松散堆積體邊坡預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計

張德圣　陳立堂

摘要：松散堆積體邊坡是一種較為特殊類型的邊坡，治理難度大，而預(yù)應(yīng)力錨索是邊坡支護(hù)中常用的、經(jīng)濟(jì)有效的方法。由此，錨索參數(shù)設(shè)計顯得相當(dāng)重要?；谇叭搜芯砍晒A(chǔ)上，對預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地歸納和總結(jié)，重點分析了堆積體邊坡錨索參數(shù)設(shè)計。分析認(rèn)為，錨索參數(shù)設(shè)計主要集中在內(nèi)錨固段長度、錨固角、錨固間排距等7個方面，每個參數(shù)設(shè)計都不可忽略。案例分析得知，理論計算得到的錨固支護(hù)參數(shù)與實際值較為吻合。

關(guān)鍵詞：松散堆積體；預(yù)應(yīng)力錨索；支護(hù)；參數(shù)設(shè)計

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0001-05

堆積體是我國西南地區(qū)普遍發(fā)育的一種地形地貌，屬于第四系堆積作用形成的地質(zhì)體。在水利水電、鐵路、公路等工程建設(shè)領(lǐng)域中，常會遇到一些大型的堆積體邊坡。自然狀態(tài)下，堆積體邊坡通常處于臨界狀態(tài)，一旦這種臨界條件發(fā)生改變，就會造成邊坡失穩(wěn)。在治理邊坡失穩(wěn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力錨索是一種非常有效的、經(jīng)濟(jì)的、常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，在堆積體邊坡治理過程中也不例外。

對于預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)的設(shè)計研究較多，主要集中于內(nèi)錨固段長度，錨固角（錨固傾角），錨固間、排距，等三個方面的研究。根據(jù)前人研究可知，人們對于錨固支護(hù)參數(shù)的研究一般局限于某一個或幾個方面的研究；且沒有進(jìn)行系統(tǒng)的、全面的分析和研究。此外，前人對于錨索參數(shù)的設(shè)計研究也多傾向于巖質(zhì)邊坡，對于堆積體邊坡錨固參數(shù)的設(shè)計研究相對較少。本文以堆積體邊坡為研究對象，從錨索支護(hù)的6項參數(shù)人手，系統(tǒng)和全面地分析如何進(jìn)行錨索參數(shù)的設(shè)計。旨在總結(jié)前人研究成果、積累經(jīng)驗，為后期的研究提供依據(jù)、為堆積體錨索的設(shè)計、施工提供參考和借鑒。

1.參數(shù)設(shè)計關(guān)鍵影響因素

錨索加固堆積體邊坡的目的和加固其他類型邊坡的目的一致，即是改變堆積體的變形特性，增加其綜合強度。然而，堆積體邊坡與一般類型的邊坡不一樣，有其特殊性。一般地，堆積體邊坡的結(jié)構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)，即上伏堆積體和下伏基巖。上伏堆積體一般比較松散，多孔隙；下伏基巖一般比較致密；在上伏堆積體和下伏基巖之間常常分布一薄夾層（坡積層或洪積層），該接觸帶夾層往往形成潛在的滑移面。所以，可以從堆積體結(jié)構(gòu)和加固目的等方面來分析影響堆積體邊坡錨索參數(shù)設(shè)計的影響因素。

1.l基巖的性質(zhì)

巖體的強度決定了巖體與錨固體間的粘結(jié)強度，粘結(jié)強度是決定內(nèi)錨固段長度的重要因素；同時，巖體強度也決定了施加預(yù)應(yīng)力大小，巖體強度越高，錨下巖體承載力越大，巖體的變形越小，預(yù)應(yīng)力長期穩(wěn)定性越高。

1.2堆積體的性質(zhì)

