預應力錨索技術在巖質邊坡治理的應用

左亞淮

（江蘇省地質工程勘察院）

隨著工程建設行業的飛速發展，發現的安全隱患問題也越來越多，以鐵路、礦山、橋梁建設工程為例，需要大量挖掘周邊土體，工程開展過程中，經常有周邊土體結構、水體結構以及生態環境會受到影響，導致原有高山轉為平地，河道發生改變，生態環境多樣性發生變化。由此可以看出，建筑施工所處區域必將出現較多巖質或者土質邊坡［1］。建筑工程施工階段，經常會隨著施工時間的推移，發生多種不可人為干預的變化。比如降水導致邊坡遭受出現侵蝕，巖質邊坡在自身大質量作用下導致自身結構發生變化，或者地震、洪水等不可抗自然災害導致巖質邊坡受到的影響［2-4］。工程建設過程中，受到多種因素影響，巖質邊坡經常出現局部變形情況，這種變形較為嚴重時會導致邊坡整體發生坍塌或滑移，造成不可挽回的經濟、財產損失［5］。武博強等［6］使用注漿方式對失去穩定性的巖質邊坡開展加固工作，將混凝土支架灌注在喪失穩定性的巖質邊坡之中，使用區域置換法計算出注漿深度、潛在晃動位置以及穩定系數，確定注漿加固之后巖質邊坡的穩定性變化；該方法雖然能夠一定程度上改善邊坡的穩定性，但是試驗過程中考慮的影響因素較少，試驗結果和分析內容并不充分。李蘭等［7］使用抗滑樁結合內支撐結構聯合支撐邊坡，并且通過數值模擬計算在該支護方式下，邊坡的受力變形情況，試驗結果表明，增加內支撐以后，抗滑樁的承載力強度更高，能夠更好地治理邊坡的變形情況，但是該方法試驗過程中并沒有考慮地震、降水等多種自然因素影響導致的邊坡穩定性變化。

使用預應力錨索加固巖質邊坡時，需要預先在邊坡巖體上鉆孔，借助預應力將錨頭固定在巖體之中，此后錨索發揮牽引力，避免邊坡再發生滑移失穩［8-9］。這種預應力錨索能夠改善巖質邊坡抵抗自然災害導致邊坡失穩的問題，整體性提升邊坡的強度。又使用預應力錨索加固巖質邊坡，并使用數值模擬的方法，驗證該種加固方式的效果，為今后巖質邊坡治理提供更多的改進方向。

1 研究區概況

本項目是華北地區礦材開采而形成的巖質邊坡，該邊坡高度平均在28 m，平均坡度角為75°，盡管已經不再開采礦材，但是目前該邊坡之下建設諸多居民樓，邊坡與居民樓距離最近的位置只有12 m。邊坡后的山體屬于單斜巖層，巖體上的巖面和坡面之間形成相反傾向，邊坡角比巖層傾角更小，該區域的巖體呈現出節理裂隙發育，這種發育趨勢導致巖體被分裂成無數大小不同的巖塊，所以該巖質邊坡的穩定性較差，受到自身質量、外界環境以及自然災害的影響，極易發生坍塌。該區域在工作階段形成諸多峭壁，坡面高低不平且常年受到暴雨侵襲，很容易出現滑坡災害以及后續次生災害，對于周邊的居民樓造成極大威脅。該研究區域屬于溫帶季風氣候，冬季常年受到西伯利亞高壓影響，盛行東北風，夏季降雨較多，盛行東南季風。該研究區域的巖質邊坡由中風化石灰巖組成，可以劃分成剛性巖層特征。邊坡參數見表1。

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由于在礦材開采過程中遭受多次爆破，邊坡上的巖體出現較為明顯的剝離，導致邊坡表面出現較為明顯的次生破裂，具體破壞形貌見圖1。

