一种抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是一种抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法。
背景技术
当今，滑坡地质灾害是公路工程建设中的常见问题，基于前期勘察的公路设计，在可研阶段就需要充分认识其岩土特性，定性研究潜在滑坡及其对工程影响。在建设过程中严格按照规范和相关标准作业，同时辅之以有经验的岩土工程师进行设计和指导，诸如滑坡类问题是可以避免的。后期运行中，一般情况下潜在滑坡也是可以防治的。总的来说，从工程建设可研阶段、建设过程及后期运营阶段来看，只要前期调查充分工作严谨，公路建设中的滑坡问题是可以发现和避免的。但是，工程建设中层出不穷的问题，分析其原因之一是建设和施工单位严重缺乏有经验的岩土工程师，二是施工过程中没有严格按照规范作业，又或是对于盲目建设和作业可能产生的后果认识不足造成的。这些种种不利因素的存在，使得公路边坡往往随着建设过程的进展不断产生新问题，尤其是软岩和松散体类边坡极易受工程扰动导致滑坡，需要不断投入人力物力和费用进行整治，使得建设者们面对滑坡问题显得十分被动，同时也为公路后期的运行管理埋下了很多隐患。
从滑坡发生的可能性来说，自然条件下以软岩和松散体为主的边坡，一般自身强度极低且节理裂隙发育，在雨水软化作用条件下极易产生滑坡。从滑坡问题的工程处置方式来说，公路边坡普遍采取分级分段的切坡方式，待全部切坡完成后再采取工程加固处治措施，但是针对软岩、松散堆积体类边坡，这一处治方式往往是进行下部切坡时，上部边坡就产生变形失稳迹象，待分级、分段、切坡全部完成后，上部已切坡岩体在持续变形过程中岩土体强度也大幅度下降，这样的加固处治不能达到预期效果，而且随着时间的推移，边坡上局部变形失稳范围不断扩大，最后导致滑坡使得已加固的措施被摧毁，这属于典型的被动处治方法。这种现有的公路边坡处治方法，既浪费已施工完毕的工程加固措施，又没能及时阻止边坡潜在滑动面的弱化，以至边坡滑动范围不断扩大，同时也延缓了工程进度。
从软岩及松散体边坡类的滑坡来看，当边坡前缘有变形裂缝产生时，边坡后缘坡体也将逐步变形并导致坡体强度下降，此后滑坡逐级向上向后发展，使得一个开始范围较小的局部滑坡变成一个范围扩大数倍甚至数十倍的滑坡，这便是牵引滑动的典型特征。公路边坡采用分级分段切坡后再进行处治的常规方法，一方面改变了原自然坡的状态，使得局部坡体在切坡后变陡，致使切坡上部原自然坡体产生变形，坡体内节理裂隙随即不断变形扩展，随着时间的累积坡体的强度也将逐渐下降；另一方面，切坡可能使潜在滑动面临空，或导致边坡的潜在滑动面强度降低，即使坡体强度不发生变化，也将导致切坡面的稳定性下降并可能产生受潜在滑动面控制的滑坡。再者，切坡导致的坡体裂隙扩展，使得强降雨条件下雨水更易沿裂隙下渗，在多次干湿交替作用下潜在滑动面容易软化造成滑坡风险。最后，分级分段切坡进行时，一般是从上往下进行，但往往切坡进行到坡体下方时，上部切坡部位的坡体就发生变形失稳，这是由于工程处治措施严重滞后于坡体失稳变形过程所导致的滑坡。
由现有方法手段来看，针对软岩和松散体类边坡的滑坡防治采取先切坡后处治的方式，是不合理不科学不经济的。如何有效解决这一问题，尤其是对于很多不应该出现和可控范围的问题扩大化的问题，是始终贯穿于公路整个生命周期的岩土工程难题。从处治手段来看，目前岩土工程的各种治理加固方法较为多样，但从岩土问题处治时间的选择来看，切坡在前处治在后是不适合这类边坡体的。自然界软岩和松散体类边坡有其自身的稳定性，这一类滑坡失稳的发生是由于工程切坡施工扰动了自然物质本身的平衡造成的。这些边滑坡问题需要引入新方法即主动加固设计理念加以解决，若能在工程边坡切坡前或者切坡完成后就立刻主动介入，无疑可以提前预防滑坡问题的产生或者使其处于可控状态。