堆積體的組成、厚度和透水性等方面是工程設(shè)計與施工中必須要考慮的問題，它們也是影響錨索設(shè)計參數(shù)的重要因素之一。堆積體的組成不同，其密實性也有所不同；堆積體的厚度直接影響到錨索的設(shè)計長度，也會影響到該類邊坡的穩(wěn)定性；水是工程邊坡的一個不利的影響因素，堆積體的透水性與否也會誘導(dǎo)該類邊坡是否會發(fā)生失穩(wěn)。

1.3堆積體邊坡被加固安全系數(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索可以在很大程度上提高邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)。而被加固邊坡安全系數(shù)要求越高，安全儲備越大，邊坡穩(wěn)定性越好；相應(yīng)地，由此引發(fā)的工程量也越大。然而，在實際工程的設(shè)計與施工過程中，人們不可能一味地提高邊坡工程的安全等級，還要考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性和合理性問題。

2.參數(shù)設(shè)計

2.1內(nèi)錨固段長度

內(nèi)錨固段長度一般有兩部分組成：即有效長度和安全儲備長度。錨索工程設(shè)計中，錨固段長度設(shè)計是關(guān)鍵問題之一，而錨固段中剪應(yīng)力分布是影響錨固段長度的最主要因素。目前，仍然以這種剪應(yīng)力在錨固段中平均分布來設(shè)計錨固段長度，該計算方法顯然不夠合理。鑒于此，很多學(xué)者都對內(nèi)錨段長度進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的受力范圍較短，在靠近自由段處應(yīng)力較大，沿錨根方向應(yīng)力迅速衰減。錨固段的剪應(yīng)力在靠近頂端（自由段與錨固段分界端點）的一側(cè)取得最大值，剪應(yīng)力的一般分布規(guī)律為先逐漸快速上升后再逐漸下降的曲線。

由此可知，提高錨固效果應(yīng)增加有效的錨固面積或分散錨固段前端的集中應(yīng)力。內(nèi)錨段長度設(shè)計中，要考慮索體與錨固體之間、錨固體與巖土體之問的粘結(jié)強度，當(dāng)然，群錨設(shè)計中還要考慮相鄰錨索之間的相互影響，這在錨索間、排距部分再進(jìn)行闡述。

2.2

錨固角（錨固傾角）

設(shè)錨索的水平傾角為θ，工程上通常把θ稱為錨固角（見圖1）。按照最大抗滑力與最小投資時錨固角為最優(yōu)錨固角的優(yōu)化設(shè)計方法，可獲得最優(yōu)錨固角：θ=π/4+ψ/2-α。其中，α為滑動面的傾角；ψ為滑動面的內(nèi)摩擦角。

實際鉆孔時，可通過校正和調(diào)整鉆機(jī)的鉆桿傾角（鉆孔傾角）來控制錨固角；根據(jù)設(shè)計需要，在終孔驗孔時還要進(jìn)行錨索孔的測斜，其中一項是檢查錨固角是否達(dá)到設(shè)計要求。

2.3錨索間、排距

錨固間、排距的大小不僅取決于被加固巖土體的范圍，還與加固荷載的大小及與錨索內(nèi)錨固段應(yīng)力疊加相應(yīng)的錨固間最小距離有關(guān)。被加固巖土體在預(yù)應(yīng)力錨索作用下，會在巖土體坡面形成壓應(yīng)力，在內(nèi)錨段形成拉應(yīng)力。因此，在進(jìn)行錨固間、排距設(shè)計時，應(yīng)盡量使外錨墩下巖土體在張拉荷載作用下所產(chǎn)生的壓應(yīng)力能夠搭接而又不能使內(nèi)錨段形成統(tǒng)一的拉裂面。實際工程中，錨固間、排距可以通過理論公式確定，也可以應(yīng)用數(shù)值模擬方法確定。不過最好的方法還是把理論公式、數(shù)值模擬方法、工程經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗方法結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計可能更合理一些。