2 預應力錨索加固方法

使用預應力錨索加固巖性邊坡，需要先確定邊坡滑動面的位置形狀、深度等參數［10-12］。根據研究區域邊坡概況，初步計算出預應力錨索的支護參數，作為選擇詳細的施工工藝的依據。錨索數量N由式（1）確定。

式中，P代表預應力錨索的抗拔力，通過試驗可以確定，kN；Pn與Pt分別表示在邊坡滑動面法線和切線方向上的分力，kN；α與φ分別代表錨索和邊坡滑動面之間的夾角和巖質邊坡的內摩擦角，（°）；K表示超過2的安全系數；E代表邊坡向下滑動的滑力總合力，kN。

通過式（2）計算得出預應力錨索的錨固長度L：

式中，d與P分別表示錨索直徑與錨索承載力，kN；τ表示所用錨固劑和錨索之間的剪切強度，MPa；n表示錨索中鋼絞線的數量。

預應力錨索在研究區域的實際張拉步驟如下。

（1）經過測量，在巖質邊坡上打下錨孔，空位偏差小于100 mm，完成打孔以后，清理錨孔表面，確保裸露在外的錨板保持整潔；清理預應力錨索中鋼筋端部的螺紋，確保錨索本身沒有雜質干擾。

（2）將錨索安裝在錨孔之中。

（3）安裝錨索之后，向錨孔中灌注錨固劑，提升錨固效果，一次灌漿完成以后，觀察錨固效果，及時二次補漿。

（4）在巖質邊坡上布置張緊支架，張緊桿從該支架的中心穿過，以便后續將千斤頂安裝在該支架上。

（5）錨固劑注漿24 h 后，向錨索施加預應力，使用千斤頂逐漸施加應力。

（6）按照設計的值向錨索施加力，使用六角套筒鎖緊地腳螺母。

（7）完成錨索安裝，將荷載卸載，將張拉工具拆除，做好防腐除銹工作后，使用混凝土封閉錨頭。

加固過程中，在巖質邊坡的坡腳豎向打入4排預應力錨索，豎向間距與水平間距分別為3 m 與2.5 m，錨索與坡頂距離為1.26 m。每個錨索的預應力值為125 kN。

預應力錨索安裝時還需要關注以下幾個問題。

（1）升高千斤頂時需要保持較為緩慢的速度，安排工作人員查看巖質邊坡是否出現嚴重裂縫。

（2）壓樁過程不能間斷。

（3）確保預應力錨索的樁尖安裝在巖質邊坡的風化基巖之中。

（4）壓裝過程中關注千斤頂的數值變化，每增加200 mm 將數值記錄下來，以便確定預應力錨索進入巖層的厚度。

（5）使用焊接的方式將樁帽預埋鐵件與樁體連接，焊接過程選取E43 焊條，同時控制焊縫高度在6 mm以上。

3 基于有限元的預應力錨索支護分析

使用FLAC3D專業巖土分析軟件，模擬分析使用預應力錨索加固以后，所研究巖質邊坡的穩定性變化情況。向FLAC3D軟件中輸入巖質邊坡的相關參數，內摩擦角與黏聚力分別為32.6°與22.6 kPa，極限摩擦力與容重分別為55 kPa與17.9 kN/m3。

構建巖土邊坡的模型，考慮到巖質邊坡的巖土特性，使用彈塑性材料模型，同時參考Mohr-Coulomb屈服準則［13-14］。模型約束條件如下。

考慮具體計算條件，模型法向約束為巖質邊坡模型左右2 個邊界，固定約束可以看作是地面邊界，將巖質邊坡的頂面和坡面都看作是自由面。在FLAC3D軟件中，共設定9 295 個實體單元，網格數量為12 550 個。巖質邊坡模型未使用預應力錨索加固時的原始應力是巖質邊坡的自身質量，同時將邊坡的位移場和速度場清除，取值為0。所研究邊坡的網格模型見圖2。

