松散堆積體邊坡預應力錨索支護參數設計

張德圣　陳立堂

摘要：松散堆積體邊坡是一種較為特殊類型的邊坡，治理難度大，而預應力錨索是邊坡支護中常用的、經濟有效的方法。由此，錨索參數設計顯得相當重要。基于前人研究成果基礎上，對預應力錨索設計參數進行了系統地歸納和總結，重點分析了堆積體邊坡錨索參數設計。分析認為，錨索參數設計主要集中在內錨固段長度、錨固角、錨固間排距等7個方面，每個參數設計都不可忽略。案例分析得知，理論計算得到的錨固支護參數與實際值較為吻合。

關鍵詞：松散堆積體；預應力錨索；支護；參數設計

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0001-05

堆積體是我國西南地區普遍發育的一種地形地貌，屬于第四系堆積作用形成的地質體。在水利水電、鐵路、公路等工程建設領域中，常會遇到一些大型的堆積體邊坡。自然狀態下，堆積體邊坡通常處于臨界狀態，一旦這種臨界條件發生改變，就會造成邊坡失穩。在治理邊坡失穩的支護結構中，預應力錨索是一種非常有效的、經濟的、常用的支護結構形式，在堆積體邊坡治理過程中也不例外。

對于預應力錨索參數的設計研究較多，主要集中于內錨固段長度，錨固角（錨固傾角），錨固間、排距，等三個方面的研究。根據前人研究可知，人們對于錨固支護參數的研究一般局限于某一個或幾個方面的研究；且沒有進行系統的、全面的分析和研究。此外，前人對于錨索參數的設計研究也多傾向于巖質邊坡，對于堆積體邊坡錨固參數的設計研究相對較少。本文以堆積體邊坡為研究對象，從錨索支護的6項參數人手，系統和全面地分析如何進行錨索參數的設計。旨在總結前人研究成果、積累經驗，為后期的研究提供依據、為堆積體錨索的設計、施工提供參考和借鑒。

1.參數設計關鍵影響因素

錨索加固堆積體邊坡的目的和加固其他類型邊坡的目的一致，即是改變堆積體的變形特性，增加其綜合強度。然而，堆積體邊坡與一般類型的邊坡不一樣，有其特殊性。一般地，堆積體邊坡的結構具有雙層結構，即上伏堆積體和下伏基巖。上伏堆積體一般比較松散，多孔隙；下伏基巖一般比較致密；在上伏堆積體和下伏基巖之間常常分布一薄夾層（坡積層或洪積層），該接觸帶夾層往往形成潛在的滑移面。所以，可以從堆積體結構和加固目的等方面來分析影響堆積體邊坡錨索參數設計的影響因素。

1.l基巖的性質

巖體的強度決定了巖體與錨固體間的粘結強度，粘結強度是決定內錨固段長度的重要因素；同時，巖體強度也決定了施加預應力大小，巖體強度越高，錨下巖體承載力越大，巖體的變形越小，預應力長期穩定性越高。

1.2堆積體的性質

堆積體的組成、厚度和透水性等方面是工程設計與施工中必須要考慮的問題，它們也是影響錨索設計參數的重要因素之一。堆積體的組成不同，其密實性也有所不同；堆積體的厚度直接影響到錨索的設計長度，也會影響到該類邊坡的穩定性；水是工程邊坡的一個不利的影響因素，堆積體的透水性與否也會誘導該類邊坡是否會發生失穩。

1.3堆積體邊坡被加固安全系數

預應力錨索可以在很大程度上提高邊坡的安全穩定性系數。而被加固邊坡安全系數要求越高，安全儲備越大，邊坡穩定性越好；相應地，由此引發的工程量也越大。然而，在實際工程的設計與施工過程中，人們不可能一味地提高邊坡工程的安全等級，還要考慮到工程的經濟性和合理性問題。

2.參數設計

2.1內錨固段長度

內錨固段長度一般有兩部分組成：即有效長度和安全儲備長度。錨索工程設計中，錨固段長度設計是關鍵問題之一，而錨固段中剪應力分布是影響錨固段長度的最主要因素。目前，仍然以這種剪應力在錨固段中平均分布來設計錨固段長度，該計算方法顯然不夠合理。鑒于此，很多學者都對內錨段長度進行了研究。研究結果表明，預應力錨索錨固段的受力范圍較短，在靠近自由段處應力較大，沿錨根方向應力迅速衰減。錨固段的剪應力在靠近頂端（自由段與錨固段分界端點）的一側取得最大值，剪應力的一般分布規律為先逐漸快速上升后再逐漸下降的曲線。