2.4錨固方位角

根據(jù)《水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨索施工規(guī)范》¨引，錨固方位角誤差應(yīng)小于或等于3。。其實，錨固方位角是一項比較細(xì)小的工程問題，通常被人們所忽略。一般認(rèn)為，錨索孔均與坡面走向線垂直，其實不然。例如，坡面走向線為曲線時，錨固方位與坡面走向可能斜交（見圖2）。錨索孔方位角的設(shè)計不僅與巖層結(jié)構(gòu)面的走向、傾向等有關(guān)，還要考慮到實際施工中可能出現(xiàn)的問題，種種因素決定錨索孔方位角與坡面走向的垂線方向不一致。實際工程中，為避免錨固方位角出現(xiàn)錯誤，一般用GPS等儀器標(biāo)出方位角，由兩點控制（孔位點和孔位外任意一點）；鉆孔時，可用地質(zhì)羅盤校正鉆機(jī)的方位來控制錨固方位角。

2.5錨索全長

錨索總長由錨索自由段、張拉段和外露段長度組成；而文獻(xiàn)和則認(rèn)為，錨索總長由孔深、錨墩厚度和張拉用索體長度組成（鋼絞線下料長度）。雖然兩種觀點是一致的，但本人作者則傾向于后一種觀點，因為該觀點更具有可操作性和鮮明性。值得一提的是，對于堆積體錨索而言，錨墩厚度一般都較大，與巖錨錨墩厚度差別很大；而張拉用索體長度必須大于或等于張拉用千斤頂體長、工作（工具）錨厚度和工作（工具）夾片長度三者之和。在進(jìn)行堆積體頇應(yīng)力錨索孔深設(shè)計時，錨索必須要穿過堆積體厚度并深入到完整的基巖中。

2.6錨固力、每束錨索所需鋼絞線根數(shù)與錨孔直徑

錨固力的設(shè)計可參考《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）進(jìn)行。其計算原理是把錨作用力簡化為作用于坡面上的一個集中力，錨固力計算簡圖如圖3所示。按照規(guī)范，設(shè)計錨固力是根據(jù)邊坡不穩(wěn)定力（下滑力）確定，其計算公式為

每束錨索所需鋼絞線根數(shù)與錨索孔直徑是由錨固力大小來設(shè)定的，一般地，錨固力越大，錨孔直徑也越大、所需鋼絞線根數(shù)也越多。具體地，錨孔直徑、每束錨索所需鋼絞線根數(shù)的設(shè)計值要根據(jù)錨索體的截面積來確定，也即錨索孔橫截面積應(yīng)大于等于錨索體截面積或錨索孔徑應(yīng)大于等于錨索體的直徑；而鋼絞線根數(shù)和錨索體截面積可以根據(jù)如下計算公式確定：

3.案例分析

小灣電站位于云南省大理自治州南澗縣與臨滄地區(qū)鳳慶縣交界處的瀾滄江中段河段，是瀾滄江中下游河段上第二座梯級電站。堆積體邊坡是小灣邊坡工程中的一種典型邊坡，堆積體邊坡可能存在的失穩(wěn)滑動面位于堆積體與基巖的接觸面附近。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，堆積體邊坡可能滑動面的傾角和堆積體與基巖之間的接觸面傾角一致，即傾角大約為45°；潛在滑動面的內(nèi)摩擦角為25°～40°，平均內(nèi)摩擦角為30°；該堆積體邊坡預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段長度設(shè)計值：設(shè)計噸位為1000kN的錨索內(nèi)錨固段長為4～6m（實際值8m），而1800kN的錨索內(nèi)錨段長為5～8m（實際值10m）；群錨間距×排距設(shè)計值為5m×4m。此外，根據(jù)現(xiàn)場錨索施工獲悉：錨索的水平傾角為12°左右；錨索體材料抗拉強度f_ptk=1860MPa，單根鋼絞線截面積A=140mm²，設(shè)計錨固力T_w=1000kN的錨索所需鋼絞線的根數(shù)為7根。

根據(jù)上述所列出的部分參數(shù)，現(xiàn)對堆積體錨索主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行對比分析如下：