目前尚无有效的采用锚索框架对边坡进行加固的边坡主动加固方法文献。现有技术中对于潜在的不稳定边坡的加固设计，通常都是在边坡开挖后的被动加固，由于岩土本身的初始强度没有得到充分调动，失去了边坡加固的最佳时机，之后随着坡体开挖卸荷，导致变形持续发展，进而引起岩土强度下降，极大增加了被动加固的工程量，且有引发边坡失稳的风险。因此需要建立一种快速、简便、准确的边坡主动加固设计方法用于解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法，用于解决现有技术中缺少对于潜在不稳定边坡进行有效主动加固方法的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法，其步骤包括：S1、对边坡进行软化前后的力学参数进行测定，得到初始岩土力学参数和软化后岩土力学参数，根据边坡地貌、工程切坡条件以及初始岩土力学参数建立二维地质概化模型；S2、将软化后岩土力学参数带入二维地质概化模型，计算出第一安全系数F1，并判断是否进行主动加固；S3、二维地质概化模型由下至上包括稳定地层和潜在滑动层，根据潜在滑动层的状态，设置若干抗滑桩与锚索框架的联合加固方式及加固参数；S4、将初始岩土力学参数带入二维地质概化模型中，通过极限平衡法对加固后的边坡计算出第二安全系数F2，并判断是否符合工程稳定性。
其中，S1步骤中，初始岩土力学参数和软化后岩土力学参数均包括容重、粘聚力和内摩擦角。
其中，S1步骤中，建立二维地质槪化模型之前还包括步骤：边坡岩土软化后，任一项软化后岩土力学参数相对于初始岩土力学参数的下降幅度大于20％时，则判定进行主动加固。
其中，S1步骤中，二维地质概化模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，并以点-线-面自下而上的方式进行建模。
其中，第一安全系数F1为抗滑力与滑动力的比值，F1≤1时需要进行主动加固，F1>1时无需进行主动加固。
其中，S3步骤中，锚索框架包括框架梁和若干锚索，框架梁呈矩阵方式排布，若干锚索均匀设置于框架梁的一侧；若干抗滑桩呈竖直阵列方式排布，抗滑桩与锚索均贯穿潜在滑动层后嵌入稳定地层中。
其中，潜在滑动层为软岩时，锚索在稳定地层中长度为抗滑桩在稳定地层中长度的三分之一；潜在滑动层为松散堆积体时，锚索在稳定地层中长度为抗滑桩在稳定地层中长度的二分之一；相邻抗滑桩的间距为抗滑桩截面宽度的3～5倍。
其中，锚索框架的加固方式为，采用矩阵式的锚索框架嵌入边坡进行加固，且与二维地质概化模型中边坡的分级相适应；锚索框架的加固参数满足条件为，锚固长度为锚索嵌入稳定地层的长度，且锚固长度与锚固力要求相适应；框架梁间距为H/(4sinα)，其中H为二维地质概化模型中边坡分级高度，α为二维地质概化模型中边坡倾角。
其中，第二安全系数F2为抗滑力与滑动力的比值，F2≤1时不满足工程稳定性，F2>1时满足工程稳定性。
其中，S4步骤后还包括：当F2≤1时，重复S3和S4步骤，调整抗滑桩与锚索框架的联合加固方式及加固参数，直至第二安全系数F2>1。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法，该方法考虑了工程开挖前后的岩土物理力学参数变化，分级开挖后采用抗滑桩和锚索框架联合的方式，对不同潜在滑动层状态下的边坡提出了适应的主动加固方式，将岩土初始状态的强度有效利用起来，避免了由于开挖后坡体变形软化而导致的岩土强度大幅下降问题，实现了对不同状态下边坡的有效主动加固；同时合理利用边坡原有抗滑力，减少设计加固力，降低工程加固费用，且能够有效保护坡体植被资源不受破坏。