由此可知，提高錨固效果應增加有效的錨固面積或分散錨固段前端的集中應力。內錨段長度設計中，要考慮索體與錨固體之間、錨固體與巖土體之問的粘結強度，當然，群錨設計中還要考慮相鄰錨索之間的相互影響，這在錨索間、排距部分再進行闡述。

2.2

錨固角（錨固傾角）

設錨索的水平傾角為θ，工程上通常把θ稱為錨固角（見圖1）。按照最大抗滑力與最小投資時錨固角為最優錨固角的優化設計方法，可獲得最優錨固角：θ=π/4+ψ/2-α。其中，α為滑動面的傾角；ψ為滑動面的內摩擦角。

實際鉆孔時，可通過校正和調整鉆機的鉆桿傾角（鉆孔傾角）來控制錨固角；根據設計需要，在終孔驗孔時還要進行錨索孔的測斜，其中一項是檢查錨固角是否達到設計要求。

2.3錨索間、排距

錨固間、排距的大小不僅取決于被加固巖土體的范圍，還與加固荷載的大小及與錨索內錨固段應力疊加相應的錨固間最小距離有關。被加固巖土體在預應力錨索作用下，會在巖土體坡面形成壓應力，在內錨段形成拉應力。因此，在進行錨固間、排距設計時，應盡量使外錨墩下巖土體在張拉荷載作用下所產生的壓應力能夠搭接而又不能使內錨段形成統一的拉裂面。實際工程中，錨固間、排距可以通過理論公式確定，也可以應用數值模擬方法確定。不過最好的方法還是把理論公式、數值模擬方法、工程經驗和現場試驗方法結合起來進行設計可能更合理一些。

2.4錨固方位角

根據《水電水利工程預應力錨索施工規范》¨引，錨固方位角誤差應小于或等于3。。其實，錨固方位角是一項比較細小的工程問題，通常被人們所忽略。一般認為，錨索孔均與坡面走向線垂直，其實不然。例如，坡面走向線為曲線時，錨固方位與坡面走向可能斜交（見圖2）。錨索孔方位角的設計不僅與巖層結構面的走向、傾向等有關，還要考慮到實際施工中可能出現的問題，種種因素決定錨索孔方位角與坡面走向的垂線方向不一致。實際工程中，為避免錨固方位角出現錯誤，一般用GPS等儀器標出方位角，由兩點控制（孔位點和孔位外任意一點）；鉆孔時，可用地質羅盤校正鉆機的方位來控制錨固方位角。

2.5錨索全長

錨索總長由錨索自由段、張拉段和外露段長度組成；而文獻和則認為，錨索總長由孔深、錨墩厚度和張拉用索體長度組成（鋼絞線下料長度）。雖然兩種觀點是一致的，但本人作者則傾向于后一種觀點，因為該觀點更具有可操作性和鮮明性。值得一提的是，對于堆積體錨索而言，錨墩厚度一般都較大，與巖錨錨墩厚度差別很大；而張拉用索體長度必須大于或等于張拉用千斤頂體長、工作（工具）錨厚度和工作（工具）夾片長度三者之和。在進行堆積體頇應力錨索孔深設計時，錨索必須要穿過堆積體厚度并深入到完整的基巖中。

2.6錨固力、每束錨索所需鋼絞線根數與錨孔直徑

錨固力的設計可參考《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）進行。其計算原理是把錨作用力簡化為作用于坡面上的一個集中力，錨固力計算簡圖如圖3所示。按照規范，設計錨固力是根據邊坡不穩定力（下滑力）確定，其計算公式為

每束錨索所需鋼絞線根數與錨索孔直徑是由錨固力大小來設定的，一般地，錨固力越大，錨孔直徑也越大、所需鋼絞線根數也越多。具體地，錨孔直徑、每束錨索所需鋼絞線根數的設計值要根據錨索體的截面積來確定，也即錨索孔橫截面積應大于等于錨索體截面積或錨索孔徑應大于等于錨索體的直徑；而鋼絞線根數和錨索體截面積可以根據如下計算公式確定：

