預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)在邊坡加固中的綜合效益分析

朱茂強(qiáng)ZHU Mao-qiang

（中國(guó)水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都 611830）

0 引言

邊坡是為了保證路基穩(wěn)定而設(shè)置的坡面，邊坡的穩(wěn)定性在一定程度上關(guān)系著路基的穩(wěn)定，因此如何針對(duì)邊坡進(jìn)行加固操作具有重要意義。在當(dāng)前的研究中，針對(duì)邊坡加固一般采用抗滑樁加固和預(yù)應(yīng)力錨索加固，抗滑樁加固是一種通過(guò)抗滑樁來(lái)增加邊坡穩(wěn)定的方案，預(yù)應(yīng)力錨索加固是一種可以承受拉力的裝置系統(tǒng)[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，兩者的邊坡加固效果均較為顯著，但是從實(shí)際應(yīng)用中可以得知，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)的綜合效益明顯高于抗滑樁加固方案[2]。然而在邊坡防護(hù)工作中，針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索在其中所體現(xiàn)出來(lái)的效益分析仍然尚不明確，因此研究分析了在邊坡加固中的預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)的綜合效益，以期為路基施工提供理論支持。

1 邊坡加固工程概況及問(wèn)題分析

選取錦屏一級(jí)水電站某公路路段邊坡加固工程為研究對(duì)象，具體以該公路BK0+060.000～K9+940.000 段邊坡加固工程為例，該路段總長(zhǎng)約為210m，邊坡最高達(dá)到了32m。由于存在的地形地貌、地質(zhì)、氣候問(wèn)題，該路段邊坡受破壞嚴(yán)重，因此需要對(duì)其進(jìn)行邊坡加固。研究所選取的路段為4 級(jí)邊坡，在邊坡加固中采用抗滑樁加固方案。抗滑樁加固方案具有簡(jiǎn)單，受力和作用明確的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠承擔(dān)邊坡下滑帶來(lái)的推力。然而由于該段公路BK0+060.000～K9+940.000 所處地理位置多雨，邊坡易受到雨水影響，增加了邊坡面溜塌的可能，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的抗滑樁加固方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2 邊坡加固方案優(yōu)化策略

針對(duì)BK0+060.000～K9+940.000 段，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固方案進(jìn)行邊坡加固優(yōu)化，錨索設(shè)計(jì)施工204 根。預(yù)應(yīng)力錨索加固方案在實(shí)際施工中所體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)包括方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等，基于以上優(yōu)點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案已經(jīng)逐漸應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。一般來(lái)講，高邊坡中的穩(wěn)定性受到多種因素影響，邊坡中的巖石高度帶來(lái)的重力、巖石裂縫中的水壓力等因素導(dǎo)致邊坡受到的剪切力不斷增加，而預(yù)應(yīng)力錨索便是通過(guò)拉桿來(lái)增加剪切面的阻力，進(jìn)而防止邊坡下滑移動(dòng)[3-4]。預(yù)應(yīng)力錨索加固方案流程圖見(jiàn)圖1 所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索加固方案施工流程

圖1 中顯示，預(yù)應(yīng)力錨索在實(shí)際應(yīng)用中需要經(jīng)過(guò)三個(gè)主要階段，分別是準(zhǔn)備階段、試驗(yàn)階段、架設(shè)階段。在準(zhǔn)備階段中，包括了原材料準(zhǔn)備、機(jī)具準(zhǔn)備以及施工準(zhǔn)備；在試驗(yàn)階段，需要進(jìn)行基本試驗(yàn)、工藝試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、水泥漿試驗(yàn)；在架設(shè)階段就需要進(jìn)行鉆孔、錨索進(jìn)孔、灌漿、結(jié)構(gòu)施工、張拉、鎖錨、封錨等操作。

在預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)用中，主要分為6 個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，首先是鉆孔，錨索孔的鉆設(shè)是所有操作的首要工作。其次是制作安裝預(yù)應(yīng)力錨索，在預(yù)應(yīng)力錨索制作中，需要保證用料的統(tǒng)一，并且在制作中需要將誤差控制在可允許范圍內(nèi)，即保證錨索精確度。在預(yù)應(yīng)力錨索入孔中，需要查看施工中獲取到的錨索尺寸是否滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的錨索孔，在入孔時(shí)容易出現(xiàn)卡索，需要現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)處理，保證錨索在錨索孔中的順利進(jìn)入[5-6]。然后需要進(jìn)行注漿施工，注漿施工前較為重要的是檢查設(shè)備的可用性和安全性，在施工中需要通過(guò)清水來(lái)進(jìn)行模擬注漿，而后進(jìn)行常規(guī)注漿，并在注漿過(guò)程中控制壓力，避免注漿失敗，注漿施工人員在注漿過(guò)程中還需要對(duì)注漿內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，注漿完成后需要對(duì)所有的錨固孔進(jìn)行檢查，確保施工質(zhì)量[7]。最后對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，同樣的，在預(yù)應(yīng)力張拉之前，需要確保張拉設(shè)備的可用性和安全性，在張拉過(guò)程中逐漸增加張拉力，從10%逐漸增加到100%，并在100%張拉力下持續(xù)30min，記錄伸長(zhǎng)值。錨索預(yù)應(yīng)力張拉的施工程序見(jiàn)圖2所示。

