預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的設(shè)計(jì)方法探討

陳博飛

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

當(dāng)前，在公路工程建設(shè)中仍存在一些技術(shù)問題有待解決，其中邊坡加固防護(hù)工程就是急需解決的首要問題之一。預(yù)應(yīng)力錨索作為主要的加固技術(shù)之一，加強(qiáng)對(duì)其研究，對(duì)于提升邊坡穩(wěn)固性，提高公路工程建設(shè)質(zhì)量有著重要作用。

1 預(yù)應(yīng)力錨索概述

預(yù)應(yīng)力錨索是通過預(yù)應(yīng)力方法在巖體內(nèi)部進(jìn)行錨索支架的設(shè)置，并通過錨索與巖體的錨固來提升邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。預(yù)應(yīng)力錨索在應(yīng)用中，能夠?qū)㈠^索與巖體有效結(jié)合起來，進(jìn)而改變巖體自身的應(yīng)力水平，提高邊坡結(jié)構(gòu)的整體性，加強(qiáng)邊坡強(qiáng)度及堅(jiān)固效果。

2 單根錨索設(shè)計(jì)錨固荷載及錨索截面積的確定

2.1 錨索設(shè)計(jì)錨固荷載

在錨固力的確定中，需要對(duì)邊坡的不穩(wěn)定力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，具體采用的計(jì)算公式為：

Pd=T/[sin(α+β)tgφ+sin(α+β)]

式中，Pd為錨索設(shè)計(jì)錨固力；T為邊坡的不穩(wěn)定粒；φ為滑動(dòng)的內(nèi)摩擦角度數(shù)；α為錨索與滑動(dòng)面交接出產(chǎn)生的傾角度數(shù)。

錨索在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)受到土層及地震等的作用而產(chǎn)生一定的壓力荷載，所以在錨索加固設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)存在的荷載進(jìn)行全面綜合考慮與分析。此外，根據(jù)現(xiàn)有的錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)以及公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范了解到，預(yù)應(yīng)力錨索的鎖定值要比拉力設(shè)計(jì)的荷載值大一些，所以在抗滑錨索錨固設(shè)計(jì)中，會(huì)將拉力設(shè)計(jì)荷載作為鎖定荷載使用。

2.2 錨索截面面積的確定

預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積的確定一般會(huì)采用下述計(jì)算公式：

A=k·Pd/Fpok

式中，A為錨索體的截面積；k為安全系數(shù)；Fpok為錨索體材料破斷標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，kPa。

在進(jìn)行錨索操作時(shí)，如果需要進(jìn)行超張拉，這時(shí)的工作荷載將會(huì)超過設(shè)計(jì)中的荷載值，如果想要保證預(yù)應(yīng)力錨索錨固的效果，就需要將設(shè)計(jì)錨固力替換成錨索工作錨固力，以保證計(jì)算數(shù)值的準(zhǔn)確性。

3 錨索錨固段長(zhǎng)度

3.1 錨固段長(zhǎng)度的主要影響因素

如圖1所示，在錨索系統(tǒng)承載力的設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮錨索強(qiáng)度、錨索與水泥注漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度、水泥注漿體與錨孔壁巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度，并加大這些參數(shù)數(shù)值的管控力度，以最小參數(shù)值作為承載力的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，才能更好地提升錨索系統(tǒng)的承載能力，保證錨固段長(zhǎng)度設(shè)置的合理性，提升邊坡結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及穩(wěn)固性。另外，在錨固段長(zhǎng)度確定中，可將鋼絞線與注漿體之間的握裹力傳遞到水泥漿體上，增加水泥漿體與周圍土體之間的摩擦力。

圖1 錨固段長(zhǎng)度示意圖

現(xiàn)階段錨索破壞形式主要包括以下五種：①錨索內(nèi)部的鋼絞線被拉斷(見圖2)；②錨索與水泥漿體順著地層孔壁接觸面同時(shí)滑出，并存在破損現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題；③水泥漿柱的錨索被拔出；④錨索與巖體同時(shí)呈現(xiàn)倒錐形，并被拔出；⑤外錨固系統(tǒng)遭到破壞。在實(shí)際作業(yè)中，前三種情況是最常發(fā)生的，后兩種破壞情況出現(xiàn)的頻率較少，所以在預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際破壞情況合理設(shè)定錨固段長(zhǎng)度，從而確保技術(shù)效果的充分發(fā)揮。

圖2 錨索內(nèi)部的鋼絞線被拉斷

3.2 錨固段長(zhǎng)度確定

預(yù)應(yīng)力錨索加固(見圖3)中使用的主要材料為粘結(jié)性錨固體，所以在錨固段長(zhǎng)度確定中，應(yīng)對(duì)地層與注漿體之間的粘結(jié)長(zhǎng)度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，以保證錨固段長(zhǎng)度設(shè)置的合理性，有效性。在地層與注漿體粘結(jié)長(zhǎng)度的計(jì)算中，采用的計(jì)算公式為：

Lr=k·Pd(π·d·frb)

式中，Lr為地層與注漿體間的錨固粘結(jié)長(zhǎng)度，m；k為安全系數(shù)；Pd為錨固設(shè)計(jì)錨固力，kN；d為錨固段鉆孔直徑，m；frb為地層與注漿體間的粘結(jié)強(qiáng)度，kPa。

