預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)在滑坡治理中的應(yīng)用

陳遠程

安溪縣農(nóng)村公路養(yǎng)護管理所，福建 泉州 362400

預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)是在滑坡治理工程中出現(xiàn)和發(fā)展起來的一種新型抗滑支護結(jié)構(gòu)型式，它是一種把錨桿埋入地層進行預(yù)加應(yīng)力的技術(shù)，錨桿外露于地面的一端用錨頭固定，同時利用某些框架結(jié)構(gòu)或格構(gòu)梁使錨頭部位的應(yīng)力向周圍的巖土體傳輸。本文基于預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，深入闡述了該支護結(jié)構(gòu)的受力基本原理，并通過設(shè)計計算和工程應(yīng)用實例對預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)的有效性進行分析，為預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)支護手段的廣泛應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 滑坡主要支護措施

1.1 抗滑樁

作為一種支擋設(shè)施，抗滑樁從滑體中穿過并錨固于滑床的某一深處，它通過對側(cè)向載荷的承受來抵抗滑坡推力，從而實現(xiàn)了對滑坡的有效治理［1］。它適用于除流塑性滑坡意外的各種類型滑坡。從工程實踐中不難看出，一些比較棘手的問題均可借助抗滑樁進行快速解決?？够瑯兑云浒踩暂^高、支護效果較好、操作較簡便等優(yōu)良特性，成為目前使用較多的治理滑坡的有效措施。

我國最早應(yīng)用抗滑樁是二十世紀50 年代修建寶成鐵路，當時的樁即與現(xiàn)在挖孔關(guān)注抗滑樁一樣，系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但主要用于整治少數(shù)巖石順層滑坡?？够瑯兜闹饕愋陀袉螛?、樁板抗滑樁、框架式抗滑樁、錨索樁等。

1.2 錨固措施

通常采用兩種錨固措施，其一為主動加固型的預(yù)應(yīng)力錨固，其二為被動加固型的非預(yù)應(yīng)力錨固［2］。前者的加固對象是巖土體，操作過程中需要使用鋼筋錨桿與鋼絞線錨索等物品。通過將預(yù)應(yīng)力主動施加給有可能失去穩(wěn)定性的巖土體，并施以反向壓力與正向壓力，使巖土體表面的抗滑力增加，從而達到穩(wěn)定邊坡的目的。后者的加固對象也是巖土體，不過操作過程中使用的物品主要是樹脂錨桿和砂漿錨桿，通過增強滑動面上的抗剪切能力來保證邊坡的穩(wěn)定性。

預(yù)應(yīng)力錨索不僅便于施工、對場地要求不高，而且加固效果較為突出，因而在預(yù)應(yīng)力錨固作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。以灌漿次數(shù)為依據(jù)可將預(yù)應(yīng)力錨索分為兩種，即雙層保護自由式與全長粘結(jié)式［3］，前者一般灌漿1 次，后者則需要灌漿2 次。就我國而言，后者的應(yīng)用更具有廣泛性。

1.3 支擋措施

有效的支擋措施除了擋土墻、掛鋼筋網(wǎng)以外，還包括鋼纖維混凝土噴注、混凝土噴注以及混凝土防護面。支擋措施隸屬于被動加固范疇，可從外部入手來保證滑坡的穩(wěn)定性［4］。噴注混凝土或掛鋼筋網(wǎng)均可覆蓋邊坡巖土體表面，這種方式被普遍應(yīng)用于邊坡工程項目中。對于表面巖土體脫落或者滲水這兩種狀況，可采用封閉表面的方法進行處理，這就是被經(jīng)常使用的混凝土護面支擋措施。另外，該措施還具有支擋作用。還有工程中應(yīng)用較多的以預(yù)防邊坡巖土體塌陷的擋土墻支擋措施，不過此種方式主要適用于場地受限制或已建建構(gòu)筑物旁的位置。

2 巖土錨固的基本原理

巖土體的錨固是把錨桿（錨索）插入預(yù)先鉆孔然后固定于巖土層并傳遞預(yù)應(yīng)力的加固技術(shù)。憑借錨桿底層的抗剪強度使底層開挖面保持較好的穩(wěn)定性或?qū)Y(jié)構(gòu)物的拉力進行傳遞，是這種技術(shù)的基本原理［5］。巖土錨固可發(fā)揮以下四種作用：

（1）使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生抗力以便于承受載荷。

（2）使巖土體產(chǎn)生非預(yù)應(yīng)力（加筋作用）或壓應(yīng)力。

（3）加固的同時提高巖土體抗剪強度，同時或多或少改善了巖土體的其他力學(xué)參數(shù)指標。

（4）通過錨桿（錨索），使結(jié)構(gòu)和巖土體形成一個整體，成為一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)物，二者可共同受力，即便剪力和拉力有所增加，巖土體也能夠較好地應(yīng)對［6］。

以上四種作用具有互補性。當然，由于邊坡項目不盡相同，巖土錨固也未必能同時發(fā)揮這些重要作用。若非預(yù)應(yīng)力錨桿在工程中得到了應(yīng)用，只有巖土體需要加筋且其表層出現(xiàn)了位移變化時才能起作用；這樣的錨固方式遠不及預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）的效果。