附图说明
图1是本发明中抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法一实施方式的流程图；
图2是本发明中实施例1的联合式主动加固方式的结构图：a为剖面结构图，b为俯视结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明中抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法一实施方式的流程图，本发明中抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法，其步骤包括：
S1、对边坡进行软化前后的力学参数进行测定，得到初始岩土力学参数和软化后岩土力学参数，根据边坡地貌、工程切坡条件以及初始岩土力学参数建立二维地质概化模型；本实施方式中，初始岩土力学参数和软化后岩土力学参数均包括容重、粘聚力和内摩擦角等，这些参数可以通过常用的环刀实验、三轴实验、直剪实验等方式进行测定，在此不做赘述；二维地质概化模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，并以点-线-面自下而上的方式进行建模。
本步骤中，建立二维地质槪化模型之前还包括步骤：边坡岩土软化后，任一项软化后岩土力学参数相对于初始岩土力学参数的下降幅度大于20％时，则判定进行主动加固。
S2、将软化后岩土力学参数带入二维地质概化模型，计算出第一安全系数F1，并判断是否进行主动加固；本实施方式中，第一安全系数F1为抗滑力与滑动力的比值，可通过常用的软件算法计算得到，F1≤1时需要进行主动加固，F1>1时无需进行主动加固。
S3、二维地质概化模型由下至上包括稳定地层和潜在滑动层，根据潜在滑动层的状态，设置若干抗滑桩与锚索框架的联合加固方式及加固参数。本实施方式中，锚索框架包括框架梁和若干锚索，框架梁呈矩阵方式排布，若干锚索均匀设置于框架梁的一侧；若干抗滑桩呈竖直阵列方式排布，抗若干抗滑桩竖直设置于边坡坡脚处，且若干抗滑桩与框架梁靠近坡脚处的边框相平行，抗滑桩与锚索均贯穿潜在滑动层后嵌入稳定地层中。
锚索框架的加固参数满足条件为，采用矩阵式的锚索框架嵌入边坡进行加固，且与二维地质概化模型中边坡的分级相适应；锚索框架的加固参数满足条件为，锚固长度为锚索嵌入稳定地层的长度，且锚固长度与锚固力要求相适应；框架梁间距为H/(4sinα)，其中H为二维地质概化模型中边坡分级高度，α为二维地质概化模型中边坡倾角。
对于不同的潜在滑动层的状态，本发明中采用了不同的优选配制方案。潜在滑动层为软岩时，锚索在稳定地层中长度为抗滑桩在稳定地层中长度的三分之一；潜在滑动层为松散堆积体时，锚索在稳定地层中长度为抗滑桩在稳定地层中长度的二分之一；相邻抗滑桩的间距为抗滑桩截面宽度的3～5倍，针对不同潜在滑动层的状态能够达到更好的主动加固效果。
在S3步骤中，边坡开挖后立即在第一级边坡上设置抗滑桩，然后在第二级以后的边坡上依次进行锚索框架施工，加固后再开挖下一级边坡，逐级进行锚索框架施工；采用抗滑桩设置在开挖边坡的坡脚，在穿过边坡潜在滑动面后锚固在滑动面以下的稳定地层的设定深度处，以抵抗滑坡推力的作用，凭借锚索与周围岩土的共同作用，将滑坡体的推力传递到滑动面以下的稳定地层，利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡边坡下滑推力，可控制开挖后坡体的变形，从而避免岩土强度的大幅下降，达到对边坡主动加固的效果。