另外，在錨固段長(zhǎng)度確定中，還要對(duì)巖土層的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行掌握，通常情況下會(huì)以試驗(yàn)的方式來確定巖土層粘結(jié)強(qiáng)度性能指標(biāo)，如果試驗(yàn)中相關(guān)材料不完整，則需要技術(shù)人員結(jié)合自身及以往施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

此外，在錨固段長(zhǎng)度確定上，水泥注漿體與錨索體之間的粘結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算也是需要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，該粘結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算中采用的公式為：

Lg=k·Pd(n·π·dg·fb)

同樣的，在進(jìn)行注漿體與錨索體粘結(jié)強(qiáng)度的確定上仍需要通過試驗(yàn)方式得出，如果缺少標(biāo)準(zhǔn)性的試驗(yàn)資料，則技術(shù)人員可結(jié)合公路路基設(shè)計(jì)的規(guī)范要求及推薦值進(jìn)行評(píng)估確定。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索加固示意圖

4 錨索加固的整體設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的項(xiàng)目，除了上述提到的錨固力確定、鋼絞線面積確定及錨固段長(zhǎng)度確定外，還需要對(duì)邊坡斷面形式、錨索體系等進(jìn)行綜合考量。

4.1 邊坡斷面形式的確定

邊坡斷面形式確定是邊坡加固中較為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)之一。當(dāng)土質(zhì)路塹邊坡的高度在20 m以上時(shí)，通常邊坡地質(zhì)復(fù)雜性較高，此時(shí)在設(shè)計(jì)中如果僅采用一般的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方式，則很難有效提升邊坡的穩(wěn)定性。為此，設(shè)計(jì)人員需要先對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，全面了解和掌握邊坡變化形式，在用地?zé)o限制或山丘高速無法確定的條件下，可適當(dāng)?shù)胤啪忂吰禄蛲ㄟ^增加平臺(tái)寬度等方式來提升邊坡的穩(wěn)定性。

4.2 錨索體系的布置

錨索體系布置前需要先對(duì)錨索間距進(jìn)行確定。首先，對(duì)地層情況及錨索錨固力的大小進(jìn)行分析比較，并結(jié)合具體要求對(duì)錨索間距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。錨索如果過于密集會(huì)發(fā)生群錨效應(yīng)，進(jìn)而降低錨索錨固力；反之，如錨索過于稀疏，又會(huì)影響邊坡局部或淺層地層的穩(wěn)固性。在間距確定后，需要利用鋼筋混凝土漿料進(jìn)行錨索外錨頭的連接，使其形成一個(gè)穩(wěn)固整體，進(jìn)而提升邊坡坡面的整體抗壓能力。

4.3 錨索長(zhǎng)度

錨索長(zhǎng)度主要是由錨固段長(zhǎng)度、自由段長(zhǎng)度及張拉段長(zhǎng)度這三部分構(gòu)成。其中錨固段長(zhǎng)度的確定上文中已有所提及，按照相關(guān)要求進(jìn)行操作即可；自由段長(zhǎng)度的確定需要先對(duì)地層截面的穩(wěn)固情況進(jìn)行了解，然后結(jié)合地層截面確定自由段長(zhǎng)度，以提升其穩(wěn)固性。另外，自由段需要深入到滑動(dòng)面1 m左右的位置上，且總長(zhǎng)度要控制在5 m以上；張拉段長(zhǎng)度的確定則要根據(jù)張拉機(jī)具進(jìn)行合理把控，通常情況下，長(zhǎng)度不會(huì)超過1.5 m。

4.4 錨索傾角

錨索傾角角度的確定需要從受力、施工及工程造價(jià)三方面進(jìn)行綜合考量。在進(jìn)行錨索傾角計(jì)算時(shí)，采用的計(jì)算方式為：

β=θ±(45°+φ/2)

式中，β為最佳錨固傾角；θ為滑動(dòng)面的傾角；φ為滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角。

得出的計(jì)算結(jié)果需要結(jié)合施工條件及經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行綜合分析，并做出合理調(diào)整，以免因錨索傾角過大或過小帶來的不良影響。傾角過小阻礙注漿施工質(zhì)量；傾角過大會(huì)影響滑動(dòng)過程中錨固力的大小，進(jìn)而降低滑體滑動(dòng)能力。

4.5 錨索構(gòu)造要求及注漿材料

預(yù)應(yīng)力錨索是由索體、張拉端、錨固段構(gòu)成的，在錨固端設(shè)計(jì)中，鋼束組應(yīng)設(shè)置成波紋狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，以增加鋼絞線與水泥注漿體之間的摩擦力，在保證錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)合理性的基礎(chǔ)上，增加錨固力?，F(xiàn)階段，預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)中內(nèi)錨頭主要以膠結(jié)式為主，在注漿過程中，采用孔底注漿模式，并將注漿壓力控制在1 MPa左右，以保證砂漿的飽滿性。此外，在內(nèi)錨段設(shè)計(jì)中，要提高其強(qiáng)度性能、縮小膨脹性、提高可灌性，并做好鋼絞線的防腐處理，只有這樣才能更好地提升結(jié)構(gòu)質(zhì)量及整體性能，保證邊坡穩(wěn)定性。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索鋼束示意圖

5 結(jié)束語

綜上所述，預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計(jì)對(duì)于提高邊坡的穩(wěn)定性、安全性及抵抗性能有著顯著效果。而通過預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)的使用，且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)錨固力、張拉性能等進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，可以更好地提高公路的實(shí)用性，為我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展提供助力。

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