使用FLAC3D軟件分析不同影響因素之下，使用預應力錨索加固對于邊坡穩定性的影響，具體方法如下。

（1）邊坡平臺寬度影響。邊坡平臺是指較高邊坡為了確保不輕易發生坍塌，會沿著縱向方向在坡面上設置一定寬度的平臺，但從前人研究經驗來看［15］，未加固階段平臺的寬度會直接影響邊坡的穩定性，所以在軟件中設置平臺寬度為2.5，3.5，4.5，5.5，6.5，7.5，8.5 m，模擬預應力錨索加固前后邊坡位移變化。

（2）錨固角大小影響。巖質邊坡水平面和預應力錨索之間會形成一個錨固角，該角度關聯錨索長度和錨固力，所以錨固角的大小與巖質邊坡抗滑能力關系較大。設置錨固角大小分別為-5°、0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°，在軟件中分析不同錨固角下，巖質邊坡在使用預應力錨索加固前后邊坡的水平位移變化情況。

（3）錨固力大小影響。錨固力是指預應力錨索加固之后，巖質邊坡和錨固位置之間形成的一種結合力，錨固力也可以用來描述預應力錨索的極限承載力。在軟件中設定錨固力分別為300，500，700，900，1 100，1 300 kN，分析不同錨固力影響下，巖質邊坡的位移與剪切應變速率變化情況。

（4）地震荷載作用下巖質邊坡穩定性變化。在軟件中模擬外部因素干擾下，巖質邊坡加固前后穩定性變化。巖質邊坡處在自然環境之中，因此會受到風蝕、水蝕、地震等多種自然災害的影響，導致邊坡結構、穩定性遭受破壞，自然界中對邊坡破壞最大、破壞效果最直接的方式就是地震，因此在軟件中，模擬向加固前后巖質邊坡施加不同時長的地震荷載情況下，巖質邊坡的位移變化。

3.1 加固前后有限元分析

使用FLAC3D軟件模擬預應力錨桿加固前后巖質邊坡的塑性應變，結果見圖3。

由圖3（a）可以看出，未使用預應力錨索加固巖質邊坡之前，巖質邊坡的最大塑性應變達到0.994×10-4，從巖質邊坡的坡腳位置率先出現塑性應變，該應變向坡頂發展，未加固巖質邊坡處于失穩狀態。從圖3（b）中能夠看出，使用預應力錨索加固巖質邊坡以后，邊坡的最大塑性應變為0.254×10-4m，在巖質邊坡的坡腳位置出現較為明顯的塑性應變，向上塑性應變并不嚴重，由此可以看出，使用預應力錨索，能夠有效控制巖質邊坡的塑性應變情況。

受到巖質邊坡自身質量的影響，邊坡會向X和Y方向發生位移，在FLAC3D軟件中模擬預應力錨桿加固前后，巖質邊坡的位移變化，結果見圖4。

從圖4中能夠看出，未使用預應力錨索加固巖質邊坡之前，X方向和Y方向上最大位移分別為0.485×10-3和0.529×10-4m，巖質邊坡在這2 個方向上均呈現出較大位移變化，體現出巖質邊坡缺乏穩定性。圖4（b）和圖4（d）為預應力錨索加固后巖質邊坡X方向和Y方向位移變化，加固后巖質邊坡在這2 個方向的最大位移分別為0.113×10-3和0.415×10-4m，與未加固相比，使用預應力錨索加固的巖質邊坡位移明顯降低，說明使用預應力錨索加固以后，巖質邊坡的失穩情況得到很好改善，巖質邊坡的穩定性得到極大提升。

