软岩高边坡土钉支护的监测分析与优化设计

第 23 卷 第 16 期
娄国充等. 软岩高边坡土钉支护的监测分析与优化设计
成较大的误差。本文通过对软岩高边坡工程中土钉 支护结构的监测，对土钉支护的加固机理以及软岩 高边坡的最危险破裂面形式和稳定性进行了分析， 并反馈于施工，对设计参数和施工工艺作了及时调 整，较好地控制了施工过程中边坡的变形，保证了 软岩高边坡的整体稳定性。
Abstract An example of soil-nailing support is introduced for a high weak rock slope and the information from construction monitoring is analyzed based on the principle of soil-nailing support. Based on the construction monitoring，the most dangerous failure surface of high weak rock slope is provided. The slope is designed and analyzed by theory of limit equilibrium. The support parameters are adjusted and the construction period is shorted in time. The sidewall deformation is controlled at every construction stage and the whole slope stability is ensured. Key words rock and soil mechanics，high weak rock slope，soil-nailing support，the most dangerous failure surface，design optimization
(2) 土钉支护也不同于土钉墙技术。土钉墙技 术主要通过土钉的加固，使加固体形成一种近似于 挡墙的结构。土钉支护是在发挥土钉墙作用的同时， 还对加固体起到锚固的作用，即土钉支护既有支挡 作用又有锚固作用。
4 破裂面的确定
软岩边坡最危险破裂面的位置和几何形状是确 定设计方案的关键，这与边坡土类型、土体强度、 边坡形状及支护结构形式有直接关系。目前国内外 对土边坡研究较多，一般确定最危险破裂面的方法 中，应用最多的是对数螺旋线法。而岩质边坡的最 危险破裂面取决于强度弱面的分布，这与岩质边坡 的构造、节理面、岩石的破碎程度等多因素有关， 因此，岩质边坡往往存在多个潜在破裂面[6]。由于 岩质边坡结构的复杂性，其最危险破裂面的准确确 定存在很大难度[7]。为了便于理论分析，大多将岩 质边坡最危险破裂面采取简化形式。软弱岩质边坡 较土质边坡有一定的结构性，但因为其经历了长期 的强风化过程，强度和结构性远远小于岩质边坡， 所以其性质介于土质边坡和岩质边坡之间，既不同 于土质边坡，又有别于岩质边坡。
关键词 岩土力学，软岩高边坡，土钉支护技术，最危险破裂面，优化设计
分类号 TU 413.6
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)16-2734-05
MONITORING AND DESIGN OPTIMIZATION OF SOIL-NAILING SUPPORT FOR HIGH WEAK ROCK SLOPE
第 23 卷 第 16 期 2004 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(16)：2734～2738 Aug.，2004
软岩高边坡土钉支护的监测分析与优化设计*
娄国充 1 周德培 2
(1 石家庄铁道学院土木分院 石家庄 050043) (2 西南交通大学土木学院 成都 610001)
F/kN
00 100
100 200 300 400 500 600 700 800 t/d
(b) L2
F/kN
50
00
200
400
600
800 1 000
t/d
(c) L3
150
F/kN
100
50
F/kN
0
0
200
400
600
800 1 000
t/d
(d) L4
50 40 30 20 10
0 0 100 200 300 400 500 600 700 800
同时，在土钉支护的施工过程中，对周围环境的影 响也很小。因此，土钉支护技术不仅被广泛应用于 土体的支护工程中，而且在岩石边坡支护等工程中 也有推广。
土钉支护与锚杆支护技术以及土钉墙技术的主 要区别在于土钉支护不仅对岩土体有加固作用，同 时也起到锚固的作用[5]。尽管土钉支护技术应用较 为广泛，但其理论研究却远远落后于工程实践[7]， 特别是对于土钉支护软弱岩质边坡工程的研究则更 少，其设计和稳定性分析往往按土体边坡考虑，造
2003 年 4 月 7 日收到初稿，2003 年 6 月 29 日收到修改稿。 * 铁道部科研基金(铁建科工字 No.31)资助项目。 作者 娄国充 简介：男，34 岁，硕士，1991 年毕业于石家庄铁道学院铁道工程专业，现任副教授，主要从事岩土工程、道路与铁道工程的教学和科 研工作。E-mail：LGcho7@。