S4、将初始岩土力学参数带入二维地质概化模型中，通过极限平衡法对加固后的边坡计算出第二安全系数F2，并判断第二安全系数F2是否符合工程稳定性；其中，第二安全系数F2为抗滑力与滑动力的比值，F2≤1时不满足工程稳定性，F2>1时满足工程稳定性；当F2≤1时不满足工程稳定性，重复S3和S4步骤，调整抗滑桩与锚索框架的联合加固方式及加固参数，可反复对加固效果进行修正，直至第二安全系数F2>1，使最终的主动加固效果满足工程稳定性。
上述抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法，是在边坡开挖后立即采用上述锚索框架加固方案进行主动加固施工，这是预先防范阶段；如果边坡已经开挖，并发生小规模破坏，则采用抗滑桩与锚索框架的联合加固方案对边坡重新进行主动加固，这是补救阶段，此时岩土物理力学参数已经发生下降，针对小规模破坏后的边坡，重复S1～S4步骤，对边坡进行补救加固；如果边坡已经开挖，并发生大规模破坏，原有加固措施失效，边坡加固困难极大，加固工程费用也大大增加，这是应该极力避免的。可以看出，在预先防范阶段对潜在的不稳定边坡进行相关加固操作是最有效，且成本最低的方式。
下面通过具体实施例对上述抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法的实施过程进行详细描述。
实施例1
本实施例中，所针对的边坡试验对象为某高速公路段的边坡，该实验边坡包括强风化泥岩，节理裂隙发育，遇水易软化；滑坡部位所在边坡位于线路右侧，深挖方长度约115m，形成边坡最大高度约48.6m；该深挖方开挖到一级边坡时，右侧山体发生大面积山体滑坡，开挖坡口线边距51.5m，坡口线内移约7m，滑塌裂缝线宽约1.5～3m，滑塌裂缝边距约81.2m，裂缝错台高度约2～10m左右。边坡开挖后采用锚索框架加固防护，具体过程如下：
(1)首先对实验边坡进行定性分析，综合考虑岩性、地形、工程开挖等条件，本实施例中，初步判定滑坡发生的主要原因有以下几方面：
a.滑坡区强风化砂砾岩、泥质粉砂岩风化严重，节理裂隙发育，强风化砂砾岩不整合覆盖在泥质粉砂岩上部，这为坡体发生滑动提供了有利的地质条件。
b.路基边坡开挖是导致滑坡发生的诱发因素之一，路基开挖使得坡脚失去支撑，边坡稳定性被破坏变差，导致工程滑坡。
c.水是诱导滑坡发生的重要因素之一。从现场来看，滑动面多位于强风化砂砾岩与强风化泥质粉砂岩的不整合接合面处；强风化砂砾岩孔隙发育，富水性强；强风化泥质粉砂岩孔隙性较差，具相对隔水性。上部强风化砂砾岩中的地下水在强风化泥质粉砂岩顶部富集，导致强风化泥质粉砂岩遇水强度急剧变低，造成滑体滑动，滑面特征可参见图2。
本实施例中，滑床主要为强风化-中风化泥质粉砂岩，泥质粉砂岩为灰褐色、紫红色，粉细粒结构，中薄层状构造，原岩结构构造部分被风化侵蚀，岩体上分布白色条状石膏，节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差，岩芯呈块状、碎块状、短柱状、长柱状。岩质较软，该层相对隔水，岩层产状180°∠37°。
根据这种岩性条件和地形地貌条件以及岩体类比参数经验值，其稳定性难以保证。随着时间发展，坡体变形逐渐发展，坡体的强度发生弱化。另外，由于残坡积层变形产生的裂缝，也加剧了雨水下渗的不利作用，雨水下渗软化坡体，残坡积层的强度还将继续下降，进而导致滑动范围还将进一步扩大。随着边坡前部变形的发展，后部临空，边坡呈现出明显的牵引特性，若不及时采取加固措施，滑动范围会逐渐扩大，导致加固和治理费用增加，且影响工程进度，因此应采用抗滑桩和锚索框架联合式主动加固设计方法。
在执行完定性分析后，再对该实验边坡进行岩土力学参数测定，得到初始岩土力学参数和软化后岩土力学参数，如表1所示，可看出软化后岩土力学参数相对于初始岩土力学参数的下降幅度大于20％，故需要进行主动加固，定量测试结果与上述定性分析结果相吻合。
