高速公路改擴建高邊坡預應力錨索施工技術研究

鄧暉

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 3610012）

0 引言

高速公路工程作為國家經濟發展的基礎工程，是國家運輸網絡大系統中不可代替的環節，在國家經濟和社會綜合發展過程中具有重要的作用。我國山區面積占全國陸地總面積60%以上，很多公路不可避免需要穿越山體，這就使得對公路邊坡高度的要求變得越來越高。在公路工程建設、使用過程中，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發，這會帶來很多難題，最常見的是公路邊坡治理。公路邊坡是公路建設最常見的地質環境之一，因公路邊坡穩定性不確定，隨時可能失穩破壞，因此需對其穩定性重點關注。在加固邊坡工程中，組合使用預應力錨索、抗滑樁，能加快工程施工速度。近年來，關于預應力錨索試驗研究、抗滑樁理論方面的研究較少。在加固實際邊坡工程中，使用預應力錨索抗滑樁基本憑設計人員經驗設計工程方案，加固效果無法獲得保障，因而優化設計預應力錨索抗滑樁加固邊坡具有重要意義。本文以某高速公路邊坡為研究對象，基于預應力錨索，對該高速公路高邊坡穩定性影響進行了模擬分析和優化研究。

1 工程概況

該項目為沿海高速公路，該公路地處構造剝燭丘陵地區，其中K20+065～K20+463 標段右側滑坡，該高速公路采用挖方路壁形式穿過此段，在路線右側為人工邊坡，高度52m，實際高程為93m。近期，該邊坡出現嚴重變形破壞，本文選取K20+208～K20+290 段為對象進行分析。

2 邊坡穩定性FLAC3D 計算模型的建立

FLAC3D 屬于一種三維數值模擬軟件，該軟件在結構工程、巖土工程、流體、溫度等領域中進行分析研究。在巖土工程領域中，對邊坡支護穩定性分析、計算基坑進行開挖變形、分析隧道支護應力-應變等實際工程中，FLAC3D 應用廣泛。FLAC3D 數值模擬分析軟件在基坑、邊坡支護、大壩建設、隧道開挖等工程中普遍應用。當對多級預應力錨桿支撐邊坡進行模擬時，必須與該邊坡施工實際情況相結合并進行以下假設：假定邊坡土質基本平整，對支撐構件按平面應力問題分析；假設模擬過程中地下水埋對邊坡不產生影響；假定預應力錨索材質是理想彈性材質，并符合變形的相容要求。按照設計，以井形方式布設各級邊坡錨索，按各級邊坡的豎直度布設了五列錨桿，錨桿之間水平和豎向間距分別為3.2m 和2.6m。錨具型號為JLM-32，錨桿所采用鋼筋級別為HRB335，各列錨桿均使用的外預應力為121kN。在FLAC3D 中，預應力錨桿采用了錨桿構造單元Cable 完成了仿真建設，該設計模擬坡面、坡頂均為自由面，該計算模型屈服Mohr-Coulomb 準則。圖1 為三維計算模型。

圖1 三維計算模型

3 計算結果分析

計算預應力錨桿支護多級邊坡穩定性安全系數(見圖2)，邊坡穩定性安全系數要不小于1.36，安全等級為二級時不小于1.31，邊坡安全等級為三級時不小于1.26。該邊坡安全系數為1.33，達到穩定性要求。

圖2 邊坡安全系數計算結果

圖3 為邊坡的水平位移及豎向位移圖，邊坡水平位移部位集中于邊坡內部、坡面。其中，圖3(a)表示在邊坡的坡腳處發生最大水平位移，圖3(b)表示在邊坡的坡腳處發生最大邊坡豎向位移。

圖3 邊坡的水平位移及豎向位移圖

3.1 錨固段長度對邊坡穩定性的影響

保持預應力605kN、錨桿傾角為20、錨索方向角65.5等參數不變，改變錨固段長度為11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.55m 五種工，圖4 為錨固段長度對邊坡安全系數的影響。

