壓力分散型預應力錨索的工程優化應用

范一平

（太原公路分局，山西 太原 030012）

0 引言

壓力分散型預應力錨索與常規拉力型錨索內錨固段受力機理不同，壓力型錨索的錨固體沿軸向承受壓應力，改善了錨固段附近的應力狀態，有利于將錨固力分散傳遞于地層深部，從而極大提高了錨索的承載能力，擴大了其在各類地層條件的適用范圍[1-3]。同時，由于錨索采用無黏結鋼絞線，通過保護束體可提高邊坡支護工程的耐久性。目前，關于壓力分散型預應力錨索的理論研究較多，而結合工程實際的可操作性研究還略顯不足，阻礙了該技術的進一步推廣應用[4-7]。本文結合工程實例對壓力分散型預應力錨索設計方案進行了詳細說明，可為今后類似工程實踐提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

國道108線改線工程雙向四車道，設計速度80 km/h，路基寬度為24.5 m。其中，K309+990—K310+110段，路面設計標高1 029.60 m，地面標高1 040.49～1 070.63 m，為挖方路塹段，平均下切深度10 m左右，最大下切深度30 m。

1.1 地形、地貌

本段工程位于太行山山脈向內蒙古高原過渡地帶的低中山區，境內丘陵遍布，溝壑縱橫，河道交錯，地形破碎，侵蝕溝谷廣布，地勢總體西南高、東北低，地形坡角30°～55°。

圖1 國道108改線K309+990—K310+110全貌

1.2 工程地質條件

本段路線周圍太古界五臺系地層廣泛出露，為經受多期變形變質及局部混合巖化作用的巖系，主要地層自上而下分布如下：

a）第四系全新統雜填土（Q4ml）分布于串嶺村西、上寨河畔或小支溝中。灰褐色，雜色，主要由生活垃圾和少量建筑垃圾組成，含有機質成分多和淺灰白色長英巖塊石或滾石。結構物質成分不均勻，填齡短，不足5年，厚0.5～1.0 m。

b）第四系上更新統砂礫石夾粉土（Q3al+pl）分布于串嶺村西上寨河谷中，灰黃色、灰白色，結構疏松，上部為含砂量高的粉土，下部為砂礫層，礫徑一般3～5 cm，大者10～20 cm，見少量塊石，礫石多呈半渾圓狀-棱角狀，厚1.0 m左右。

c）第四系上更新統粉土（Q3al+pl）分布于山區低凹帶及溝谷畔，土黃色、灰黃色，結構較疏松，垂直節理發育，具大孔隙構造，局部夾粗砂或砂礫石透鏡體，厚0.5 m。

d）五臺系石咀群莊旺組（Wsz）主要分布在測區上寨河兩側低中山區，據地質測繪和鉆孔揭露，在剖面山梁地帶為厚層狀黑云角閃斜長片麻巖，夾薄-厚層狀斜長角閃巖，灰綠色，灰褐色，中-細粒結構，片麻狀構造，塊狀構造，由灰黑色角閃石及灰白色斜長石組成，見少量黑云母片，暗色礦物似定向排列，沿層面多見云母碎片，巖層總體傾向NW290°～295°，傾角28°～30°。在黑云角閃斜長片麻巖中見較多不穩定的順厚片理或片麻理貫入的長石石英脈，呈灰白色，乳白色，粗粒結構，偉晶結構，塊狀構造，由長石石英組成，長石、石英各占近一半，見極少量云母。

1.3 邊坡穩定性評價

根據本路段所在地區的地層巖性、節理裂隙特征和產狀、軟弱結構面的力學參數等工程地質條件，結合工程設計方案對路塹邊坡穩定性進行計算分析，得出安全系數為1.03，不滿足《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）關于路塹邊坡穩定安全系數不小于1.20的要求，需對其進行加固處理。

圖2 邊坡支護設計圖

2 工程優化設計

本項目原設計方案為：一號邊坡采用“斜率法刷坡+一級擋土墻+三級拉力型預應力錨索+截排水措施”。結合工程詳勘資料，通過邊坡穩定性計算得出錨索軸力設計值，在非正常工況Ⅱ進行錨固力設計，得出邊坡總錨固力pd不應小于1 598.4 kN/m，每根錨索的設計錨固力不應小于532.8 kN。由于錨索所需提供的設計承載力較大，且邊坡地層巖質破碎，采用拉力型錨索工程安全系數較低，且存在一定的施工難度。因此，對邊坡加固方案進行優化，即將拉力型預應力錨索改為壓力分散型預應力錨索。錨索仍采用Φ15.2高強度低松弛鋼絞線，錨固段分兩個單元，每個單元長度均為4 m，鉆孔直徑150 mm，傾角為20°，具體設計計算過程如下。