3 錨桿（錨索）的設(shè)計原則

（1）首先應(yīng)根據(jù)地勘資料和周邊環(huán)境，考慮與目標效果相適應(yīng)的安全的、經(jīng)濟的與可操作的方式，盡可能減少對周邊建構(gòu)筑物等的不利影響。

（2）其次要考慮一定的安全系數(shù)，確保被錨固的結(jié)構(gòu)物受施工荷載或竣工后荷載作用時有一定安全度。

（3）除非項目有基本一致的條件，或者項目具有一定的工程經(jīng)驗并提供了較為可靠的試驗數(shù)據(jù)，否則不可以借鑒。這兩類項目以外的任何一個項目都有必要進行錨桿的基本試驗。

（4）為了實現(xiàn)某種特殊目的，需要使用能夠承受疲勞載荷的錨桿、需要回收的錨桿以及水中的錨桿時，務(wù)必在使用前進行深入研究并確保試驗結(jié)果可靠。

4 錨桿的配置

4.1 錨桿的配置原則

錨桿的長度、錨固體直徑以及間距的確定由兩種要素決定，一是結(jié)構(gòu)物的平衡狀況，二是錨固巖土層的穩(wěn)定性。

4.2 相鄰結(jié)構(gòu)物的影響

設(shè)計錨桿時，需要對周邊的地下管線以及建構(gòu)筑物加以考慮，若這種狀況存在，必須充分論證錨桿的傾角及其插入點。

4.3 錨桿的傾角

只有錨桿軸線與其作用力的方向保持一致，才能產(chǎn)生最好的效果，但在現(xiàn)實中這一點很難做到。實際上，邊坡臨空面與錨桿軸線二者間的夾角必然影響錨桿軸力的分力，而錨桿軸線與水平面的夾角越大施工難度越大，故而在設(shè)計時應(yīng)避免錨桿傾角大于35°。

若錨桿傾角小于10°，由于灌漿材料（如水泥砂漿）在硬化過程中出現(xiàn)的殘渣與冒出的漿液會影響錨桿的承載力，應(yīng)該盡量避免。綜上，錨桿的傾角一般取10°～ 35°。

4.4 錨固體的間距

錨固體間距的取值涉及到對多種因素的考慮，如錨固體長度與直徑、錨固力的設(shè)計值等等。同時須注意錨固體間距過小易產(chǎn)生群錨效應(yīng)，錨固體的極限抗拔力會因此而減?。?］。

5 錨桿最優(yōu)安裝角和錨固力的計算

5.1 最優(yōu)安裝角θ 的確定

如圖1 所示：

圖1

設(shè)P 在滑動面產(chǎn)生的總抗滑力為FP，

這樣選擇安裝角時，應(yīng)使式（5-1）中的FP最大。為此，對式（5-1）進行求導(dǎo)：

因此，由（5-2）求得的θ 和相應(yīng)的式（5-1）的Fp的極大值。

因為α=57°，φ=30°，所以θ=φ-α=-27°

因為θ 為負角，即應(yīng)是向上的仰角，按（-θ）施工。

5.2 錨固力P 的計算

圖2

從安全系數(shù)的強度儲備定義出發(fā)，按圖所以方式選取x，y坐標軸，即選取滑動面OD 方向為x 軸，垂直于OD 面方向為y軸，過OD 滑動面上的作用力有：滑體重力G，錨固力P，法向力N 和切向力S，已知P 的安裝角為θ，滑動面傾角為α，將安全系數(shù)K 定義為：

Mohr-Coulomb 破壞準則為：

式中：N-法向力，N=G cos α

φ-內(nèi)摩擦角，tanφ 為摩擦系數(shù)

C-單位粘結(jié)力

L-滑面面積

將式（5-4）中的Smax代入式（5-3），得：

由圖，在極限平衡條件下，依據(jù)力在x，y 方向的平衡條件，可以得出：

將式（5-5）中的S 代入式（5-6）得：

將式（5-9）中的N 代入式（5-8），化簡整理后得到：

則式（5-10）可改寫成：

6 工程實例

6.1 滑坡區(qū)工程概況

本項目位于泉州安溪高吾達新公路（高會至達新、高會至吾培）左側(cè)。坡腳為在建縣道（拓寬），上部為鄉(xiāng)道，盤山而上，項目所在山頭上陡下緩，植被茂盛，坡面無防護加固工程。目前滑段落對應(yīng)坡腳縣道樁號為K0+900～K0+990 段，總長約90米，最大高差約60 米，其余水毀段落合計約380 米。

2019 年6 月，在縣道擴建工程實施過程中恰遇當?shù)匕l(fā)生連續(xù)強暴雨，導(dǎo)致坡腳失穩(wěn)，表層土體堆填至坡腳，公路被阻斷。險情發(fā)生后，業(yè)主立即組織人員搶險，并對滑坡場區(qū)周邊的病害情況進行巡查，發(fā)現(xiàn)坡體已有多處變形跡象，主要為上部鄉(xiāng)道路肩下沉，混凝土路面底板脫空、坡面開裂等。