圖4 錨固段長度對邊坡安全系數的影響

由圖4 知，隨著預應力錨固段長度的增大，多級邊坡安全系數呈現遞減趨勢。在FLAC3D 計算結果中，當錨固段長度設置值低于13.5m 時，該區間安全系數隨錨固段長度增大而小幅度減小；當錨固段長度設置值高于2.5m 時，邊坡安全系數隨錨固段長度值增大快速下降，幅度較大。這表示所設置的外部預應力錨固性能段長度越小，即錨索越密集，負荷可由較多數量錨桿共同承受，因此單條錨桿的承受負荷值也較小，錨桿對巖石體有良好的約束力，邊坡穩定性也越好。本文的理論方法和FLAC3D 模擬得到相同的結果趨勢，但數據上的差別比較小。

3.2 錨索方向角對邊坡穩定性的影響

保持錨固段長度13.5m、預應力605kN 等不變，改變 錨 索 方 向 角α，分 別 設 置 為45.5、55.5、65.5、75.5、85.5，圖5 為安全系數隨錨索方向角的變化。

圖5 錨索方向角對邊坡安全系數的影響

由圖5 知，邊坡安全系數隨著錨索方向角逐漸增大呈遞增趨勢，在FLAC3D 計算的安全系數曲線中，邊坡安全系數在75.5時最大，其值為1.34。繼續增大錨索方向角度，邊坡安全系數降低，邊坡安全系數隨錨索方向角的增大而增加，上升幅度在到達頂峰前逐漸變緩，在錨索方向角為45.5～75.5時，邊坡安全系數比增幅較大，在錨索方向角大于75.5后，趨勢變化幅度縮小，邊坡安全系數增幅降低。理論方法和FLAC3D 趨勢相同，計算結果值比FLAC3D 值要小。

3.3 預應力對邊坡穩定性的影響

保持錨固段長度13.5m、錨桿傾角為20、錨索方向角65.5等參數不變，改變土體預應力c 值，設置為205kN、405kN、605kN、805kN、1005kN，圖6 為邊坡安全系數隨土體預應力變化曲線圖。

圖6 預應力對邊坡安全系數的影響

由圖6 知，在FLAC3D、理論方法對應安全系數曲線中，安全系數隨土體預應力增大遞增。在預應力值較小時，隨預應力值增大，邊坡安全系數增長迅速；在預應力值增大到一定程度時，隨著預應力值增大，邊坡安全系數增大幅度減小。在205kN～805kN 區間內時，預應力值所對應安全系數從1.13 增大到1.38，增長了0.25；在805kN～1005kN 區間內，預應力為1005kN 時的安全系數值為1.46，增長0.08。這說明隨著預應力值增大，邊坡安全系數逐漸增大，在預應力值增大到一定程度時，對安全系數影響減小。

4 預應力錨索相關參數優化

當所承載的荷載較小時，土體本身固結強度足可支撐預應力錨索加固邊坡的穩定性，土體、錨索幾乎不發生位移；當荷載逐漸變大時，預應力錨索開始出現拉伸變形，將拉力傳給錨固段，此時滑坡下滑的推力由錨固段來承擔。在設計預應力錨索時，要將預應力錨索支護性能當作首要考慮因素，結合對錨索施加錨索傾角、預應力、錨索間距、錨固段的長度等參數，本文抗滑樁尺寸采用2.5m×3.5m×20.5m，樁間凈距最佳優化值4.05m，樁錨固深度采用優化值為7.5rn。

4.1 錨固段長度的影響分析

在確定預應力錨索錨固段長度時一般采用理論計算法、規范類推法以及現場試驗法等。根據錨索錨固段最遠端軸力的衰減值對錨固段長度進行優化。變動錨索錨固段長度，取11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.5m 建立五組模型，原模型默認參數為：M10～M14 錨索自由段所承受的預應力大小為505kN、保持錨固段長度13.5m、錨桿傾角為20，M10設計拉力值為805kN。

4.1.1 錨固段長度對錨固段軸力的影響分析

錨固段軸力受到錨固段長度的影響如圖7 所示，由圖7 知，當向M10～M14 所施加的預應力大小相等時，衰減速度各不相同，其中邊坡頂部的衰減速度相對較快，這是由于在邊坡頂部處錨索所承受的滑坡下滑推力最小，邊坡帶動錨索所產生的位移最小。錨索M10 的最佳錨固段長度為14.5m，錨索M11～M14 的最佳錨同段長為10.5m。

