關于常見邊坡錨固結構設計及計算的研究

文/瞿宇 中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 湖南長沙 410014

1、概述

復雜的地質體是巖土工程研究的對象，在經歷了長久的地質年代里，由于地質自然風化、人類活動、構造運動等作用，從而形成大量諸如斷層、節理、層理、溶溝、軟弱層、溶槽等地質缺陷。一般情況下，通常巖土體處于相對穩定的平衡狀態；若一些條件變動，原來的平衡狀態就可能變得不再平衡，如在邊坡開挖與施工過程中，其固有的應力狀態重新組合或分布，因此導致巖土體不再保持平衡狀態而發生變形，嚴重的會導致塌陷、巖崩、坍落、面沉降以及滑坡地等常見的地質災害。

為研究和預防此類災害，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動巖土體的自身參數和穩定能力，這種受拉桿件稱為錨桿或錨索(以下統稱為錨桿)，其發揮的作用即為錨固。運用數學、工程材料和力學等專業知識分析巖土工程中的錨固計算、設計、監測、施工和動態設計調整等方面問題的工藝和技術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）按是否施加預應力來劃分，分為非預應力錨桿和預應力錨桿；

（2）按應用對象劃分，分為土層錨桿和巖石錨桿、；

（3）按錨固體形態劃分，分為端部擴大型錨桿、連續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(機械式)錨桿。

3、錨桿結構

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固的巖層。

桿體：位于錨固結構的中心線上，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度比較高的鋼材鍛制。

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

4、錨固作用機理

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

5、錨固要素分析

邊坡加固通常使用砂漿水泥 (或化學漿液、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，從而達到錨固效果。實際工程中，大多數工程都是使用水泥砂漿錨桿。

錨桿基本力學參數：（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：即為錨桿和黏結材料間的極限抗剪力；（3） 拉斷力：桿體的極限抗拉強度；（4） 黏結力：錨桿孔壁巖土間和黏結材料的最大剪力。

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，接下來通過黏結力(或摩阻力)傳遞至錨固的地層中。當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定性。（2）黏結力能承受極限應力；（3）桿體的握裹力能承受極限應力而不破壞；

6、錨固結構典型破壞形式

(1)沿著桿體與砂漿體的接觸環面破壞；

(2)沿著地層與砂漿的接觸環面破壞；

(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、錨固設計計算

（1）基本要求

在調查研究和巖土工程勘察工作基礎上，錨固工程應采用理論計算、監控量測和工程類比相結合的設計辦法，合理發揮巖土體的自承能力和固有強度。在錨桿設計前，應依據調查及勘察結果，對所采用的錨桿安全性、經濟性進行評估，對施工可行性做出判斷。錨桿按其服務期限可分為臨時錨桿和永久錨桿：使用期限在2年以內的，可按臨時錨桿設計；使用年限超過2年的，應按永久錨桿設計。設計永久錨桿時，必須先進行錨桿基本試驗，并避免錨固段布設在未經處理的下列土層中。

（2）設計流程

以預應力錨桿為例，錨固工程設計主要包括錨桿的布置及布置角度設定、桿體材料的確定、錨桿結構設計、錨頭及防腐措施、整體穩定性驗算、錨固力的分析計算等內容。

（3）邊坡錨固力計算

邊坡錨固力計算過程中，首先需按照規范確定邊坡設計安全系數，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，但對于重要或復雜邊坡的錨固設計，宜同時采用數值分析法和極限平衡法。

一般出現容易出現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。

一般出現容易出現直線滑動的錨固邊坡，可通過平面滑動面解析法計算。

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

對復雜的巖體結構的邊坡分析，可用赤平極射投影法配合分析。

（4）錨桿布設

錨桿布設一般都應根據實際地質狀況以及錨桿結構與其它支擋結構一起作用的具體情況來決定，須對邊坡的地質巖體情況充分了解，了解了邊坡變形破壞的模式后，才能決定錨桿布設位置。錨桿布設的總體原則是對邊坡滑體產生最佳的抗滑效果，通常應滿足如下的要求：

（1）錨桿與其他臨近的地下設施或基礎等的距離應大于3.0m。

（2）錨桿間距和長度，須根據錨固工程周圍地層的穩定性確定。

（3）錨桿間距除必須滿足錨桿的受力要求外，還應大于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的，若錨桿布置較密集，巖層中應力區的重疊會使得錨桿位移和應力疊加，因此容易導致錨桿極限抗拔力無法正常發揮，即群錨效應。群錨效應會使得錨桿極限抗拔力減小，群錨效應與錨桿間距、直徑、長度及地層形狀等因素有關。

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

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

（6）不同類型的工程，應根據錨桿的作用原理，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、抗滑或者抗浮的穩固要求。為了控制注漿的質量，當錨桿傾角設計過小時，注漿料會因泌水和硬化而產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°范圍內的錨桿在施工是應注漿應采取保證漿液灌注密實的相應措施。

（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強度的要求，錨桿鉆孔直徑應滿足錨桿抗拔承載力和防腐保護要求，壓力型或壓力分散型錨桿的鉆孔直徑尚應滿足承載體尺寸的要求。

（8）錨桿的設計角度，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計傾角不小于14°，一般也不應大于45°。根據計算，傾角愈大錨桿等抵抗滑體變形的能力就會相應的減弱，因此錨桿布設角以15～35°為最佳。

總結：

本文將常見的邊坡錨固結構的錨桿類型、錨桿結構、錨固作用機理、錨固要素分析、錨固結構典型破壞形式、錨固設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計還須根據實際地質情況進行判斷，做到邊坡治理的動態設計。