預應力錨桿在高邊坡穩定防護中的設計要點

何海亮

（中冶京誠工程技術有限公司）

減小水的作用、改變土質巖體的平衡條件、增強土質巖體的力學性能是邊坡支護工程的主要思路。預應力錨桿強度高，能夠讓邊坡達到要求的安全度，并且預應力錨桿在工程實踐中，呈現出卓著的施工效果。近些年，我國邊坡支護工程建設數量越來越多，預應力錨桿的設計也受到了業界的廣泛重視。因此，探討預應力錨桿在高邊坡穩定防護中的設計要點，具有極其重要的現實意義。

1 工程概況

1.1 工程概述

平和縣北環路延伸段道路工程(一期工程) 項目位于平和縣。平和縣地處福建省閩南金三角的漳州市西南部閩粵交界處，選取段落“(起點樁號K0+000，X=2701996.430，Y= 535239.984、終點樁號K6+024.462，X=2697829.798，Y=531899.298)”。

1.2 工程地質及水文條件

工程施工區域地形地貌為于殘丘坡麓地貌、沖洪積地貌，擬建場地自上而下由填土①、淤泥質土②1、粉質粘土②1、中砂②3、卵石②4、粉質粘土③、殘積砂質粘性土④1、凝灰巖殘積粘性土④2、全風化花崗巖⑤1、全風化凝灰巖⑤2、砂礫狀強風化花崗巖⑥1、砂土狀強風化凝灰巖⑥2、碎塊狀強風化花崗巖⑦1、碎塊狀強風化凝灰巖⑦2、中風化花崗巖⑧1、中風化凝灰巖⑧2等組成。

沿線地表水主要分布于水溝、魚塘及當地主要水系高際溪，高際溪跨越河流段寬約80m。地下水主要賦存于填土、中砂、卵石層孔隙中，(坡積)粉質粘土、全風化巖、砂礫(土)狀強風化巖孔隙、網狀裂隙中和碎塊狀強風化巖、中風化巖裂隙中的潛水或承壓水。

2 邊坡穩定性分析

根據現場情況以及室內試驗結果，進一步確定邊坡的巖體以及軟弱夾層。以斷面K0+980 右側深挖路塹斷面為分析試驗對象，結果表明，邊坡平面滿足一般的平面滑動條件，且邊坡頂部存在軸線、走向小角度相交張裂間隙構成的滑動體后緣拉裂面，基于此，采用“剛體極限”理論對邊坡的穩定度進行計算分析（不考慮斷層側面的抗滑作用）。為簡化結算規程，在計算的過程中，將后緣拉裂面的間距取值為5m，計算過程如圖1 所示，最終得到的安全系數由表1 所示，不滿足穩定性要求，必須對邊坡進行合理加固。

圖1 邊坡穩定性計算以及加固簡圖

表1 邊坡穩定性安全系數

3 錨桿支護參數對預應力錨桿支護效果的數值模擬

在模擬結果中，不同錨桿預應力參數結果為：錨桿的預應力為100kN～220kN 時，錨桿形成的應力范圍較大，各個應力區域之間可構成相互連接、疊加的效果，整體性較強，錨桿主動支護效果較好。由此可見，錨桿預應力參數會直接影響到錨桿支護成效；在預應力為20kN～80kN 的情況下，錨桿越長，實際支護效果越差，主動支護效果甚微，所以需有效協調長度和預應力參數之間的關系；錨桿的間距越大，那么錨桿形成的壓應力區整體性越差，錨桿的間距越小，構成的應力區距離越小，由此判斷，錨桿密度對實際支護效果的影響，存在一個有效區間；在垂直布置的狀態下，錨桿和錨桿間的壓應力呈現相互疊加的狀態，在錨桿角度為15°的情況下，錨桿之間構成的有效壓應力區呈現出相互分離的狀態，部分壓力區明顯分離，錨桿支護成效不盡人意，在錨桿角度為15°～45°區間，錨桿的角度越大，有效支護區域越??；由圖2 所示，端部錨固因錨桿不受約束的段比較長，錨桿預應力作用范圍比較大，但是中部的壓應力卻受到了一定影響；在加長錨固的情況下，錨桿的不受約束的段較短，預應力作用范圍比較小，形成的有效壓力區域也比較??；在全長錨固的情況下，所有錨桿都受到有效約束，但是壓應力區卻比較小。由此可見，全長、加長錨固的實際錨固效果，皆不如端部錨固的效果。

圖2 不同錨固方式錨桿預應力場分布圖

4 邊坡錨固設計

4.1 預應力錨桿組成

本工程采用錨桿加固高邊坡，讓地層和結構可緊密的結合在一起，構成一個共同工作的復合體，有效承受拉力、剪力，避免出現土體位移等情況。預應力錨桿結構主要由錨頭、自由段、錨固段構成，具體結構可見圖3、圖4。

圖3 錨桿結構示意圖

圖4 錨索結構示意圖

錨頭：由墊墩、錨具、保護帽、外端錨筋構成，主要用作鎖定錨桿拉力；②錨固段：將拉力傳遞至穩定結構的部分，其長度根據實際情況計算獲取，利用水泥漿將錨固段和高邊坡結合在一起；③自由段：由防腐構造、拉筋、注漿管構成，是將錨頭拉力傳遞至錨固段的中介區段。

邊坡錨桿的入射角度為15°，肋柱尺寸為0.6m×0.4m，沿道路走向間距為1.8m～2.1m（需根據實際情況合理調整），錨桿在入土層假想破裂面5.5m～6.5m（需根據實際情況統一）。

4.2 預應力錨桿設計

③邊坡側向壓力確定需要綜合考慮到巖石等效內摩擦角、側向巖石壓力、側向土壓力的計算，然后再參考外傾結構面修正參數，取兩次計算結果的最大值。經過計算，本工程中側向巖石壓力為452kN、側向巖石壓力的修正系數為1.34，最終結果為605kN。

⑤錨桿張拉力采用公式伸長量=PL/EA 進行計算，其中P 為張拉應力，理論伸長量對應的應該是理論應力，實際伸長量可以反算處實際應力；L 為鋼束的有效長度，自錨固端至張拉錨具之間的距離；E 為鋼材的彈性模量；A 為鋼材的斷面面積（公式指的是理論狀態下預應力鋼筋的伸長量，不包含摩擦阻力損失和錨口損失，最終張拉力確定、間距確定均參考伸長量）。另外，采用有限差分數計算軟件FLAC，模擬錨桿角度，最終選取40°進行施工。

4.3 排水措施

本段邊坡坡體地下水較為發育，設計采用仰斜式排水孔引排地下水。路塹頂5m 外設置截水溝，將地表水引入邊溝中。

5 邊坡設計結果

選取工程中10%錨桿進行載荷試驗，試驗用載荷為設計載荷的1.5 倍，安全系數K=2.0。并在不同部位設置位移觀測點，持續180d 對錨桿的位移發展情況進行監測，最終監測結果表明結構支護體系滿足高邊坡防護需求，支護效果良好，符合《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2002）中的要求，符合永久性土層錨桿安全性需求，且成本較低，實用性較高。

6 結束語

綜上所述，錨桿的長度、預應力、直徑、密度、錨固方式，直接影響著實際錨固效果，相關從業者在設計的過程中，需綜合考慮到這些設計要點的影響，結合實際支護需求來選擇參數，這樣才能保證支護質量。