預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡道路施工中的技術(shù)分析

陳玥

（中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡道路施工中的技術(shù)分析

陳玥

（中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

高邊坡是道路工程施工的重要問題。分析了影響高邊坡穩(wěn)定的主要因素，總結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索對高邊坡道路加固的力學(xué)機理和設(shè)計計算方法，剖析了采用預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工技術(shù)和關(guān)鍵要點，最后結(jié)合工程案例分析了預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡加固中的實施和有效性。

預(yù)應(yīng)力錨索；高邊坡；道路施工；技術(shù)分析

1 概述

隨著我國公路建設(shè)的推進(jìn)，路網(wǎng)系統(tǒng)愈加完善，相關(guān)道路的建設(shè)等級和要求也越來越高，且相當(dāng)一部分的公路建設(shè)面臨復(fù)雜的地形和地質(zhì)環(huán)境，這給設(shè)計和施工帶來很大挑戰(zhàn)。其中，高邊坡就是道路建設(shè)中面臨的普遍難題[1]。

高邊坡一般指公路建設(shè)中，路基兩邊的土質(zhì)邊坡高度大于20 m或者巖質(zhì)邊坡高度大于30 m的邊坡，由于過大的坡度和高度，給高速公路的施工和運營帶來普遍性的安全隱患，特別是在突發(fā)荷載（如地震、泥石流等）作用下，高邊坡的穩(wěn)定性備受關(guān)注。我國運營的部分道路工程出現(xiàn)高邊坡的病害問題，例如邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致的道路淹埋、流石流泥、滑坡、局部坍塌、落石和坍塌等[2]，這些病害問題很多是施工建造過程不重視引起的，沒有設(shè)定有效的邊坡穩(wěn)定施工解決方案，導(dǎo)致對既有道路的交通安全和道路使用造成隱患，需要進(jìn)行治理和加固以恢復(fù)道路的使用性能，增大道路管養(yǎng)的經(jīng)濟壓力。

高邊坡穩(wěn)定的施工解決措施包含表層防護和邊坡加固兩種，表層防護包括放緩坡度、植草灌漿固定等，主要適用穩(wěn)定性較好的邊坡；穩(wěn)定性較差的需要采用預(yù)應(yīng)力錨索、土釘、管樁等加固措施，才能徹底解決邊坡失穩(wěn)問題[3，4]。

本文將研究預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡穩(wěn)定加固中的技術(shù)措施，首先分析高邊坡失穩(wěn)的影響因素，然后分析預(yù)應(yīng)力錨索加固的力學(xué)機理和計算方法，并給出采用預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工措施和注意事項，最后結(jié)合一工程案例，給出基于設(shè)計條件的預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計方案和施工方案。

2 高邊坡穩(wěn)定問題的影響因素分析

諸多因素可以影響到道路高邊坡的穩(wěn)定性，總結(jié)而言，巖土本身特性、地質(zhì)構(gòu)造和地下水特征是主要影響因素。

2.1 高邊坡巖土自身特性

巖土特性是高邊坡穩(wěn)定的重要內(nèi)在因素。對于土質(zhì)邊坡，土質(zhì)條件是邊坡穩(wěn)定的基本，砂土容易流沙滑坡而黏性土的黏聚力較大不易破壞。對于巖質(zhì)邊坡，情況則更為復(fù)雜，巖石自身的強度和巖質(zhì)邊坡特性是關(guān)鍵參數(shù)，如若巖石自身強度不高，巖石的形成不連續(xù)，存在破裂等軟弱層，則受到環(huán)境作用時，其破壞往往是巖石最弱連接界面展開，當(dāng)外界荷載大于巖層的強度時，便可能形成連續(xù)破壞從而導(dǎo)致邊坡的坍塌。一般而言，塊狀和反坡向?qū)訝畹膸r層特性是穩(wěn)定的，而順坡向?qū)訝顜r層容易產(chǎn)生剪切型破壞，碎裂散狀巖層則易形成滑動型破壞。

2.2 場地地質(zhì)構(gòu)造特性

高邊坡可以是路基開挖形成，也可能是自然形成。如果是路基開挖形成，則會由于開挖的影響穩(wěn)定性更差，受場地地質(zhì)構(gòu)造影響更顯著。例如是否存在地震和震動、巖土風(fēng)化狀況及出露位置等。其中，地震和震動是高邊坡最大的安全隱患，受地震作用的慣性力作用，邊坡的失穩(wěn)和破壞往往是瞬時的，因而需要根據(jù)場地地質(zhì)狀況基于地震破壞的可接受水準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和施工加固。