2.1 鋼絞線面積驗算

單孔所需錨索截面面積A可根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）條款5.5.5計算[8]，則邊坡按照設計錨固力所需錨索面積為：

式中：K1為安全系數，高速公路永久性錨桿取2.0，根據錨索面積A可得出需要鋼絞線根數n為4.33根，取6束鋼絞線可提供775.6 kN的錨固力，可滿足設計要求。

2.2 孔徑驗算

壓力型錨索需對錨固體承壓面積進行驗算，使得錨索孔徑和注漿體強度滿足錨索的抗拉承載力要求。《巖土錨桿（索）技術規程》對該部分驗算內容有所規定[9]：

式中：Kp為錨固段局部抗壓安全系數，取2.0；Nt為軸力設計值，取280 kN（兩個單元體）；Ap為單元錨桿承載體與錨固段注漿體橫截面的凈接觸面積，取0.015 3 m2；Am為注漿體的橫截面積，取1/4·π·D2=0.0177 m2；η為強度增大系數，取2.0；fc為錨固體軸心抗壓強度標準值，M40水泥凈漿取40.0 MPa。

滿足設計要求。

2.3 錨固體長度驗算

注漿體與地層間黏結長度可根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）條款5.5.6計算：

式中：K2為安全系數，高速公路永久性錨桿取2.1；frb為地層與注漿體間黏結強度，強風化片麻巖根據規范取330 kPa，優化設計方案單元錨固長度為4 m，滿足規范要求。

2.4 錨索入射角度優化

一般在錨索設計中推薦采用15°～30°之間的合理值，原邊坡設計方案中錨索與水平面的夾角為15°，但根據最優錨固角度β優=θ-（45+φ/2），可得到最優錨固角為33°。錨索入射角太小不便于成孔和注漿施工，而角度過大又會減小抵抗水平荷載的有效分力。考慮到邊坡原設計方案預應力錨索的錨固段位于強風化巖層中，調整錨索角度可利于采用更短的距離進入穩定巖層，因此將錨索入射角優化為25°。

3 工程驗證

工程項目實施前，首先在現場開展了兩次壓力分散型預應力錨索拉拔試驗。試驗中加載方式都是將最大荷載分為5級，逐級加載、卸載，每級荷載加、卸之后均保持3 min左右，然后讀取千斤頂荷載讀數和錨頭位移值。本次試驗得到錨索的張拉荷載最大值達到733 kN，較設計計算值高出35%以上。試驗完成后將每級荷載與其對應的彎沉值點繪在直角坐標系中，通過直線或曲線回歸得到錨索張拉Q—S曲線如圖3所示。從圖中可以看出，每級張拉荷載與錨頭位移基本都呈線性增長關系，但當張拉荷載恢復到30%后，錨頭位移并不能相應恢復到原點，加載和卸載曲線形成若干滯回圈。該滯回特性是由鋼絞線和錨墊板底部土體的塑性變形無法恢復引起的，表現出隨著荷載級別的增大，塑性位移也呈逐漸增大的趨勢，滯回曲線性狀也越飽滿。同時，各滯回曲線上方的加載曲線斜率基本相同，說明錨索工作狀態仍處在彈性階段，承載能力還有較大的提升空間。

圖3 錨索Q-S曲線

4 結語

a）壓力分散型錨索錨固體承受分布壓力荷載，與拉力型錨索相比可有效減小應力集中，充分發揮混凝土的抗壓性能，且由于采用無黏結鋼絞線，在提升鋼絞線耐久性的同時，在設計計算過程中無需考慮鋼絞線與錨固體之間的黏結強度驗算，因此特別適用于在巖質較差或土質地層中采用。

b）當前設計規范中都未能反映壓力分散型錨索的工程特性，僅在《巖土錨桿（索）技術規程》中考慮了對其錨固體進行局部受壓的強度驗算，而采用傳統拉力型錨索計算方法計算壓力型錨索的承載力，計算結果偏差較大，建議進一步加以研究。