改扩建项目既有高边坡加固设计案例

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在改扩建项目中很多既有高边坡因为比选论证及地质选线对比后选择单侧拼宽而保留既有高边坡，但这些高边坡在既有高速上防护方案、稳定性需要结合规范进行重新评估，以确定是否进行加固，比如北方某高速公路工程中，原高边坡设计认为该段为强中风化高边坡采用光面爆破后裸露，运营期随着运营年限的增长岩质边坡进一步风化，出现了碎块石落石情况，但是改扩建后由于路基单侧拼宽该侧边坡未动而未结合调查及多年养护情况进行边坡加固设计，以致于改扩建后该侧有较大的落石风险，因此改扩建项目中未动边坡的加固设计反而比平行开挖新建高边坡的设计更为繁杂，需要考虑的东西也更多，尤其是设置了支挡防护的高边坡，应根据边坡检测报告及历年养护报告进行综合评估，以确定能保证全寿命周期运营安全。

下面和大家分享一个既有高边坡加固的设计案例。

（1）既有高边坡情况、加固变形历史调查

该段高边坡位于低山丘陵地貌，植被茂盛，本工点右侧边坡为5级坡。根据调查及竣工图，每级边坡高10.0m，边坡平台宽3.0m，第一级边坡坡率1:0.5，第二级至第五级边坡坡率1:0.75，边坡均设浆砌片石护面墙。第二级、第三级设有4束φ15.2mm预应力锚索四排，水平间距4m，长度20m，锚固段10m，倾角25°，锚索锁定于地梁上，张拉力为500KN，地梁顶面与护面墙齐平。

地表为灰岩夹块石的黏性土，下伏基岩为灰岩，节理裂隙、岩溶现象较发育，岩溶及节理裂隙中充填黏性土，在锚索钻孔中，基岩为弱风化灰岩，节理裂隙发育，岩层产状345°∠50°，节理产状30°-40°，∠40°-50°，属于构造型节理，节理面为褐黄色，较光滑，部分节理面有1-3mm厚的泥质充填，沿此节理面两侧岩层较破碎。

本工点地层主要为灰岩，含岩溶溶洞水和基岩裂隙水，雨季锚索施工时，大部分钻孔中有地下水出露，水量较大，一级边坡常年见有裂隙水出露。

根据历年定检报告及《高速公路边坡检测报告》，并与养护部门进行沟通交底，该高边坡施工完成后无病害历史，支护系统及排水系统基本完好，但锚索抽检4根，2根预应力损失严重，1根因自适应变形预应力大于锁定力。

（2）高边坡现状特点分析

本段路线推荐方案为保留该段高边坡，对左侧路基进行拼宽，目前该高边坡处于基本稳定～稳定状态，拟对此边坡进行现状稳定性分析以确定加固设计方案。

综上，本高边坡目前的主要特点如下：

①高边坡坡体整体稳定性较好，之前未发现病害历史，这说明原高边坡防护方案与设计坡率合理，根据该高边坡岩土体组成，上部为块石土，下部为中风化灰岩，潜在滑动面为土岩接触面，竣工图设计中也是根据土岩接触面确定锚索长度，原设计合理；

②根据锚索检测结果，地层的锚固能力均满足设计要求，这说明锚固段置于稳定地层中，锚固条件较好，分析锚索预应力损失主要有以下几点：

I：锚头夹具产生的预应力损失。由于工程竣工时间较早，锚具为常规锚具，普遍存在较严重的钢绞线回缩问题；

II.混凝土收缩及蠕变产生的预应力损失。锚索的锚头端固定在地梁上，混凝土本身具有收缩蠕变性质，受到较大压力后会产生一定量的压缩变形引起的预应力损失；

III：降雨。应力集中区域主要集中于靠近自由段的锚固段和锚头以下的坡体表层区，降雨对预应力的影响主要体现在降雨时雨水沿裂隙进入坡体，导致坡体的抗剪强度降低，孔隙水压力增加，坡体稳定性下降，产生微量位移导致预应力被动增加，雨后随着水排出被动增加的预应力逐渐消散；