2.3 地下水分布特性

由于地下水影響巖土的基本物理特性和力學(xué)特性，因而對邊坡穩(wěn)定具有顯著影響。隨著地下水位的變化，巖土的剪切力和法向力在變化，相應(yīng)的最弱破壞面也在不斷變化，如果邊坡中某些微裂縫存在，則地下水的存在嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)抗力，并形成靜水壓力增加裂縫的開展。如天氣變冷，裂縫中的水尚未排出，則水分的凍結(jié)會導(dǎo)致裂縫膨脹，造成邊坡失穩(wěn)。

3 預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡加固原理

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索加固機理

根據(jù)高邊坡穩(wěn)定的影響因素，預(yù)應(yīng)力錨索加固就是讓軟弱的邊坡通過預(yù)應(yīng)力錨索固定到穩(wěn)定的巖層中，從而使得其變形受到約束，整體保持穩(wěn)定平衡。具體而言，如圖1所示，預(yù)應(yīng)力錨索通過高邊坡中軟弱的土層或巖層，穿過滑動面連接到穩(wěn)定且堅硬的巖層中，在該側(cè)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力索張拉，張拉完成后注漿錨固，強大的預(yù)應(yīng)力使得巖層整體性更好。同時，注漿一方面使得錨索穩(wěn)定，另一方面漿體注入周邊巖土縫隙，有效提高其摩擦阻力，加強邊坡軟弱層的黏結(jié)性和整體性。這樣，整體邊坡形成整體，并與受錨固的巖層共同受力變形，穿透滑動面的錨索極大降低邊坡的整體失穩(wěn)問題，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)示意圖

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計計算方法

預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計需要根據(jù)實際邊坡的穩(wěn)定失效模式確定。高邊坡的失效模式眾多，包含潰屈破壞、水平錯位破壞、順層滑動、崩塌破壞、圓弧滑動等，其中滑動破壞是整體型破壞，影響最為嚴(yán)重，在高邊坡中的發(fā)生頻率也最高，預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計計算應(yīng)以保證高邊坡不發(fā)生整體滑動失效為根本。

滑動失效的根本原因是邊坡軟弱層形成的潛在剪切面上，滑體所形成的向下滑動力大于其抗滑力，出現(xiàn)對應(yīng)的剪切面破壞。而潛在剪切面對于巖層而言一般是裂隙、斷層或者節(jié)理發(fā)達(dá)的軟弱區(qū)域，對于土層而言則是對應(yīng)土力學(xué)機理的圓弧滑動面。預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計就是以增加滑動面法向約束力的方式提高其切向摩擦力，可以采用有限條分法確定其錨固效率：

式中：Li是第i條滑動面的長度；Ni是第i條滑動面上的法向力；Ti是第i條滑動面上的切向力；PN是錨索錨固所產(chǎn)生的法向分力；PT是錨索錨固所產(chǎn)生的沿滑動面的切向分力；Ci是第i條滑動面上的黏聚力；f是滑動面上的巖土摩擦系數(shù)；K是預(yù)應(yīng)力錨索作用下高邊坡穩(wěn)定系數(shù)。各成分如圖1所示。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計計算模式，可以看到：為了充分發(fā)揮錨索的錨固效率，錨索的安放位置、間距、數(shù)量、傾角等，都應(yīng)該根據(jù)可能滑動面進(jìn)行設(shè)置，以錨索與滑動面呈大角度相交為宜，注意不要使得錨索的施加效果導(dǎo)致滑動概率增加。

4 預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索施工的基本規(guī)程是邊坡修整、測量定位、鉆孔、孔道清理與檢測、錨索安裝、注漿、張拉，這其中，邊坡修正、鉆孔、孔道清理與檢驗、錨索注漿和錨索張拉是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.1 高邊坡的修整

高邊坡表層影響整體的邊坡穩(wěn)定，因此在安裝預(yù)應(yīng)力錨索前需要將表層進(jìn)行修整和清理，對于破碎巖層和巖渣，需要進(jìn)行平整，保證邊坡平緩性；對于土質(zhì)邊坡，由于雨水對邊坡穩(wěn)定影響很大，需要進(jìn)行表層排水及表層植被固定處理，維持表層巖土的穩(wěn)定性。

4.2 鉆孔施工

鉆孔是預(yù)應(yīng)力錨索施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在鉆孔前需要根據(jù)巖土特性選擇鉆孔機械設(shè)備。一般而言，巖石需要采用潛孔沖擊鉆孔的方法，在巖石破碎后可以采用跟管鉆進(jìn)的方式，穩(wěn)定巖層結(jié)構(gòu)。另外，鉆孔過程還需要搭設(shè)一定的腳手架，并在鉆進(jìn)過程中及時清除殘渣，確保鉆進(jìn)按照預(yù)期位置進(jìn)行，鉆孔的孔徑誤差和垂直度誤差保持在可接受范圍。鉆進(jìn)可能遇到塌方問題，因此需要事前做好預(yù)控方案。鉆孔孔徑需要保證不低于設(shè)計預(yù)應(yīng)力索的索徑。

