济性。

2．2 运用有Midas－GTS的边坡稳定性数值模拟

1）模型建立

图3 未加处置措施模型

如图3所示为仅采用仰斜式重力挡墙对坡脚处进行简单处治的路堑边坡模型；图4为采用微型钢管桩加土钉框架梁后的路堑边坡模型，微型钢管桩与挡土墙之间采用刚性连接，考虑到框架梁对边坡整体稳定性的影响不是很大，本模型中没有考虑框架梁的影响。

图4 加微型钢管桩及土钉框架梁后模型

2）边界条件

模型边界：底面设置限制Y方向的约束条件，模型基岩左侧限制X方向的约束条件，其他部分均不受任何约束。

荷载设置：模型分析主要针对上边坡的稳定性问题，道路的车辆荷载无需考虑在内，只对其施加自重荷载。方向沿Y轴向下。

3）参数选取

模型建立参数选取如下表1、表2、表3：

表1 属性对应表

表2 材料参数表

表3 截面和基础特性参数

注：墙桩面—挡土墙与钢管桩接触面；墙土面—挡土墙与松散堆积体接触面。

4）网格划分

考虑到软件的计算速度和精度，将模型的应力集中部分和坡脚处进行网格加密，具体分析网格图如图5、图6：

图5 未加处置模型结构网格划分图

图6 加处置措施模型结构网格划分图

5）模型分析云图

图7所示为仅采用重力式挡墙边坡模型的位移云图，图8所示为设置综合处置措施边坡模型的位移云图。由软件分析的位移变形结果，可分别查得上边坡各级台阶处和挡土墙底部的位移值，加处置措施前后的边坡上各点的总位移量变化如图9所示，点位选取如图10所示。

图7 未加处置模型分析位移云图

如图9所示，钢管桩与土钉使边坡各点的位移变形量缩小了很多，其中挡土墙底部的位移变化最大，处置后位移量减少了71．3％，有效阻止了边坡变形的发展，钢管桩与土钉结合的处置措施极大的增加了边坡的稳定性，为道路的安全通畅提供了可靠保证。

图8 加处置后模型分析位移云图

图9 总位移量变化图

图10 点位分布图

经软件分析后的结果显示，未加综合处置措施之前边坡稳定系数为0．9375，边坡处于不稳定状态，设置边坡综合处置措施之后稳定系数增加到了1．5125，达到稳定效果。

3 结语

对微型钢管桩加土钉框架梁这种新型松散堆积体边坡综合处置技术进行了研究，介绍了该措施的工作原理与适用环境。使用MIDAS GTS软件对该处置技术进行了数值模拟，在典型路段到了1．5125，验证了该处置措施的有效性。针对同一个边坡模型，分析了加该综合处置技术前后边坡的整体稳定性，安全系数从0．9375提高

参考文献

［1］ 吴旻硕，李晓，郝健明．土石混合体原位水平推剪试验［J］．岩土工程技术，2007（4）：184－189．

［2］ 简文星，殷坤龙，等．万州安乐寺滑坡前缘松散堆积体成因与防治对策［J］．地球科学—中国地质大学学报，2005 （4）：487－492．

［3］ 张吉庆．石忠高速公路松散堆积体路堑边坡稳定性分析及处置技术研究［D］．重庆交通大，2009．

［4］ 赵建军，巨能攀，涂国祥．松散堆积体工程边坡变形机理分析及支护对策研究［J］．工程地质学报，2008（5）：611－615．

［5］ 黄汉彪．富地下水条件下膨胀土松散堆积体边坡柔性支护技术研究［D］．长沙理工大学，2011．

［6］ 黄汉彪，刘龙武．斜坡地人工松散堆积体开挖边坡柔性支护技术研究［J］．公路与汽运，2011：95－99．