預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡道路施工中的技術(shù)分析

陳玥

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡道路施工中的技術(shù)分析

陳玥

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

高邊坡是道路工程施工的重要問(wèn)題。分析了影響高邊坡穩(wěn)定的主要因素，總結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)高邊坡道路加固的力學(xué)機(jī)理和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，剖析了采用預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工技術(shù)和關(guān)鍵要點(diǎn)，最后結(jié)合工程案例分析了預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡加固中的實(shí)施和有效性。

預(yù)應(yīng)力錨索；高邊坡；道路施工；技術(shù)分析

1 概述

隨著我國(guó)公路建設(shè)的推進(jìn)，路網(wǎng)系統(tǒng)愈加完善，相關(guān)道路的建設(shè)等級(jí)和要求也越來(lái)越高，且相當(dāng)一部分的公路建設(shè)面臨復(fù)雜的地形和地質(zhì)環(huán)境，這給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。其中，高邊坡就是道路建設(shè)中面臨的普遍難題[1]。

高邊坡一般指公路建設(shè)中，路基兩邊的土質(zhì)邊坡高度大于20 m或者巖質(zhì)邊坡高度大于30 m的邊坡，由于過(guò)大的坡度和高度，給高速公路的施工和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)普遍性的安全隱患，特別是在突發(fā)荷載（如地震、泥石流等）作用下，高邊坡的穩(wěn)定性備受關(guān)注。我國(guó)運(yùn)營(yíng)的部分道路工程出現(xiàn)高邊坡的病害問(wèn)題，例如邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致的道路淹埋、流石流泥、滑坡、局部坍塌、落石和坍塌等[2]，這些病害問(wèn)題很多是施工建造過(guò)程不重視引起的，沒(méi)有設(shè)定有效的邊坡穩(wěn)定施工解決方案，導(dǎo)致對(duì)既有道路的交通安全和道路使用造成隱患，需要進(jìn)行治理和加固以恢復(fù)道路的使用性能，增大道路管養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)壓力。

高邊坡穩(wěn)定的施工解決措施包含表層防護(hù)和邊坡加固兩種，表層防護(hù)包括放緩坡度、植草灌漿固定等，主要適用穩(wěn)定性較好的邊坡；穩(wěn)定性較差的需要采用預(yù)應(yīng)力錨索、土釘、管樁等加固措施，才能徹底解決邊坡失穩(wěn)問(wèn)題[3，4]。

本文將研究預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡穩(wěn)定加固中的技術(shù)措施，首先分析高邊坡失穩(wěn)的影響因素，然后分析預(yù)應(yīng)力錨索加固的力學(xué)機(jī)理和計(jì)算方法，并給出采用預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工措施和注意事項(xiàng)，最后結(jié)合一工程案例，給出基于設(shè)計(jì)條件的預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計(jì)方案和施工方案。

2 高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題的影響因素分析

諸多因素可以影響到道路高邊坡的穩(wěn)定性，總結(jié)而言，巖土本身特性、地質(zhì)構(gòu)造和地下水特征是主要影響因素。

2.1 高邊坡巖土自身特性

巖土特性是高邊坡穩(wěn)定的重要內(nèi)在因素。對(duì)于土質(zhì)邊坡，土質(zhì)條件是邊坡穩(wěn)定的基本，砂土容易流沙滑坡而黏性土的黏聚力較大不易破壞。對(duì)于巖質(zhì)邊坡，情況則更為復(fù)雜，巖石自身的強(qiáng)度和巖質(zhì)邊坡特性是關(guān)鍵參數(shù)，如若巖石自身強(qiáng)度不高，巖石的形成不連續(xù)，存在破裂等軟弱層，則受到環(huán)境作用時(shí)，其破壞往往是巖石最弱連接界面展開(kāi)，當(dāng)外界荷載大于巖層的強(qiáng)度時(shí)，便可能形成連續(xù)破壞從而導(dǎo)致邊坡的坍塌。一般而言，塊狀和反坡向?qū)訝畹膸r層特性是穩(wěn)定的，而順坡向?qū)訝顜r層容易產(chǎn)生剪切型破壞，碎裂散狀巖層則易形成滑動(dòng)型破壞。

2.2 場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造特性

高邊坡可以是路基開(kāi)挖形成，也可能是自然形成。如果是路基開(kāi)挖形成，則會(huì)由于開(kāi)挖的影響穩(wěn)定性更差，受場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造影響更顯著。例如是否存在地震和震動(dòng)、巖土風(fēng)化狀況及出露位置等。其中，地震和震動(dòng)是高邊坡最大的安全隱患，受地震作用的慣性力作用，邊坡的失穩(wěn)和破壞往往是瞬時(shí)的，因而需要根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)狀況基于地震破壞的可接受水準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工加固。