3.2 邊坡平臺寬度對邊坡位移影響

在FLAC3D軟件中模擬不同邊坡平臺寬度下，預應力錨索加固前后邊坡最大水平位移變化情況，結果見表2。

從表2 能夠看出，無論是否加固巖質邊坡，邊坡的水平位移都會隨著邊坡平臺寬度的增加而變小，這種情況主要是由于邊坡平臺寬度能夠一定程度增加邊坡的穩定性，所以能夠降低巖質邊坡的位移變化；對比加固前后巖質邊坡的水平位移，使用預應力錨索加固以后，巖質邊坡的最大水平位移明顯低于未加固巖質邊坡的位移，以7.5 m平臺寬度為例，未加固時巖質邊坡水平位移為6.25 mm，而使用預應力錨索加固以后，巖質邊坡的水平位移只有4.68 mm，明顯低于加固之前，說明使用預應力錨索加固巖質邊坡以后，能夠極大程度提升巖質邊坡的穩定性。

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3.3 錨固角差異對邊坡位移的影響

模擬分析不同錨固角之下巖質邊坡的水平位移變化以及剪應變速率變化，結果見表3。

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從表3 中能夠看出，假如錨固角數值較小，使用預應力錨索加固巖質邊坡以后，邊坡的位移較小，如果錨固角數值較大，邊坡的位移也較大，錨固角在-5°至5°范圍內，邊坡的位移變化波動最小，錨固角未超過0°時，巖質邊坡并不會出現較為明顯的塑性應變。錨固角增大或減小，邊坡的剪應變速率并沒有出現明顯變化，說明改變錨固角，并不會直接影響邊坡剪應變速率變化。綜合分析表3中數據，錨固角不適宜過大，考慮到研究過程中設置巖土約束條件與灌漿施工的限制，錨固角為0°時，邊坡加固的效果最好。

3.4 錨固力差異對邊坡位移的影響

分析不同錨固力影響下，使用預應力錨索加固邊坡之后邊坡水平位移與剪切應變速率，結果見表4。

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由表4 可知，錨固力不足900 kN 時，預應力錨索加固后的巖質邊坡位移與剪應變速率均出現較為明顯的異常波動，但是錨固力超過900 kN 后，加固后的巖質邊坡的位移與剪應變速率均呈現出較為明顯的上升。由此可以看出，錨固力900 kN 是一個關鍵點，在該錨固力下，巖質邊坡不會出現明顯的塑性區，所以該錨固力屬于較為可靠的范圍。

3.5 地震荷載對邊坡位移的影響

在軟件中向加固前后邊坡施加相同的地震荷載，模擬在地震作用之下預應力錨索加固前后巖質邊坡的水平位移變化情況，結果見圖5。

從圖5 看出，地震荷載作用于巖質邊坡，可以看作是一個持續化的荷載施加，隨著地震荷載的施加時間增長，未使用任何加固方式的巖質邊坡水平位移上升趨勢較快，從初步施加地震荷載，至施加地震荷載60 ms，邊坡的水平位移由2 mm 升高至6.5 mm。使用預應力錨索加固巖質邊坡以后，地震荷載作用之下，邊坡位移發生變化，但是增長趨勢較為緩慢，說明使用預應力錨索加固巖質邊坡以后，即使受到地震這類自然災害影響，巖質邊坡仍然能夠保持較為穩定的狀態，不會出現明顯的失穩破壞情況，說明加固方法效果較好。

4 結 論

工程建設過程中會出現巖質邊坡失去穩定性的情況，使用預應力錨索加固巖質邊坡，提升巖質邊坡的穩定性。通過計算確定預應力錨索用量與錨索長度，并收集研究區域巖體基本數據，在該巖質邊坡上安裝預應力錨索，對存在安全隱患的巖質邊坡實施支護加固。使用FLAC3D軟件構建該巖質邊坡的模型，模擬不同參數變化及干擾情況下，巖質邊坡位移變化情況以及變形情況。經過分析發現，使用該預應力錨索加固巖質邊坡以后，不會發生明顯位移，即使改變相關參數，仍舊能夠提升該巖質邊坡的穩定性，即使受到地震影響，也能具有較好穩定性。