關(guān)于常見邊坡錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算的研究

文/瞿宇 中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司 湖南長沙 410014

1、概述

復(fù)雜的地質(zhì)體是巖土工程研究的對象，在經(jīng)歷了長久的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)自然風(fēng)化、人類活動、構(gòu)造運(yùn)動等作用，從而形成大量諸如斷層、節(jié)理、層理、溶溝、軟弱層、溶槽等地質(zhì)缺陷。一般情況下，通常巖土體處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)；若一些條件變動，原來的平衡狀態(tài)就可能變得不再平衡，如在邊坡開挖與施工過程中，其固有的應(yīng)力狀態(tài)重新組合或分布，因此導(dǎo)致巖土體不再保持平衡狀態(tài)而發(fā)生變形，嚴(yán)重的會導(dǎo)致塌陷、巖崩、坍落、面沉降以及滑坡地等常見的地質(zhì)災(zāi)害。

為研究和預(yù)防此類災(zāi)害，將一種受拉桿件埋入巖土體中是工程上常一種常見的做法，這種做法可以用來提高和調(diào)動巖土體的自身參數(shù)和穩(wěn)定能力，這種受拉桿件稱為錨桿或錨索(以下統(tǒng)稱為錨桿)，其發(fā)揮的作用即為錨固。運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程材料和力學(xué)等專業(yè)知識分析巖土工程中的錨固計算、設(shè)計、監(jiān)測、施工和動態(tài)設(shè)計調(diào)整等方面問題的工藝和技術(shù)我們稱之為錨固工程。

2、錨桿類型

工程上常按以下方法分類：

（1）按是否施加預(yù)應(yīng)力來劃分，分為非預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿；

（2）按應(yīng)用對象劃分，分為土層錨桿和巖石錨桿、；

（3）按錨固體形態(tài)劃分，分為端部擴(kuò)大型錨桿、連續(xù)球型錨桿和圓柱型錨桿；

（4）按錨固部分大小劃分，分為端部錨固式錨桿和全長錨固式錨桿；

（5） 按錨固體傳力路徑及荷載分布條件劃分，分為壓力分散型錨桿、拉力型錨桿、壓力型錨桿和拉力分散型錨桿；

（6）按錨固機(jī)理劃分，分為摩擦式錨桿(縫管式和水脹式及楔縫式錨桿)、黏結(jié)式錨桿(樹脂錨桿、水泥砂漿錨桿)、混合式錨桿和端頭錨固式(機(jī)械式)錨桿。

3、錨桿結(jié)構(gòu)

工程上所定義的錨桿，往往是對受拉桿件所處的錨固體系的總稱。錨桿一般由錨固體(段)、桿體(拉桿)、錨頭三個部分組成。

錨固體：即錨桿端部，與巖石層相連緊密，它的作用是將來自拉桿的力通過周圍巖土層間與錨固體的摩擦阻力來將力傳遞至穩(wěn)固的巖層。

桿體：位于錨固結(jié)構(gòu)的中心線上，它的作用是把來自錨頭的拉力傳遞至錨固體。桿體一般要承受一定的拉力，因此需要采用抗拉強(qiáng)度比較高的鋼材鍛制。

錨頭：是邊坡表面構(gòu)筑物與拉桿的相連的部件，它的作用為把來自邊坡表面構(gòu)筑物的荷載有效地傳遞至拉桿。

4、錨固作用機(jī)理

邊坡錨固的基本原理是依靠錨桿周圍穩(wěn)定地層的抗剪強(qiáng)度來傳遞結(jié)構(gòu)物(被加固物)的拉力，以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)物或保持邊坡開挖面自身的穩(wěn)定。

5、錨固要素分析

邊坡加固通常使用砂漿水泥 (或化學(xué)漿液、樹脂、水泥漿等)將桿體(鋼絲束或鋼筋等)錨定在邊坡地層的鉆孔深處，從而達(dá)到錨固效果。實際工程中，大多數(shù)工程都是使用水泥砂漿錨桿。