2019 年6 月～7 月，坡體滑坡病害持續(xù)發(fā)展，同時，前后相鄰段落相繼發(fā)生一階溜塌的水毀病害。

根據(jù)調(diào)查資料可知，本滑坡為工程滑坡，坡面存在多級牽引裂縫，前緣、后緣及滑坡周界清晰，滑坡已經(jīng)形成，需要進行治理，防止發(fā)展成為規(guī)模更大的滑坡。

6.2 滑坡成因分析

邊坡病害成因錯綜復(fù)雜，往往是多種因素共同作用的結(jié)果，其中主要包括地形、地貌，工程地質(zhì)條件，水文氣象條件，人類活動等等，在多次現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)勘察報告、深孔位移監(jiān)測結(jié)果等資料綜合分析，本滑坡成因如主要有以下六個方面：

（1）滑坡所在山體較龐大，且地形上陡下緩，有利地表水下滲；

（2）場區(qū)處于凝灰熔巖、花崗巖的交界帶，地質(zhì)較差，巖土體破碎，表層殘積碎、塊石砂質(zhì)粘性土層較厚，飽水后易軟化崩解，從而降低巖土體的物理力學(xué)特性。

（3）場區(qū)孤石發(fā)育，破壞巖體的完整性，且夾層較多，在不利工況下沿土巖交界面極易飽水形成軟弱滑動帶，導(dǎo)致滑坡的產(chǎn)生。

（4）2019 年6 月，受連續(xù)強降雨的影響，大量雨水滲入邊坡巖土體，而且無法及時有效排出，從而使上部松散的土體泡水軟化，導(dǎo)致抗剪強度減小，同時飽和土體自重增加；坡體的下滑力增加，抗滑力減小，最后邊坡變形失穩(wěn)。

（5）坡體上部發(fā)現(xiàn)泉眼，出水量大，坡面滲水嚴重，整個山體缺乏有效的排水系統(tǒng)，在不利工況下加劇滑坡的形成。

（6）坡腳正在實施縣道拓寬工程，開挖坡腳對滑坡的形成也會起到一定的不利影響。

6.3 滑坡整治方案

6.3.1 加固工程

（1）從縣道用地紅線內(nèi)退1m 開始起坡，分六級進行加固，第一階坡率1：0.5，其余坡率為1：1.25，平臺為3～6m，具體詳見斷面設(shè)計圖；

（2）第一階采用C20 片石砼擋墻（8m）進行支擋；

（3）第三～六階滿布預(yù)應(yīng)力錨索框架，框架尺寸8m×8m，錨索孔徑130mm，4 束鋼絞線錨索，設(shè)計拉力400kN。

6.3.2 排水工程

（1）第二階坡面設(shè)置6 道支撐滲溝；

（2）第三階、第四階坡腳設(shè)置排水平孔，長15m，間距5m（可依據(jù)現(xiàn)場實際情況進行適當調(diào)整間距或長度，但必須確保出水率大于50%）。

（3）滑坡中部及頂部各設(shè)置一道截水溝。

6.3.3 其他

（1）刷坡卸載揭露的裂縫進行封閉防止雨水下滲。

（2）施工及運營過程中須加強坡體變形監(jiān)測并及時反饋。

（3）嚴格遵循“開挖一階、防護一階”原則，嚴禁一階開挖到底，待上部防護施做完成后方可進行坡腳擋墻施工。

7 結(jié)語

本文系統(tǒng)地整理了目前滑坡治理的主要支護手段，闡述了預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)體系的基本工作原理。從設(shè)計角度出發(fā)，總結(jié)了預(yù)應(yīng)力巖土錨固技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計環(huán)節(jié)。依托泉州公路邊坡滑坡治理項目，基于工程實踐經(jīng)驗，對預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)在治理滑坡方面的應(yīng)用進行了研究，并得出了以下五點結(jié)論：

（1）采用錨固技術(shù)措施使結(jié)構(gòu)和巖土體形成一個整體，成為一種協(xié)同受力的復(fù)合結(jié)構(gòu)，能提高邊坡的穩(wěn)定性，改善巖土體的物理力學(xué)性能同時增強滑動面抵抗壓力和剪切力的性能。

（2）當周邊環(huán)境存在一些不利因素時，為了防止行車受到干擾，可采取比一般防護技術(shù)更加安全高效的原位加固技術(shù)。

（3）滑坡治理作業(yè)結(jié)束以后，不需要投入很多資金、配置設(shè)備或安排專門人員來維護保養(yǎng)，有較好的耐久性。

（4）對于治理高陡邊坡，錨固技術(shù)更具有優(yōu)勢。

（5）預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)可縮短邊坡治理工程的工期，經(jīng)濟性方面有較大優(yōu)勢。相比其他類型的加固技術(shù)，該框架結(jié)構(gòu)不僅可將工期縮短一半左右，還可使工程造價的降幅達到20%至30%，因此其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是較為可觀的。