③根据以上的预应力损失分析，可从以下几方面进行优化：

I.材料选型。锚索材料选用目前广东省广泛推广的带螺纹可调式的低回缩锚具；

II.尽量采用格构梁。对于上部破碎的台阶坡体，采用格构锚固提高承压梁与坡面接触面积，整体刚度增大，以减少局部压缩徐变；

III.采用压力分散型锚索。使锚固段剪应力更均匀，改变锚固区域的应力集中，并采用二次注浆；

IV.合理设置锚索间距及超张拉。在结构强度许可的情况下，采用超张拉方法，超张拉预应力为设计值的5％-10％；

V.增设仰斜式排水孔。改善雨季坡体内部排水环境。

综上，本高边坡主要的潜在破坏模式为上部碎石土沿土岩接触面发生的折线形滑动破坏，对现状边坡稳定性进行评价，充分考虑锚索预应力损失情况，以确定加固方案，同时采用以上优化措施（③中内容）减少预应力损失。

（3）定量评价依据规范

边坡稳定性要求应满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）表3.7.7及《广东省公路路基边坡防护及排水设计指南（试行）》对深挖路堑高边坡的要求，考虑路堑边坡破坏后的影响区域范围较大，天然工况下稳定系数应不小于1.30，暴雨工况下稳定系数应不小于1.20。

（4）定量评价分析方法

边坡稳定性评价遵循“以定性分析为基础，定量计算为手段”的原则，根据边坡类型和可能的破坏形式确定边坡稳定性计算方法。根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）并结合高等级公路工程建设经验，公路边坡为规则坡形边坡，可看做二维平面应变问题，本段高边坡主要破坏形式为上部碎石土沿土岩接触面发生的折线形滑动破坏，推荐采用不平衡推力法（显式）进行计算，同时计算剩余下滑力。

边坡稳定性分析工况根据项目特点及边坡基本特征，共分为2组计算工况。天然工况下的稳定性，考虑天然自重+地下水位的组合，无地下水时考虑天然自重情况下的稳定性。

关于典型断面的选取，该典型断面与前后断面相似，并可作为最不利断面或者可以代表其他断面。

（5）参数选取

分析边坡稳定性时主要岩土体物理力学参数有密度、黏聚力、内摩擦角，根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）及《广东省公路路基边坡防护及排水设计指南（试行）》，岩土体抗剪强度取值宜根据室内试验资料、监测成果反分析、极限平衡反算值、工程地质类比和当地经验综合确定分析，结合该段边坡特点及地区经验，本工点根据原施工图地勘报告及现场实际情况，依据有关规范、规程，结合本地区的工程经验，现推荐各主要岩土层的力学指标如下表：

（6）现状及加固后稳定性分析

考虑检测结果中预应力损失较大，计算中二三级边坡锚索预应力平均确定为250kN，边坡现状天然工况下稳定系数为1.25，剩余下滑力为21.41kN/m，暴雨工况下稳定系数为1.12剩余下滑力为360.34kN/m。

根据预应力损失原因，对原位锚索进行更换，锚索要求如下：

I.材料选型。锚索材料选用目前广东省广泛推广的带螺纹可调式的低回缩锚具；

II.采用压力分散型锚索。使锚固段剪应力更均匀，改变锚固区域的应力集中，并采用二次注浆；

III.采用超张拉方法，超张拉预应力为设计值的10％；

采用以上方法保证锚索预应力值达到500kN设计要求，同时根据《广东省公路路基边坡防护及排水设计指南（试行）》，锚索自由段长度受稳定地层界面控制，在设计中应考虑自由段伸入滑动面或潜在滑动面的长度不小于 2.0m，且自由段长度不得小于5.0m。锚索锚固段宜设于强风化(碎块状)及以上的稳定岩层，当锚固段需设于土层等地层时，应采取二次劈裂注浆等措施提高锚固段的锚固力。岩石锚索锚固段长度不应小于 5m，且不宜大于10m。土层锚索锚固段长度不得小于8m，且不宜大于12m。

结合本段高边坡特点二级边坡锚索拆卸重新施打后的长度保持20m不变，三级边坡锚索长度由20m增长至22m，锚固段长度均为10m。

经计算，锚索重新原位施打加固后天然工况下稳定系数为1.30，暴雨工况下稳定系数为1.17，暴雨工况下仍未满足设计安全系数要求。

根据检测报告分析，部分锚索预应力检测相较设计锁定荷载增加的情况，这说明边坡在暴雨工况时发生了微量变形，同时根据地层组成一级至五级均为碎石土+灰岩的组合，一级边坡坡率1:0.5较陡，且坡脚往往是应力集中最大且最容易剪出的位置，据此在二三级边坡锚索重新施打的基础上，对一级边坡采用锚索框架梁防护，锚索长度为20m，倾角与上部边坡一致为25°，锚索框架梁采用3m*3m间距。

加固后天然工况下稳定系数为1.42，暴雨工况下稳定系数为1.28，均满足设计安全系数要求。