由土钉轴力测试结果(图 2)可以看出，土钉在每 层开挖后都有一个最大轴力。从上到下逐步开挖时， 土钉最大轴力点的位置逐渐向坡体内移动；当开挖 面远离土钉后，其轴力最大点的位置相对稳定，且 在最大点与坡面之间，土钉的轴力大小比较均匀； 而最大点的另一侧土钉的轴力逐渐减小。这表明随
图 3 为坡面各测点的时程曲线，图 4 为竣工后 边坡土压力的变化。由图 3，4 可以看出，除坡体中 部的 Y2-5 和 Y2-6 两点由于土钉轴力的加大和坡体 产生了较大变形而导致土压力较大外，其他各点土 压力都较小，同时变化幅度也不大。这些情况说明：
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岩石力学与工程学报
2004 年
(3) 从开挖的全过程可以看出，坡体上部的土 钉受到的轴力较小，而中部的土钉受到的轴力较大。 这说明了坡体上部的开挖对土钉的影响不大；而在 坡体中部开挖对土钉的轴力和坡体的变形有较大影 响。因此，在边坡实际施工时，坡体上部可适当增 加开挖深度，而对中下部的开挖，应该减小每层的 开挖高度。 3.2 土钉结构土压力分析
摘要 结合某软岩高边坡工程，对土钉支护结构的受力和位移进行了监测。通过对开挖过程中土钉所受轴力的试
验数据分析，研究了土钉支护技术的加固机理，总结出确定软岩高边坡最危险滑裂面的判据，并对其稳定性进行
了分析。根据施工过程中对边坡水平位移的监测，及时调整了边坡的支护参数、开挖深度和支护时间，控制了施
工过程中边坡的变形，保证了软岩高边坡的整体稳定。
F/kN
30
20 10
00 100 200 300 400 500 600 700 800 t/d
(a) L1 30
20
10
土压力/kPa
70
60
竣工后
50
40
竣工后 30 d
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
坡体高度/m
图 4 坡体土压力分布图 Fig.4 Earth pressure distribution of slope
图 2 为各土钉轴力随开挖时间的变化曲线，从 图中可以看出：
(1) 边坡开始开挖时土钉轴力随之产生，随着 施工进度的推进，土钉轴力逐渐增加。在距开挖面 较近时土钉轴力增加幅度较大，特别是在开挖面支 护前，土钉轴力出现陡增现象。随着支护的完成和 开挖面的远离，土钉轴力的增长率逐渐减小。
(2) 随着边坡开挖的推进，土钉的轴力分布也 发生了变化。在开挖初期，土钉轴力分布较均匀， 但每层开挖后即都有一个最大轴力点。从上到下逐 渐开挖时，土钉的最大轴力点的位置逐渐向加固范 围外移动，这说明在开挖初期引起的坡体松动范围 较小；随着开挖的进展，开挖扰动作用在坡体内产 生的松动区逐渐扩大，土钉的锚固长度逐渐减小， 坡体趋于不稳定。
Lou Guochong1，Zhou Depei2
(1School of Civil Engineering，Shijiazhuang Railway Institute， Shijiazhuang 050043 China) (2School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University， Chengdu 610001 China)
t/d (e) L5
4
F/kN
3 2
Fig.2
1 00 100 200 300 400 500 600 700 800
t/d (f) L6
图 2 高边坡施工各阶段土钉轴力分布图 Tension stress of soil-nailing in every execution stage
N/kPa
60
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2 工程概况
某线路高边坡工程所处地区地形起伏较大，地 面自然横坡的坡度为 10°～40°。地质结构为：地表 覆盖第四系残积砂粘土(Qdl+el)，厚 0～4 m；下覆三 迭系中统木兰组(T2L)泥岩夹砂泥岩，风化严重带 (W3，断层带砂泥岩，重度风化)、极其严重带(W4， 泥岩夹砂岩，严重风化)厚为 16～20 m，主要力学 指标见表 1；泥岩为泥质结构、薄～中厚状，质软； 该场地为单斜构造、层理产状为 N20°E/50°NW，受 区域构造影响，岩体破碎，扭曲严重，节理发育。 该地区 6～9 月份为雨季，雨季降雨量较大，有少量 地下水，但无地表径流。该线路以路堑形式从斜坡 地段通过，中心最大挖方深度为 13.36 m，左侧路堑 边坡最高处达 28 m，代表性断面见图 1。边坡按坡 率 1∶0.25 分为上下两级支护，平均每级高为 11 m， 中间设一宽度为 2.0 m 平台，土钉为φ 20 mm 和φ 25 mm 螺纹钢筋，间距为 1.0 m，呈梅花形布置。主要 布置的测试元件见图 1，有：土钉轴力测力计，选 取具有代表性的 6 排土钉，分别测试不同位置土钉 的轴力，用 Li-j 表示；Y2-I 为土压力盒，用于测试面 层后的土压力；B2-i 为坡面位移测点。为了避免施工 过程中的干扰，保证测点的长期稳定和测试精度， 土钉轴力和喷层后土压力采用钢铉式钢筋应力计和 钢铉式土压力盒，坡体位移采用 DM-SZ 型光电测 距仪和 J2 经纬仪组成速测仪进行测量。