表1边坡岩土力学参数
(2)根据边坡地貌、工程切坡条件以及初始岩土力学参数建立二维地质概化模型，本实施例中，二维地质概化模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，并以点-线-面自下而上的方式进行建模，由于Mohr-Coulomb理想弹塑性模型为岩土工程领域常用的模型方法，在此不做赘述。
(3)将软化后岩土力学参数带入二维地质概化模型，二维边坡地质概化模型的输入参数包括容重、粘聚力、内摩擦角，计算出第一安全系数F1，该第一安全系数F1为抗滑力与滑动力的比值，通过常用的软件算法计算得到，本实施例中计算得到第一安全系数F1＝0.97，即F1≤1，则判定该实验边坡需要进行主动加固。
(4)根据所建立的二维地质概化模型，设置抗滑桩和锚索框架联合式的加固方式及加固参数，请参阅图2，图2是本发明中实施例1的锚索框架加固方式的结构图：a为剖面结构图，b为俯视结构图。本实施例中，采用竖直阵列式抗滑桩和矩阵式锚索框架嵌入边坡进行加固，边坡依次被分为一级～五级，相邻各级边坡之间的坡比为1:1，锚索长度根据潜在滑动面的深度以及嵌入稳定地层的埋深确定，其具体过程和参数为：
a.抗滑桩预先加固。本实施例中，软弱层(主要为强风化砂砾岩和泥质粉砂岩)埋深约5～20m，前缘第一级边坡平台位置设置一排抗滑桩进行支挡，抗滑桩桩径1.8×2.4m，桩长20m，桩间距5m，共设置15根抗滑桩。
b.锚索框架配合加固。为防止岩体从边坡中部二次剪出，在第二级～五级边坡设框架进行加固；锚索框架加固方案具体设计参数包括框架梁截面尺寸、框架梁间距、锚索长度、锚索嵌入稳定地层的长度、布置形式，本实施例中，经试算后确定设计参数如下，框架梁的截面尺寸为预定值500cm×500cm，框架梁的布置形式为正方形矩阵，框架梁间距为3m；每级设三排锚索，每列3排，水平间距3.4m，锚索长度25～30m，锚固长度为10m，下倾角20°，设计拉力600kN。在其他实施方式中，可根据实际情况，对抗滑桩和锚索框架的加固参数进行适应性设置，在此不做限定。
(5)将上述初始岩土力学参数带入二维地质概化模型中，通过极限平衡法对加固后的边坡计算出第二安全系数F2；其中，极限平衡法是根据静力平衡原理分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性，本实施例中采用毕肖普法，考虑了土条侧面的作用力,并且假定各土条底部滑动面上的安全系数均相同，即等于整个滑动面的平均安全系数，由于该方法是工程中的常用分析方法，在此不做赘述；本实施例中采用软件所计算出的第二安全系数F2＝1.412，F2>1，满足工程稳定性，则证明前述抗滑桩与锚索框架的联合加固方式及加固参数能够对该实验边坡产生稳定的加固效果，且无需再进行调整修正。当然，在其他实施方式中，可能会遇到单次所设置抗滑桩与锚索框架的联合加固方式及加固参数不能满足工程稳定性的情况，这就需要重复(4)和(5)步骤来进行修正，使最终的主动加固效果满足工程稳定性。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种抗滑桩与锚索框架联合式边坡主动加固方法，该方法考虑了工程开挖前后的岩土物理力学参数变化，分级开挖后采用抗滑桩和锚索框架联合的方式，对不同潜在滑动层状态下的边坡提出了适应的主动加固方式，将岩土初始状态的强度有效利用起来，避免了由于开挖后坡体变形软化而导致的岩土强度大幅下降问题，实现了对不同状态下边坡的有效主动加固；同时合理利用边坡原有抗滑力，减少设计加固力，降低工程加固费用，且能够有效保护坡体植被资源不受破坏。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