錨桿基本力學(xué)參數(shù)：（1）抗拔力：即為錨桿可以承受的極限拉力，即錨固力；（2）握裹力：即為錨桿和黏結(jié)材料間的極限抗剪力；（3） 拉斷力：桿體的極限抗拉強(qiáng)度；（4） 黏結(jié)力：錨桿孔壁巖土間和黏結(jié)材料的最大剪力。

錨固的傳力過程：把錨固段取為隔離體，錨固段受到力的作用時，拉力首先通過握裹力傳遞到砂漿中，接下來通過黏結(jié)力(或摩阻力)傳遞至錨固的地層中。當(dāng)桿體受到拉力的作用，除了桿體自身需有足夠的截面積來承受拉力，還需要同時滿足以下三個條件，錨桿才能發(fā)揮有效作用：

（1）周圍巖土體在最不利的受力情況下依然能保持整體穩(wěn)定性。（2）黏結(jié)力能承受極限應(yīng)力；（3）桿體的握裹力能承受極限應(yīng)力而不破壞；

6、錨固結(jié)構(gòu)典型破壞形式

(1)沿著桿體與砂漿體的接觸環(huán)面破壞；

(2)沿著地層與砂漿的接觸環(huán)面破壞；

(3)錨桿桿體受拉斷破壞；

(4)錨固段砂漿體剪切破壞；

(5)錨固段地層(土層或破碎巖體)剪切破壞。

7、錨固設(shè)計計算

（1）基本要求

在調(diào)查研究和巖土工程勘察工作基礎(chǔ)上，錨固工程應(yīng)采用理論計算、監(jiān)控量測和工程類比相結(jié)合的設(shè)計辦法，合理發(fā)揮巖土體的自承能力和固有強(qiáng)度。在錨桿設(shè)計前，應(yīng)依據(jù)調(diào)查及勘察結(jié)果，對所采用的錨桿安全性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估，對施工可行性做出判斷。錨桿按其服務(wù)期限可分為臨時錨桿和永久錨桿：使用期限在2年以內(nèi)的，可按臨時錨桿設(shè)計；使用年限超過2年的，應(yīng)按永久錨桿設(shè)計。設(shè)計永久錨桿時，必須先進(jìn)行錨桿基本試驗，并避免錨固段布設(shè)在未經(jīng)處理的下列土層中。

（2）設(shè)計流程

以預(yù)應(yīng)力錨桿為例，錨固工程設(shè)計主要包括錨桿的布置及布置角度設(shè)定、桿體材料的確定、錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計、錨頭及防腐措施、整體穩(wěn)定性驗算、錨固力的分析計算等內(nèi)容。

（3）邊坡錨固力計算

邊坡錨固力計算過程中，首先需按照規(guī)范確定邊坡設(shè)計安全系數(shù)，其次針對不同的破壞形式，計算單位長度邊坡所需的錨固力。邊坡錨固力計算可采用極限平衡法，但對于重要或復(fù)雜邊坡的錨固設(shè)計，宜同時采用數(shù)值分析法和極限平衡法。

一般出現(xiàn)容易出現(xiàn)圓弧滑動面的錨固邊坡，宜采用簡化畢肖普法、摩根斯坦-普賴斯法或簡布法計算，也可采用瑞典法計算。

一般出現(xiàn)容易出現(xiàn)直線滑動的錨固邊坡，可通過平面滑動面解析法計算。

一般出現(xiàn)容易出現(xiàn)折線滑動面的邊坡，通常采用傳遞系數(shù)隱式解法、摩根斯坦-普賴斯法或薩瑪法計算。

對復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)的邊坡分析，可用赤平極射投影法配合分析。

（4）錨桿布設(shè)