2.3 地下水分布特性

由于地下水影響巖土的基本物理特性和力學(xué)特性，因而對(duì)邊坡穩(wěn)定具有顯著影響。隨著地下水位的變化，巖土的剪切力和法向力在變化，相應(yīng)的最弱破壞面也在不斷變化，如果邊坡中某些微裂縫存在，則地下水的存在嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)抗力，并形成靜水壓力增加裂縫的開(kāi)展。如天氣變冷，裂縫中的水尚未排出，則水分的凍結(jié)會(huì)導(dǎo)致裂縫膨脹，造成邊坡失穩(wěn)。

3 預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡加固原理

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索加固機(jī)理

根據(jù)高邊坡穩(wěn)定的影響因素，預(yù)應(yīng)力錨索加固就是讓軟弱的邊坡通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索固定到穩(wěn)定的巖層中，從而使得其變形受到約束，整體保持穩(wěn)定平衡。具體而言，如圖1所示，預(yù)應(yīng)力錨索通過(guò)高邊坡中軟弱的土層或巖層，穿過(guò)滑動(dòng)面連接到穩(wěn)定且堅(jiān)硬的巖層中，在該側(cè)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力索張拉，張拉完成后注漿錨固，強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力使得巖層整體性更好。同時(shí)，注漿一方面使得錨索穩(wěn)定，另一方面漿體注入周邊巖土縫隙，有效提高其摩擦阻力，加強(qiáng)邊坡軟弱層的黏結(jié)性和整體性。這樣，整體邊坡形成整體，并與受錨固的巖層共同受力變形，穿透滑動(dòng)面的錨索極大降低邊坡的整體失穩(wěn)問(wèn)題，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)示意圖

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)計(jì)算方法

預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際邊坡的穩(wěn)定失效模式確定。高邊坡的失效模式眾多，包含潰屈破壞、水平錯(cuò)位破壞、順層滑動(dòng)、崩塌破壞、圓弧滑動(dòng)等，其中滑動(dòng)破壞是整體型破壞，影響最為嚴(yán)重，在高邊坡中的發(fā)生頻率也最高，預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)以保證高邊坡不發(fā)生整體滑動(dòng)失效為根本。

滑動(dòng)失效的根本原因是邊坡軟弱層形成的潛在剪切面上，滑體所形成的向下滑動(dòng)力大于其抗滑力，出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的剪切面破壞。而潛在剪切面對(duì)于巖層而言一般是裂隙、斷層或者節(jié)理發(fā)達(dá)的軟弱區(qū)域，對(duì)于土層而言則是對(duì)應(yīng)土力學(xué)機(jī)理的圓弧滑動(dòng)面。預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)就是以增加滑動(dòng)面法向約束力的方式提高其切向摩擦力，可以采用有限條分法確定其錨固效率：

式中：Li是第i條滑動(dòng)面的長(zhǎng)度；Ni是第i條滑動(dòng)面上的法向力；Ti是第i條滑動(dòng)面上的切向力；PN是錨索錨固所產(chǎn)生的法向分力；PT是錨索錨固所產(chǎn)生的沿滑動(dòng)面的切向分力；Ci是第i條滑動(dòng)面上的黏聚力；f是滑動(dòng)面上的巖土摩擦系數(shù)；K是預(yù)應(yīng)力錨索作用下高邊坡穩(wěn)定系數(shù)。各成分如圖1所示。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)計(jì)算模式，可以看到：為了充分發(fā)揮錨索的錨固效率，錨索的安放位置、間距、數(shù)量、傾角等，都應(yīng)該根據(jù)可能滑動(dòng)面進(jìn)行設(shè)置，以錨索與滑動(dòng)面呈大角度相交為宜，注意不要使得錨索的施加效果導(dǎo)致滑動(dòng)概率增加。

4 預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索施工的基本規(guī)程是邊坡修整、測(cè)量定位、鉆孔、孔道清理與檢測(cè)、錨索安裝、注漿、張拉，這其中，邊坡修正、鉆孔、孔道清理與檢驗(yàn)、錨索注漿和錨索張拉是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.1 高邊坡的修整

高邊坡表層影響整體的邊坡穩(wěn)定，因此在安裝預(yù)應(yīng)力錨索前需要將表層進(jìn)行修整和清理，對(duì)于破碎巖層和巖渣，需要進(jìn)行平整，保證邊坡平緩性；對(duì)于土質(zhì)邊坡，由于雨水對(duì)邊坡穩(wěn)定影響很大，需要進(jìn)行表層排水及表層植被固定處理，維持表層巖土的穩(wěn)定性。

4.2 鉆孔施工

鉆孔是預(yù)應(yīng)力錨索施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在鉆孔前需要根據(jù)巖土特性選擇鉆孔機(jī)械設(shè)備。一般而言，巖石需要采用潛孔沖擊鉆孔的方法，在巖石破碎后可以采用跟管鉆進(jìn)的方式，穩(wěn)定巖層結(jié)構(gòu)。另外，鉆孔過(guò)程還需要搭設(shè)一定的腳手架，并在鉆進(jìn)過(guò)程中及時(shí)清除殘?jiān)_保鉆進(jìn)按照預(yù)期位置進(jìn)行，鉆孔的孔徑誤差和垂直度誤差保持在可接受范圍。鉆進(jìn)可能遇到塌方問(wèn)題，因此需要事前做好預(yù)控方案。鉆孔孔徑需要保證不低于設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力索的索徑。