（1）內(nèi)錨固段長內(nèi)錨固段長度過長，會造成不必要的浪費；長度過短又達(dá)不到錨固效果。根據(jù)前文所述，內(nèi)錨固段長度一般由有效長度和安全儲備長度組成，而事實上內(nèi)錨固段長主要取決于有效長度。故此，筆者主要對錨固的有效長度進(jìn)行了分析研究。通過錨固段軸力、剪應(yīng)力延伸范圍的模擬計算結(jié)果與試驗（測試）結(jié)果的對比可知（見表1），小灣電站堆積體邊坡預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段長度：1000kN和1800kN噸位的錨索，內(nèi)錨固段有效長度分別為1.5m和3.5 m即可滿足要求。而1000kN和1800kN錨索內(nèi)錨段長度的設(shè)計值為4～6m（實際取值8m）和5～8m（實際取值10m）。

（2）錨固角小灣電站堆積體邊坡錨索的錨固角一般為12°；同時根據(jù)文獻(xiàn)，該邊坡的潛在滑動面傾角大約為45°、內(nèi)摩擦角為25°-40°（平均值為30°）。根據(jù)前文的最優(yōu)錨固角公式：θ=π/4+ψ/2-α，可計算出θ=15°（平均值）。由此可知，案例中的設(shè)計錨固角與最優(yōu)錨固角雖存在差異，但兩者的數(shù)值又較為接近。

（3）錨固間、排距群錨設(shè)計與施工時，錨固間、排距是必須要考慮的支護(hù)設(shè)計參數(shù)之一。錨固間、排距之間的距離過近，將導(dǎo)致錨固的群錨效應(yīng)，嚴(yán)重的會造成錨固失效；而錨固間、排距的距離過遠(yuǎn)，又可能起不到聯(lián)合支護(hù)的作用。尤其是松散堆積體，合理的間、排距設(shè)計往往起到事半功倍的作用。

數(shù)值模擬研究時發(fā)現(xiàn)（見圖4），錨固間、排距為5m時較為合理。錨固間、排距為4m時，坡面形成的壓應(yīng)力疊加區(qū)域有利于邊坡穩(wěn)定，但同時在內(nèi)錨段又可能產(chǎn)生拉應(yīng)力的疊加區(qū)域，該拉應(yīng)力疊加區(qū)域可能會導(dǎo)致內(nèi)錨段巖體遭受破壞，嚴(yán)重的會導(dǎo)致錨固失效。然而，錨固間、排距增大到5m時，既會在坡面形成人們期望的壓應(yīng)力疊加區(qū)域，又不會在內(nèi)錨段形成拉應(yīng)力疊加區(qū)域，這正是預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計與施工所期望達(dá)到的效果。故此認(rèn)為，堆積體邊坡預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計間、排距以5m為宜。案例中的群錨間距×排距設(shè)計值為5m×4m，與研究較為吻合。

由以上計算可知，該設(shè)計錨索可使用7-8根鋼絞線較為合理；而案例中，1000kN錨索所使用的鋼絞線的根數(shù)為7根。由此，該設(shè)計計算較為合理，其他錨索可依此計算公式進(jìn)行設(shè)計計算。

4.結(jié)語

預(yù)應(yīng)力錨索是松散堆積體邊坡支護(hù)中的一種重要的支護(hù)手段，錨索參數(shù)設(shè)計的好壞將直接影響到錨索的錨固效果，也勢必會影響到整個邊坡工程的穩(wěn)定性。

根據(jù)分析認(rèn)為，堆積體邊坡錨索參數(shù)設(shè)計中，包括了內(nèi)錨固段長度、錨索間排距和錨固角等7個方面內(nèi)容，而且這些設(shè)計參數(shù)都是不可忽略的和極其重要的。把小灣工程堆積體邊坡錨索設(shè)計參數(shù)與理論設(shè)計參數(shù)進(jìn)行計算對比分析可知，理論計算得到的錨固設(shè)計參數(shù)與案例中的實際錨索設(shè)計參數(shù)較為吻合。