3.案例分析

小灣電站位于云南省大理自治州南澗縣與臨滄地區鳳慶縣交界處的瀾滄江中段河段，是瀾滄江中下游河段上第二座梯級電站。堆積體邊坡是小灣邊坡工程中的一種典型邊坡，堆積體邊坡可能存在的失穩滑動面位于堆積體與基巖的接觸面附近。根據相關文獻，堆積體邊坡可能滑動面的傾角和堆積體與基巖之間的接觸面傾角一致，即傾角大約為45°；潛在滑動面的內摩擦角為25°～40°，平均內摩擦角為30°；該堆積體邊坡預應力錨索內錨固段長度設計值：設計噸位為1000kN的錨索內錨固段長為4～6m（實際值8m），而1800kN的錨索內錨段長為5～8m（實際值10m）；群錨間距×排距設計值為5m×4m。此外，根據現場錨索施工獲悉：錨索的水平傾角為12°左右；錨索體材料抗拉強度f_ptk=1860MPa，單根鋼絞線截面積A=140mm²，設計錨固力T_w=1000kN的錨索所需鋼絞線的根數為7根。

根據上述所列出的部分參數，現對堆積體錨索主要設計參數進行對比分析如下：

（1）內錨固段長內錨固段長度過長，會造成不必要的浪費；長度過短又達不到錨固效果。根據前文所述，內錨固段長度一般由有效長度和安全儲備長度組成，而事實上內錨固段長主要取決于有效長度。故此，筆者主要對錨固的有效長度進行了分析研究。通過錨固段軸力、剪應力延伸范圍的模擬計算結果與試驗（測試）結果的對比可知（見表1），小灣電站堆積體邊坡預應力錨索內錨固段長度：1000kN和1800kN噸位的錨索，內錨固段有效長度分別為1.5m和3.5 m即可滿足要求。而1000kN和1800kN錨索內錨段長度的設計值為4～6m（實際取值8m）和5～8m（實際取值10m）。

（2）錨固角小灣電站堆積體邊坡錨索的錨固角一般為12°；同時根據文獻，該邊坡的潛在滑動面傾角大約為45°、內摩擦角為25°-40°（平均值為30°）。根據前文的最優錨固角公式：θ=π/4+ψ/2-α，可計算出θ=15°（平均值）。由此可知，案例中的設計錨固角與最優錨固角雖存在差異，但兩者的數值又較為接近。

（3）錨固間、排距群錨設計與施工時，錨固間、排距是必須要考慮的支護設計參數之一。錨固間、排距之間的距離過近，將導致錨固的群錨效應，嚴重的會造成錨固失效；而錨固間、排距的距離過遠，又可能起不到聯合支護的作用。尤其是松散堆積體，合理的間、排距設計往往起到事半功倍的作用。

數值模擬研究時發現（見圖4），錨固間、排距為5m時較為合理。錨固間、排距為4m時，坡面形成的壓應力疊加區域有利于邊坡穩定，但同時在內錨段又可能產生拉應力的疊加區域，該拉應力疊加區域可能會導致內錨段巖體遭受破壞，嚴重的會導致錨固失效。然而，錨固間、排距增大到5m時，既會在坡面形成人們期望的壓應力疊加區域，又不會在內錨段形成拉應力疊加區域，這正是預應力錨索設計與施工所期望達到的效果。故此認為，堆積體邊坡預應力錨索的設計間、排距以5m為宜。案例中的群錨間距×排距設計值為5m×4m，與研究較為吻合。

由以上計算可知，該設計錨索可使用7-8根鋼絞線較為合理；而案例中，1000kN錨索所使用的鋼絞線的根數為7根。由此，該設計計算較為合理，其他錨索可依此計算公式進行設計計算。

4.結語

預應力錨索是松散堆積體邊坡支護中的一種重要的支護手段，錨索參數設計的好壞將直接影響到錨索的錨固效果，也勢必會影響到整個邊坡工程的穩定性。

根據分析認為，堆積體邊坡錨索參數設計中，包括了內錨固段長度、錨索間排距和錨固角等7個方面內容，而且這些設計參數都是不可忽略的和極其重要的。把小灣工程堆積體邊坡錨索設計參數與理論設計參數進行計算對比分析可知，理論計算得到的錨固設計參數與案例中的實際錨索設計參數較為吻合。