路基高邊坡錨索加固方案的預(yù)應(yīng)力損失分析

付冬林

（上海同濟(jì)檢測技術(shù)有限公司,上海 201900）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國高速公路建設(shè)數(shù)量逐漸增多，邊坡治理問題成為影響高速公路質(zhì)量的重要難題。部分高速公路由于地形地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜特殊，須對(duì)邊坡進(jìn)行合理有效治理，確保其穩(wěn)定性，保障道路安全。預(yù)應(yīng)力錨索加固施工便捷、成本低廉、加固效果顯著[1-3]。該文針對(duì)高速公路路基邊坡錨索加固預(yù)應(yīng)力損失誘因進(jìn)行分析，并提出針對(duì)性改善措施，對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性、確保高速公路質(zhì)量具有深遠(yuǎn)意義。

1 工程概況

某高速合同段，路基高邊坡錨索加固項(xiàng)目，頂面長度21 m，高42 m，路基底面長度48 m，邊坡如下圖所示，其由自然邊坡與人工邊坡共同構(gòu)成。圖①和圖③為自然邊坡，圖②為人工邊坡，兩者坡度分別為1 ∶1.25和1 ∶1.2。

路基高邊坡錨索加固時(shí)，人工開挖邊坡，表面澆筑混凝土，厚度約30 cm，隨后設(shè)置高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固，錨索共3 道，間距8.5 m，詳見圖1 所示。

圖1 邊坡計(jì)算模型示意圖

2 模型建立

以ANSYS 有限元軟件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索路基高邊坡數(shù)值模型的建立，有限元模型如圖2 所示，模型為6 節(jié)點(diǎn)5 面體單元，節(jié)點(diǎn)7 235個(gè)，單元5 618個(gè)。

圖2 有限元模型示意圖

采用二維4 節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，在有限元模型中模擬巖土，同時(shí)采用二維桿單元LINK1 模擬錨索，采用初應(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力。設(shè)置約束條件對(duì)錨索邊坡加固環(huán)節(jié)進(jìn)行精確數(shù)據(jù)計(jì)算：1）約束邊坡左側(cè)位移和底部豎直位移；2）確保邊坡左右對(duì)稱，且無剪應(yīng)力存在；3）無路基邊坡豎向限制，存在豎向變形可能性。表1 為有限元模型選取材料的詳細(xì)物理參數(shù)值。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)選取

3 錨索預(yù)應(yīng)力損失原因分析

巖土體蠕變、張拉鎖定、漿體收縮、鋼絞線松弛、施工工藝等均為路基高邊坡錨索加固時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要誘因[4-5]。

3.1 錨索張拉過程中預(yù)應(yīng)力損失

錨索鉆孔過程中，由于加固錨索較長和設(shè)備自身振動(dòng)以及自重等因素影響，可能導(dǎo)致鉆桿彎曲下沉，使鉆道彎折難成直線。彎曲程度越大，錨索張拉過程中出現(xiàn)應(yīng)力損失的可能性越大，錨索鉆孔彎曲度與錨索預(yù)應(yīng)力損失值之間的關(guān)系如式（1）所示。

式中，P——錨索張拉荷載；ΔP——錨索預(yù)應(yīng)力損失值；n——錨索鉆孔孔道偏斜率。

錨索張拉系統(tǒng)包括千斤頂、增壓油泵、輸送油管和壓力表，使用過程中選擇張拉方式不同，會(huì)導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力損失程度有所差異。結(jié)合地形因素和環(huán)境條件，實(shí)踐中多以單臺(tái)設(shè)備依次張拉錨索，該方案雖然使用便捷且可操作性強(qiáng)，但是使用中易造成錨索變形，預(yù)應(yīng)力損失程度較大。

3.2 錨索鎖定時(shí)預(yù)應(yīng)力損失

隨著錨索被張拉，其預(yù)應(yīng)力逐漸增加至荷載水平，此時(shí)將千斤頂卸載后，在卡片與鋼絞絲的瞬時(shí)收縮力作用下，錨具被瞬間鎖定，與此同時(shí)錨索與孔道之間存在的摩擦作用力、鋼絞絲回縮作用力影響下，會(huì)使錨索預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的損失[6]。

3.3 錨索鎖定后預(yù)應(yīng)力損失

錨索鎖定后出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失是一個(gè)長期演變的過程，對(duì)此產(chǎn)生影響的因素包括施工工藝、巖體變形、注漿材料選擇、鋼絞絲松弛等因素。圖3 為錨索鎖定之后預(yù)應(yīng)力損失情況。

圖3 錨索預(yù)應(yīng)力長期變化曲線

4 錨索預(yù)應(yīng)力損失影響分析

選用ANSYS 建立有限元模型，為探究錨索預(yù)應(yīng)力損失和錨索變形及錨索加固邊坡安全系數(shù)之間的關(guān)系，假定每次錨索預(yù)應(yīng)力的損失為200 kN，分別探究錨索預(yù)應(yīng)力在0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情況下的模型變化規(guī)律并對(duì)其進(jìn)行討論，結(jié)果如下：

4.1 錨索預(yù)應(yīng)力損失對(duì)安全系數(shù)影響

借助ANSYS 有限元軟件建立錨索加固邊坡數(shù)值，比較錨索預(yù)應(yīng)力數(shù)值為0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情況下錨索加固邊坡安全系數(shù)變化情況，并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行分析，詳見圖4 所示。

