基于巖質高邊坡支護的預應力錨索應用分析

李 峰 ，崔啟民 ，劉 馨 ，張 熊

（1.長江三峽勘測研究院有限公司（武漢），湖北 武漢 430074；2.湖北省電力公司檢修分公司，湖北 宜昌442000）

某水電站工程處于峽谷當中，其谷底至谷肩的斜坡高度為500m左右，完整的邊坡坡形沒有斜坡失穩(wěn)特征的發(fā)生。右岸地下廠房進水口區(qū)域的基巖多為石英綠簾石條帶，擠壓非常的緊密，且錯動面起伏較為光滑，可見擦痕。右岸塔基為弱風化下段巖體，基巖中的玄武巖體層內錯動帶、層間的發(fā)育對巖體的結構進行了控制，對巖體的力學特性和質量產生了一定的影響。工程通過對邊坡穩(wěn)定性的分析，借助邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，對預應力錨索支護措施進行了實施。對于預應力錨索支護措施的實施，首先需要分析邊坡的穩(wěn)定性。而極限平衡分析法、工程類比法是邊坡穩(wěn)定性分析常用的幾種方法。通過工程狀況的進一步分析，針對巖體力學性質，運用單一面滑動法對邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。單一平面滑動法的理論基礎是極限平衡法理論，針對邊坡巖體沿單一軟弱結構面對平面滑動進行分析。通過計算，穩(wěn)定性系數(shù)的結果K=1.137<1.3。由此可以得知，開挖后的邊坡狀態(tài)并不穩(wěn)定，必須對支護措施進行實施。

1 錨索參數(shù)的設計

如果邊坡比較的高，且潛在破裂面的位置較深，對預應力錨索進行實施則是較為有效地深層加固方式。坡比的設計中，現(xiàn)場邊坡的整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。但工程邊坡更多的部分位于風化卸荷帶內，由此形成了較為松弛的巖體結構。在邊坡巖體的發(fā)育過程中，隨機裂隙、擠壓帶、層間和層內錯動帶等結構面都非常的明顯。開挖邊坡后，會有臨空面的形成，而相互之間的切割組合關系則促成了塊體的不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.1 錨索根數(shù)

（1）確定巖體剩余下滑力可依據(jù)公式E=KF-R來進行計算，其中，K、F、R分別代表安全系數(shù)、下滑力和抗滑力。

（2）計算錨索總錨固力可依據(jù)公式Q=KBE進行確定，式中K、B、E分別表示安全系數(shù)、邊坡寬度和剩余下滑力。

（3） 單根錨索抗滑力的確定可通過P抗=Psinαtanφ+Pcosα進行計算，P表示錨索設計錨固力。

（4）錨索的根數(shù)確定通過n=Q/P抗進行計算。依據(jù)公式，分別對 600kN、1000kN、1500kN、2000kN級錨索的錨固根數(shù)進行計算，結果為2133根、1279根、853根、640根。其中，所需錨索根數(shù)最少的是2000kN級錨索，為此對2000級錨索的支護進行了實施。270級高強度低松弛鋼絞線為預應力鋼絞線，材料強度標準值為1860N/mm2，單股鋼絞線的延伸率≥3.5%，其破斷荷載為260.7kN。

1.2 錨固段的長度確定

（1）依據(jù)鋼絞線強度的選用和錨固力Pt的設計，可對每孔錨索鋼絞線的根數(shù)進行計算。公式為n=Fal·Pt/Pu，其中Fal、Pu分別為安全系數(shù)和錨固鋼材極限張拉荷載。

（2）拉力型錨索的錨固段長度確定：①依據(jù)錨索張拉鋼材與水泥砂漿粘結強度對錨固段長度進行確定，公式為Fa2·Pt/(Π·dn·τu)；②依據(jù)孔壁與錨固體的抗剪強度對錨固段長度進行確定，公式為 Fa4·Nt/(n·Π·d·τu)。 公式中，dn、d 分別為張拉鋼材外表直徑和單根張拉鋼材直徑；2000kN、1500kN、1000kN、600kN級錨索孔的直徑分別取 140mm、130mm、115mm、115mm；Nt表示單根錨索超張拉力，依據(jù)錨索張拉力的 110%進行考慮，2000kN、1500kN、1000kN、600kN 級錨索的超張拉力分別為：2200kN、1650kN、1100kN、660kN；錨孔壁對砂漿的極限剪應力為τ。通過計算，得知錨索的錨固長度無法滿足標準條件，為此取τu為1.2MPa，確定錨固最終長度為5.2m。

通常來講，對于壓力分散型錨索而言，錨固段的長度沒有限制，隨錨固段長度的增加，錨索承載力能夠有所提高。所以，在孔壁阻力較低的軟弱巖土中，可對該類錨索進行應用。強度計算促使對漿體抗壓要求的滿足，若漿體抗壓要求不能滿足，就要通過錨索孔數(shù)的增加、錨索間距的減小、孔徑的加大、漿體抗壓強度的提高以及載體個數(shù)的增加等措施對其進行調整。

1.3 錨索布置

通過工程巖性特征和地質條件的分析和掌握，結合施工條件，對間距、層距分別為4m和5m的錨索進行選擇，避免群錨加固第二效應的發(fā)生。3～4排錨索在臺階的坡頂下方進行設置，對錨邊的變形進行限制，梅花型布置錨索。錨固角是預應力錨索與水平面的夾角，下傾通常為15°～30°。