圖7 錨固段長度對錨固段軸力的影響

4.1.2 錨索錨固段長度對邊坡和抗滑位移、剪力及彎矩的影響分析

對錨索施加一定預應力時，隨錨索錨固段長度增加，柱頂、邊坡的最大位移、樁體最大剪力隨之減少，當錨固段的長度變大時，樁體最大彎矩會相應增大，即彎曲程度進一步降低（見表1）。隨著錨固段長度的增大，在開始階段各種參數產生了明顯改變，逐步增加當錨固段長度達到10.5m 后，各種參數的變化逐漸趨于穩定。當錨固性能段長度為一定值后，隨著高度增加可以提高錨頭的支護性能效果，當錨頭強度達到了極限值，則錨固性能段長度即為臨界錨固長度。因此，并非錨固段越長越好，但同樣不可過短，因為錨固過短會將錨固地基局部剛度降低，增加了錨固端風險。所以，在設定錨索的錨固段長度時，必須通過經驗數據進行合理取值。當錨索M11～M14 自由段施加505kN 預應力時，錨索錨固段最佳錨固長度為10.5m。

表1 錨固段長度對邊坡和抗滑位移、剪力及彎矩的影響

4.2 錨索方向角的影響分析

錨索方向角指錨索與滑裂所成銳角，錨索方向角會直接影響錨索受力、錨索長度，因此有必要合理選擇。從施工工藝角度考慮錨索方向設置時，應和滑裂線下傾夾角為宜，一般下傾角為50.5～60.5時錨索受力最佳。對于不同方向角時的模型，采用定義施工階 段 方 法 批 量 分 析。建 立45.5、55.5、65.5、75.5、85.5錨索網格，邊坡最大水平位移以及樁身最大負彎矩在錨索角度變化時受到的影響如表2 所示。

表2 錨索方向角對邊坡最大水平位移及樁身最大負彎矩的影響

由表2 知，隨錨索方向增加，樁身最大負彎矩、邊坡的最大水平位移趨勢相同，隨錨索方向角度的增大而遞減，在50.5～60.5范圍內取平均值，說明錨索的支撐效果良好，而且當超過最優方向角度后，隨錨索方向角度增大，二者均相應增加，當超過85.5時，遞增趨勢明顯加快，當錨索方向角度α＞85.5后，錨頭注架高度下降明顯，砂漿與巖壁間會有脫離現象發生，錨索拉力可分解為與滑面滑移方向相切切向分力、垂滑面的法向分力，滑裂在切向分力作用下會加快，增大了邊坡位移，樁身負彎矩也增加。該高速公路高邊坡路段錨索最優方向角采用55.5～65.5，該項目采用方向角55.5位于最優方向角范圍內。

5 結論

本文以某高速公路邊坡為研究對象，基于預應力錨索，對該高速公路高邊坡穩定性影響進行了模擬分析和優化研究，得出如下結論：

其一，當預應力錨固段的長度變大時，坡度安全系數會有所下降。隨著預應力錨固段長度的增大，多級邊坡安全系數呈現遞減趨勢。當錨固段長度設置值高于2.5m 時，邊坡安全系數隨錨固段長度值增大快速下降，幅度較大。其二，當錨索錨固段長度發生變化時，樁身位移和內力出現顯著的變化，錨固長度段越長，樁體水平位移越小、支撐構件內力變化越小，當最優的預測錨固性能段長度達到后，各參量變動已趨于穩定。其三，邊坡中心也是埋設防滑樁的首選部分，最大接觸面積處于樁與下滑面的下滑混凝土體間，樁頂部位周圍土體水平移動較大。但實際施工的時候錨索方向角在0～85.5的范圍內取值，當α＜0或α ＞85.5時，錨索應力并不能發揮加固坡度的效果，反而對邊坡穩定性不利。該項目錨索預應力最優值為705kN，錨索錨固段最佳錨固長度為10.5m，方向角55.5位于最優方向角范圍內。