圖4 錨索預(yù)應(yīng)力－安全系數(shù)變化曲線

對(duì)圖4 分析可知，錨索加固邊坡安全系數(shù)與錨索預(yù)應(yīng)力水平之間存在相關(guān)性，錨索加固邊坡安全系數(shù)隨錨索預(yù)應(yīng)力的減小而降低。證明錨索加固邊坡此時(shí)的安全性最差，穩(wěn)定性不足。

4.2 錨索預(yù)應(yīng)力損失對(duì)位移和變形影響

采用有限元軟件建立邊坡數(shù)值模型，探究錨索預(yù)應(yīng)力損失與錨索加固邊坡位移和錨索變形之間的關(guān)系，針對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力分別為0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情況下的錨索加固邊坡主應(yīng)力值、剪力值、最大位移值等變化規(guī)律進(jìn)行分析，詳見圖5 所示。

對(duì)圖5 分析可知：1）隨錨索預(yù)應(yīng)力損失越大，錨索加固邊坡的水平位移值和豎向位移值越大。錨索預(yù)應(yīng)力從最大值1 200 kN 變?yōu)? 000 kN 時(shí)，邊坡位移并無明顯變化，表明預(yù)應(yīng)力損失初期無邊坡位移。當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平從200 kN 降低到0 kN 時(shí)，邊坡位移明顯增加，錨索預(yù)應(yīng)力完全喪失，錨索加固邊坡位移巨大，邊坡穩(wěn)定性受阻。2）錨索預(yù)應(yīng)力減小的情況下，邊坡剪應(yīng)力與主應(yīng)力也隨之減小，主應(yīng)力隨錨索預(yù)應(yīng)力損失變化的趨勢(shì)小，剪應(yīng)力隨錨索預(yù)應(yīng)力損失變化的趨勢(shì)大，即錨索預(yù)應(yīng)力損失對(duì)邊坡剪應(yīng)力的影響較大。

圖5 錨索預(yù)應(yīng)力分別與位移和應(yīng)力變化曲線

4.3 錨索預(yù)應(yīng)力損失對(duì)塑性區(qū)變形影響

通過有限元軟件ANSYS 建立邊坡數(shù)值模型，對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失與錨索加固塑性區(qū)變形之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究，并對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力取值為400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN 情況下的錨索邊坡塑性區(qū)變化情況進(jìn)行了對(duì)比性分析。結(jié)果如下：1）隨著錨索預(yù)應(yīng)力損失程度增加，邊坡塑性區(qū)位移值增大；2）錨索預(yù)應(yīng)力水平為1 000 kN時(shí)，邊坡塑性區(qū)位移并無明顯變化，而當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力損失到800 kN 時(shí)，邊坡塑性區(qū)位移值增大；3）錨索預(yù)應(yīng)力損失后取值為600 kN 時(shí)，塑性區(qū)坡腳出現(xiàn)隆起；4）錨索預(yù)應(yīng)力損失至400 kN 時(shí)，塑性區(qū)擴(kuò)展，邊坡中心位置被侵犯，即邊坡穩(wěn)定性顯著降低，出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)面，即邊坡變形[7-8]。

5 施工建議

錨索預(yù)應(yīng)力損失與注漿材料、施工工藝、鋼絞絲松弛張拉等密切相關(guān)，這是一個(gè)不可避免的過程，而采取有效措施降低錨索預(yù)應(yīng)力損失值，則是提高邊坡穩(wěn)定性的重要舉措。

（1）鋼絞線具備松弛特性，易在荷載作用下導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力損失，需選高強(qiáng)度低松弛性能的鋼絞線，作為錨索材料。

（2）錨索預(yù)應(yīng)力損失最大的階段在錨索張拉過程中，需進(jìn)行張拉補(bǔ)償，以減輕預(yù)應(yīng)力損失。

（3）注漿材料包括水泥、細(xì)砂、添加劑、水等，需合理配備材料比例達(dá)到施工要求，符合工藝規(guī)范。漿體密實(shí)度須大于90%，提高漿體與錨固基巖間黏結(jié)強(qiáng)度，確保二次高壓劈裂注漿效果。

（4）鉆孔過程保持孔道垂直，避免錨索穿梭過程中扭轉(zhuǎn)。

6 結(jié)論

該文對(duì)錨索加固邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失的誘因進(jìn)行了分析，并結(jié)合實(shí)踐得出以下結(jié)論：

（1）錨索加固邊坡預(yù)應(yīng)力損失主要分為長期損失和短期損失兩種類型，前者由鋼絞線松弛、巖土體蠕變、漿體收縮等引起，后者由張拉鎖定時(shí)預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失引起。錨索預(yù)應(yīng)力損失會(huì)導(dǎo)致邊坡水平、豎直位移增加，從而降低邊坡安全系數(shù)，主應(yīng)力、剪應(yīng)力減小，邊坡塑性區(qū)變形增加。

（2）為減少錨索預(yù)應(yīng)力損失可選用以下措施：選擇高強(qiáng)度低松弛鋼絞線；確保鉆孔過程中孔道垂直和錨索無扭轉(zhuǎn)；張拉過程同步張拉并進(jìn)行補(bǔ)償；注漿工序確保漿體質(zhì)量與密實(shí)度。