2 預應力錨索支護結構的特點

（1）錨索對邊坡體外空間的占用較小，通過錨索對邊坡進行治理，能夠充分促使工程土地的利用率。

（2）錨索的設置比較靈活，能夠依山就勢進行設置。針對高陡邊坡，依據(jù)坡體自身的地形，在坡面進行隨機的設置，促使錨固作用的有效發(fā)揮。對于單一的抗滑樁和擋土墻而言，其支擋結構容易受到使用條件的限制，如果工程為高陡邊坡就無法達到一定的支護作用。

（3）拉力型錨索的結構非常簡單，施工操作方便且造價較低，對其加固結構形式進行運用，不僅高效，而且經濟實用。

（4）預應力錨索為主動支護體系，通過預應力的施加，對巖土體的變形進行控制，促使巖土體狀態(tài)的有效調整，對巖土體的穩(wěn)定非常有利。與此同時，巖土體產生變形前，預應力錨索的作用就能夠得到發(fā)揮，與抗滑樁、擋土墻等支擋結構相比，效用非常的高。

（5）對于預應力錨固技術而言，其借助巖土體的自承能力和強度，能夠促使結構自重的大幅度降低，對工程材料的節(jié)省非常有效，可促使成本造價的有效控制。

（6）風化巖體的應力釋放后，會出現(xiàn)大的變形，可借助鋼筋混凝土薄壁墻對其變形量進行限制，且這種特性時刻體現(xiàn)在施工中及完工后，當開挖實施時，邊坡頂出現(xiàn)的變形在施工后可停止。

3 邊坡支護過程的控制

（1）分層分段嚴格的對邊坡開挖及支護進行逆作法實施，當上一段支護工程完成之后，在錨索張拉完成的條件下對下一段邊坡進行開挖。分段長度通常

（2）依據(jù)干成孔法進行錨索成孔的實施，壓漿管伸至孔底進行壓漿，一次性由下到上壓滿，漿液回落的過程中，在孔口進行補漿，促使?jié){液的飽滿，同時對錨索防腐措施進行嚴格的實施。

（3）張拉實施時，混凝土、水泥砂漿強度必須達到80%；依據(jù)二次四級進行錨索張拉的實施，每二次張拉、每二級張拉的時間分別不小于3g和15min；對張拉設備標定之后在進行張拉的實施，同時對張拉過程進行嚴格的監(jiān)控。

（4）施工過程中，依據(jù)動態(tài)設計、信息化施工的管理原則進行實施，定期對邊坡的變形狀況進行監(jiān)測，如果有變形異常現(xiàn)象的發(fā)生，就要采取措施進行處理。

4 錨固效應及加固效果

4.1 錨固效應

通過錨固巖土體的結構效應、力學效應、物理效應，可以對錨固效應進行反映，錨固的作用包括兩種，一種是提供反力給圍巖表面，對巖體向臨空方向的變形進行約束；另一種是促使巖體整體穩(wěn)定性的提高。

（1）物理效應：通過加錨巖土體一系列數(shù)的變化，對錨面的物理效應進行體現(xiàn)，其中彈模增加較大的是多裂隙巖體，而影響較小的是整體塊狀結構的巖體，巖體的滲透系的規(guī)律也是如此。

（2）力學效應：預應力的施加之后，可以對巖土錨面的力學效應進行體現(xiàn)，從而促使圍巖應力的二次分布，對巖體剛度的提高非常有利。通過多點位移的觀測，張拉鎖定錨索后，巖體的壓縮效應就會有所增強，而開挖巖質邊坡，巖體就會有應力重分布的產生，巖坡表層就會松馳張裂，通過預應力的施加，原有的應力可以得以恢復，能夠有效促使巖體強度的提高和完善性的增加。

（3）群錨效應：群錨效應的研究分兩方面：①由于預應力作用，錨固段底在剖面上會產生拉張裂隙，新的滑裂面就會產生。通過間隔布置、長短結合的方式，可促使其現(xiàn)象的有效避免；②預應力群錨加固巖體表面后，壓縮區(qū)就會在巖體表層出現(xiàn)，3000kV級單根錨索對堅硬完整巖體的壓縮影響范圍為1.5～2.5m，1000kV級單根錨索的壓縮影響范圍則為1.5m。如果對梅花型布置方式進行選擇，錨索距應為3～4m最佳，這樣一來，群錨第二效應的出現(xiàn)就會得以避免。

4.2 加固效果

從兩方面對巖土體錨索加固效果進行分析：①錨固的實施，對巖土體的差異變形進行了調整，促使了同步變形的發(fā)生，其中系統(tǒng)錨固發(fā)生這一現(xiàn)象的概率最大。若預應力沿損失較小，錨固體和巖體共同承擔錨固力；②承載能力則由來于錨索，依據(jù)錨索極值破壞試驗，可以得知，錨索張拉荷載與錨索的承載力有著一定的聯(lián)系，不過各自的安全儲備是足夠的，從這一點可以說明，錨索加固的安全度非常的高。

5 結語

總而言之，對于巖質高邊坡的加固，可以通過預應力錨索的施工進行實施，其對地質和地形條件的適應力非常的強，能夠主動受力，且較好地滿足了工程的施工條件。實踐證明，在巖質高邊坡支護中，預應力錨索的作用非常的突出，作為有效的支護方式，值得應用。

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