圖2 錨索預(yù)應(yīng)力張拉的施工程序

3 預(yù)應(yīng)力錨索加固工程實(shí)施效果

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索加固穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

綜合比較抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索加固方案之間的效果，可以得知，錨索具有更為可靠的受力條件，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力錨固后，邊坡巖體容易受到錨固效應(yīng)，是一種主動(dòng)受力，而抗滑樁是在巖體發(fā)生下滑時(shí)才開(kāi)始作用，屬于被動(dòng)受力。并且預(yù)應(yīng)力錨索在作用中能夠?qū)庸痰膸r體產(chǎn)生較為均勻的作用力，保證了邊坡的完整性，進(jìn)而提升其整體強(qiáng)度，增加穩(wěn)定性。此外預(yù)應(yīng)力錨索在施工中只需要進(jìn)行鉆孔操作，對(duì)巖體產(chǎn)生的擾動(dòng)和破壞較小，圍巖開(kāi)裂可能性降低，強(qiáng)度能夠得到保證。最后預(yù)應(yīng)力錨索在錨固作用中具有可大范圍變化方向的特點(diǎn)，對(duì)不同的地質(zhì)特征均具有較為顯著的適應(yīng)性，相較于抗滑樁而言具有更為廣闊的應(yīng)用前景。為了評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力錨索的穩(wěn)定性，采用FLAC3D 軟件進(jìn)行有限元模擬，穩(wěn)定性模擬流程圖見(jiàn)圖3 所示。

圖3 邊坡加固方案穩(wěn)定性模擬流程

從圖3 中可以看出，在穩(wěn)定性模擬中，首先建立邊坡的三維分析模型，在三維分析模型建立中，定義了本構(gòu)關(guān)系和材料屬性，同時(shí)定義了邊界條件和初始條件。將三維分析模型過(guò)渡到平衡狀態(tài)，檢查模型在模擬前的響應(yīng)特性，并判斷其是否滿(mǎn)足需求，無(wú)法滿(mǎn)足的模型便需要進(jìn)行三維模型重建。當(dāng)模型做出合理的響應(yīng)后，便執(zhí)行后續(xù)操作，進(jìn)行穩(wěn)定性求解。為了確保穩(wěn)定性求解結(jié)果具有普適性，需要不斷測(cè)試檢查模型響應(yīng)特性，并進(jìn)行大量試驗(yàn)，當(dāng)結(jié)果能夠滿(mǎn)足需求后，將結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)輸出。在測(cè)試中通過(guò)FLAC3D 軟件模擬，結(jié)果顯示，在預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的應(yīng)用中，其安全系數(shù)值達(dá)到了1.5，計(jì)算模擬抗滑樁加固方案，結(jié)果中顯示其安全系數(shù)值為1.25。比較預(yù)應(yīng)力錨索加固方案和抗滑樁加固方案之間的安全系數(shù)，可以得知，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的安全性更高，所表現(xiàn)出來(lái)的穩(wěn)定性也更高。

3.2 邊坡加固成本控制對(duì)比

采用預(yù)應(yīng)力邊坡加固方案，將在工程建設(shè)中，將預(yù)應(yīng)力錨索的錨固力設(shè)置為1000kN，錨索孔徑為110mm，錨束采用6 根鋼絞線(xiàn)編制而成，每根鋼絞線(xiàn)的直徑大小為15.2mm。從抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的成本控制效果來(lái)具體分析其在施工工程實(shí)施效益，見(jiàn)圖4 所示。

從圖4 中可以看出，在人員投入、主材以及輔材等指標(biāo)中的成本比較中顯示，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的成本顯著低于抗滑樁加固方案，預(yù)應(yīng)力錨索在機(jī)械費(fèi)用中的成本高于抗滑樁加固方案。從圖4 的成本比較中可以得知，在邊坡加固中的成本控制，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的效果更為明顯，即預(yù)應(yīng)力錨索加固相較于抗滑樁加固而言所產(chǎn)生的施工成本更低，帶來(lái)的效益更高。

圖4 邊坡加固方案成本控制對(duì)比

4 預(yù)應(yīng)力錨索邊坡加固綜合效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

邊坡加固方案的加固效果不僅僅體現(xiàn)在邊坡穩(wěn)定性控制中，也體現(xiàn)在邊坡加固施工中的經(jīng)濟(jì)效益中。經(jīng)濟(jì)效益指的是一項(xiàng)施工方案在實(shí)施中的成本控制，成本控制包括施工前的原材料準(zhǔn)備和施工中的材料浪費(fèi)情況。在預(yù)應(yīng)力錨索加固方案施工中，研究比較了其與抗滑樁加固方案之間的工程造價(jià)差異。