錨桿布設(shè)一般都應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)狀況以及錨桿結(jié)構(gòu)與其它支擋結(jié)構(gòu)一起作用的具體情況來決定，須對邊坡的地質(zhì)巖體情況充分了解，了解了邊坡變形破壞的模式后，才能決定錨桿布設(shè)位置。錨桿布設(shè)的總體原則是對邊坡滑體產(chǎn)生最佳的抗滑效果，通常應(yīng)滿足如下的要求：

（1）錨桿與其他臨近的地下設(shè)施或基礎(chǔ)等的距離應(yīng)大于3.0m。

（2）錨桿間距和長度，須根據(jù)錨固工程周圍地層的穩(wěn)定性確定。

（3）錨桿間距除必須滿足錨桿的受力要求外，還應(yīng)大于1.5m，避免因群錨效降低錨固力。巖土錨桿一般是以群體的方式顯現(xiàn)的，若錨桿布置較密集，巖層中應(yīng)力區(qū)的重疊會使得錨桿位移和應(yīng)力疊加，因此容易導(dǎo)致錨桿極限抗拔力無法正常發(fā)揮，即群錨效應(yīng)。群錨效應(yīng)會使得錨桿極限抗拔力減小，群錨效應(yīng)與錨桿間距、直徑、長度及地層形狀等因素有關(guān)。

（4）預(yù)應(yīng)力錨桿的布置間距應(yīng)考慮地層形態(tài)、所需的總的錨固力及單根錨桿的承載力設(shè)計值確定。一般條件下，I、II、III類巖體邊坡預(yù)應(yīng)力的錨桿間距宜為3.0～6.0m，IV類巖體及土質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿間距宜為2.5～4.0m。

（5）錨桿錨固段應(yīng)在潛在滑面以外的穩(wěn)定巖土體內(nèi)，且上覆土層厚度一般要大于4.5m，施工過程中坡頂應(yīng)避免反復(fù)荷載的影響。

（6）不同類型的工程，應(yīng)根據(jù)錨桿的作用原理，對于錨桿傾角是不同的，確定錨桿傾角是有利于滿足工程抗傾塌、抗滑或者抗浮的穩(wěn)固要求。為了控制注漿的質(zhì)量，當(dāng)錨桿傾角設(shè)計過小時，注漿料會因泌水和硬化而產(chǎn)生的殘余漿渣會影響錨桿的承載力，故錨桿傾角宜避免與水平面成-10°～+10°的范圍，若在10°范圍內(nèi)的錨桿在施工是應(yīng)注漿應(yīng)采取保證漿液灌注密實的相應(yīng)措施。

（7）為使鋼絞線間有適宜的間距，鋼絞線需要包裹足夠的水泥漿，以滿足鋼絞線與注漿體間黏結(jié)強(qiáng)度的要求，錨桿鉆孔直徑應(yīng)滿足錨桿抗拔承載力和防腐保護(hù)要求，壓力型或壓力分散型錨桿的鉆孔直徑尚應(yīng)滿足承載體尺寸的要求。

（8）錨桿的設(shè)計角度，對深基坑或者近于直立的邊坡陡坎，必須考慮鄰近地基的狀況、錨固地層所處的位置以及施工采取的方法和措施。一般情況下錨桿的設(shè)計傾角不小于14°，一般也不應(yīng)大于45°。根據(jù)計算，傾角愈大錨桿等抵抗滑體變形的能力就會相應(yīng)的減弱，因此錨桿布設(shè)角以15～35°為最佳。

總結(jié)：

本文將常見的邊坡錨固結(jié)構(gòu)的錨桿類型、錨桿結(jié)構(gòu)、錨固作用機(jī)理、錨固要素分析、錨固結(jié)構(gòu)典型破壞形式、錨固設(shè)計計算等做了分析和介紹。在工程實際中對于邊坡治理的設(shè)計還須根據(jù)實際地質(zhì)情況進(jìn)行判斷，做到邊坡治理的動態(tài)設(shè)計。