4.3 孔道清理及檢驗(yàn)

鉆孔完成后需要對(duì)孔道內(nèi)的粉塵和殘?jiān)M(jìn)行徹底清除，注意到不清楚殘?jiān)瓦M(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索安裝和注漿，注漿后巖土受到泥土影響?zhàn)ば越档停⒉荒苄纬珊芎玫恼w受力，因此錨索的有效性將大打折扣。孔道清理可以采用高壓水或者高壓空氣進(jìn)行清理，直到鉆孔檢驗(yàn)合格后才能進(jìn)行下一步的施工工作。

4.4 錨索安裝和注漿

預(yù)應(yīng)力錨索的基本構(gòu)造如圖2所示，進(jìn)行注漿時(shí)需要確保砂漿配合比符合標(biāo)準(zhǔn)，并事前攪拌均勻，保證在初凝前注漿完畢。注漿一般分為兩個(gè)過(guò)程——錨固段的注漿和自由錨索段與孔壁中縫隙的注漿填充。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索的基本構(gòu)造

4.5 預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工

預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)分級(jí)張拉，保證各個(gè)錨索的都能達(dá)到預(yù)期張拉力，張拉中采用張拉力和伸長(zhǎng)值雙控方法控制張拉噸位，同時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡側(cè)一般配合框架梁進(jìn)行協(xié)同聯(lián)合，使得所有預(yù)應(yīng)力錨索發(fā)揮對(duì)整體邊坡的防護(hù)加固效果，如圖3所示。

圖3 高邊坡加固的預(yù)應(yīng)力錨索框架梁

5 工程案例解析

5.1 工程背景

廣東省龍川至懷集公路工程TJ2標(biāo)段K10段線路以深挖方的形式通過(guò)，開(kāi)挖方量大，形成了平均10m的高路塹邊坡，坡體開(kāi)挖后地應(yīng)力調(diào)整較大，形成了較大的松弛區(qū),此外坡體存在基巖裂隙水，風(fēng)化程度高，地下水較易在層面上積聚，因此此類(lèi)邊坡較易產(chǎn)生沿層面的滑移破壞。另外，強(qiáng)降雨的作用，雨水沿陡傾的節(jié)理或?qū)用嫦聺B，較易產(chǎn)生滲透壓力及靜水壓力，往往成為觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素。

根據(jù)對(duì)該區(qū)域巖土狀況和地質(zhì)條件的調(diào)查，采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行高邊坡防護(hù)加固效果較好，因此首先對(duì)沿巖層面滑動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果顯示，邊坡穩(wěn)定性以巖層面控制，在擬定的坡形坡率下，正常工況穩(wěn)定系數(shù)為1.139，暴雨工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.979，屬欠穩(wěn)定邊坡施工采用錨桿和錨索雙重加固。

5.2 預(yù)應(yīng)力錨索加固施工

根據(jù)設(shè)計(jì)檢算，采用錨索框架，錨索設(shè)3排，長(zhǎng)20 m；錨索采用普通拉力型預(yù)應(yīng)力錨索，錨索體直徑150 mm，注M30水泥砂漿；錨索主筋采用15.24、強(qiáng)度1 860 MPa的6束高強(qiáng)、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，設(shè)計(jì)噸位600 kN。錨索框梁截面尺寸為0.5 m×0.5 m，嵌入深度為0.40 m，C30混凝土灌注，配合高邊坡的整體防護(hù)。

施工結(jié)果顯示，錨索就能按照施工方法達(dá)到預(yù)設(shè)錨固噸位，注漿效果良好，邊坡穩(wěn)定性良好，大雨條件下均穩(wěn)定性好。

6 結(jié)語(yǔ)

保障道路運(yùn)營(yíng)安全和長(zhǎng)期性能具有重要意義，道路高邊坡的穩(wěn)定性能是需要關(guān)注的重點(diǎn)之一。論文探討了影響高邊坡穩(wěn)定的主要因素，并提出采用預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡加固機(jī)理和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，從而總結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索加固的施工技術(shù)。最后結(jié)合工程案例分析了預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡防護(hù)加固中的有效性和方法，為公路高邊坡防護(hù)提供參考。

[1]饒運(yùn)章,朱為民.我國(guó)道路邊坡防護(hù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].華東公路,2011（1）:46-48.

[2]歐小祥,韓紅桂,賀威.某高速公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].公路工程, 2009,34（1）:120-124.

[3]吳琳生.預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)在高邊坡防護(hù)工程中的應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2007（3）:100-103.

[4]高志兵.預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)在公路高邊坡施工中的應(yīng)用[J].山西建筑,2016,42（14）:142-143.

U417.1+2

B

1009-7716（2017）04-0048-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.014

2016-12-27

陳玥（1981-），女，江蘇鹽城人，公路工程師，從事道路設(shè)計(jì)工作。