在抗滑樁加固方案中，研究所產(chǎn)生的工程造價(jià)為311.17 萬(wàn)元，在預(yù)應(yīng)力錨索加固方案中，研究中所產(chǎn)生的工程造價(jià)為111.26 萬(wàn)元。此外，計(jì)算兩種邊坡加固方案下的每米加固費(fèi)用，抗滑樁加固方案的每米加固費(fèi)用為0.9957 萬(wàn)元，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的每米加固費(fèi)用為1.0017 萬(wàn)元，兩者費(fèi)用相差不大。比較預(yù)應(yīng)力錨索加固方案與抗滑樁加固方案之間的每立方米邊坡加固產(chǎn)生的費(fèi)用，在抗滑樁加固方案的費(fèi)用計(jì)算中顯示，由于抗滑樁在加固中并未對(duì)樁后的邊坡部分進(jìn)行加固處理，因此體積計(jì)算中僅考慮樁前加固部分，得出結(jié)果為163.42 元/m3。在預(yù)應(yīng)力錨索加固方案費(fèi)用計(jì)算中，由于預(yù)應(yīng)力錨索加固方案能夠?qū)吰逻M(jìn)行完整性的錨固，因此在體積計(jì)算中需要將邊坡中的所有部分進(jìn)行考慮，計(jì)算得到的費(fèi)用為49.01 元/m3，顯著低于抗滑樁的單位體積費(fèi)用。因此從以上結(jié)果可以得知，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的經(jīng)濟(jì)效益顯著，相較于抗滑樁加固方案而言，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案在整體工程造價(jià)以及邊坡加固中的單位體積加固費(fèi)用均低于抗滑樁加固方案，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

4.2 社會(huì)效益分析

在邊坡加固中，研究對(duì)比分析了預(yù)應(yīng)力錨索加固方案與抗滑樁加固方案之間的加固效果以及兩個(gè)方案之間的經(jīng)濟(jì)效益差異，為了更清晰了解到預(yù)應(yīng)力加固方案的綜合效益，研究中進(jìn)一步分析了兩種方案的社會(huì)效益。

①資源投入，可以從方案實(shí)施中發(fā)現(xiàn)，抗滑樁加固方案工程是一個(gè)群體作業(yè)的項(xiàng)目，在施工過(guò)程中，施工人員具有較高的密集程度，并且抗滑樁加固方案對(duì)施工人員的體力要求較高，屬于一種高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)。因此在抗滑樁加固方案的實(shí)施過(guò)程中，人員投入量大，進(jìn)而導(dǎo)致物質(zhì)消耗量增加。而在預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的實(shí)施中，所投入的勞動(dòng)力集中在編錨索以及澆鑄錨墩中，并且機(jī)械化施工帶來(lái)的勞動(dòng)整體強(qiáng)度降低。此外由于機(jī)械化的智能效果，資源消耗和浪費(fèi)也較少。

②施工方案的安全性，從兩個(gè)方案的加固效果評(píng)價(jià)中可以得知，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，預(yù)應(yīng)力錨索的安全系數(shù)為1.5，顯著高于抗滑樁加固方案的安全系數(shù)。在預(yù)應(yīng)力加固方案的施工過(guò)程中，由于其主要是以機(jī)械施工為主，因此在施工中的人員參與度較低，安全容易得到保證。而抗滑樁加固方案通常采用人工挖井，且井深能夠達(dá)到15m，在井中作業(yè)時(shí)，極易發(fā)生安全事故。

③邊坡加固方案對(duì)邊坡的影響，抗滑樁加固方案一般是通過(guò)放炮形式進(jìn)行施工，在放炮階段，巖體受到?jīng)_擊后容易出現(xiàn)內(nèi)部裂隙，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞，改變巖石內(nèi)部力學(xué)性能。而預(yù)應(yīng)力錨索加固方案在施工中不需要進(jìn)行放炮開(kāi)挖，只需要進(jìn)行機(jī)械化的鉆孔操作，對(duì)邊坡下的巖體所造成的擾動(dòng)和破壞較小，保證了巖體的完整性，使巖體在后續(xù)的加固防護(hù)過(guò)程中能夠承受一定程度的破壞影響。

5 結(jié)語(yǔ)

路基施工中的邊坡穩(wěn)定性具有重要意義，針對(duì)邊坡的穩(wěn)定性處理，現(xiàn)有的施工都會(huì)對(duì)其進(jìn)行加固。研究中針對(duì)現(xiàn)有加固方案存在的缺點(diǎn)，提出預(yù)應(yīng)力錨索邊坡加固方案，并分析其施工效果和綜合效益。在結(jié)果中顯示，預(yù)應(yīng)力錨索加固相較于抗滑樁加固而言，效果更佳，并且在經(jīng)濟(jì)效益分析中顯示，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的工程造價(jià)以及單位體積費(fèi)用均低于抗滑樁。在社會(huì)效益分析中顯示，預(yù)應(yīng)力錨索加固方案具有更高的安全性，邊坡加固后的穩(wěn)定性更強(qiáng)。