4.3 孔道清理及檢驗

鉆孔完成后需要對孔道內(nèi)的粉塵和殘渣進(jìn)行徹底清除，注意到不清楚殘渣就進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索安裝和注漿，注漿后巖土受到泥土影響?zhàn)ば越档停⒉荒苄纬珊芎玫恼w受力，因此錨索的有效性將大打折扣?？椎狼謇砜梢圆捎酶邏核蛘吒邏嚎諝膺M(jìn)行清理，直到鉆孔檢驗合格后才能進(jìn)行下一步的施工工作。

4.4 錨索安裝和注漿

預(yù)應(yīng)力錨索的基本構(gòu)造如圖2所示，進(jìn)行注漿時需要確保砂漿配合比符合標(biāo)準(zhǔn)，并事前攪拌均勻，保證在初凝前注漿完畢。注漿一般分為兩個過程——錨固段的注漿和自由錨索段與孔壁中縫隙的注漿填充。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索的基本構(gòu)造

4.5 預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工

預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)分級張拉，保證各個錨索的都能達(dá)到預(yù)期張拉力，張拉中采用張拉力和伸長值雙控方法控制張拉噸位，同時預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡側(cè)一般配合框架梁進(jìn)行協(xié)同聯(lián)合，使得所有預(yù)應(yīng)力錨索發(fā)揮對整體邊坡的防護加固效果，如圖3所示。

圖3 高邊坡加固的預(yù)應(yīng)力錨索框架梁

5 工程案例解析

5.1 工程背景

廣東省龍川至懷集公路工程TJ2標(biāo)段K10段線路以深挖方的形式通過，開挖方量大，形成了平均10m的高路塹邊坡，坡體開挖后地應(yīng)力調(diào)整較大，形成了較大的松弛區(qū),此外坡體存在基巖裂隙水，風(fēng)化程度高，地下水較易在層面上積聚，因此此類邊坡較易產(chǎn)生沿層面的滑移破壞。另外，強降雨的作用，雨水沿陡傾的節(jié)理或?qū)用嫦聺B，較易產(chǎn)生滲透壓力及靜水壓力，往往成為觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素。

根據(jù)對該區(qū)域巖土狀況和地質(zhì)條件的調(diào)查，采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行高邊坡防護加固效果較好，因此首先對沿巖層面滑動穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果顯示，邊坡穩(wěn)定性以巖層面控制，在擬定的坡形坡率下，正常工況穩(wěn)定系數(shù)為1.139，暴雨工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.979，屬欠穩(wěn)定邊坡施工采用錨桿和錨索雙重加固。

5.2 預(yù)應(yīng)力錨索加固施工

根據(jù)設(shè)計檢算，采用錨索框架，錨索設(shè)3排，長20 m；錨索采用普通拉力型預(yù)應(yīng)力錨索，錨索體直徑150 mm，注M30水泥砂漿；錨索主筋采用15.24、強度1 860 MPa的6束高強、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，設(shè)計噸位600 kN。錨索框梁截面尺寸為0.5 m×0.5 m，嵌入深度為0.40 m，C30混凝土灌注，配合高邊坡的整體防護。

施工結(jié)果顯示，錨索就能按照施工方法達(dá)到預(yù)設(shè)錨固噸位，注漿效果良好，邊坡穩(wěn)定性良好，大雨條件下均穩(wěn)定性好。

6 結(jié)語

保障道路運營安全和長期性能具有重要意義，道路高邊坡的穩(wěn)定性能是需要關(guān)注的重點之一。論文探討了影響高邊坡穩(wěn)定的主要因素，并提出采用預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡加固機理和設(shè)計計算方法，從而總結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工技術(shù)。最后結(jié)合工程案例分析了預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡防護加固中的有效性和方法，為公路高邊坡防護提供參考。

[1]饒運章,朱為民.我國道路邊坡防護現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].華東公路,2011（1）:46-48.

[2]歐小祥,韓紅桂,賀威.某高速公路邊坡穩(wěn)定性評價[J].公路工程, 2009,34（1）:120-124.

[3]吳琳生.預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)在高邊坡防護工程中的應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2007（3）:100-103.

[4]高志兵.預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)在公路高邊坡施工中的應(yīng)用[J].山西建筑,2016,42（14）:142-143.

U417.1+2

B

1009-7716（2017）04-0048-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.014

2016-12-27

陳玥（1981-），女，江蘇鹽城人，公路工程師，從事道路設(shè)計工作。