預應力錨索框架結構在滑坡治理中的應用

陳遠程

安溪縣農村公路養護管理所，福建 泉州 362400

預應力錨索框架結構是在滑坡治理工程中出現和發展起來的一種新型抗滑支護結構型式，它是一種把錨桿埋入地層進行預加應力的技術，錨桿外露于地面的一端用錨頭固定，同時利用某些框架結構或格構梁使錨頭部位的應力向周圍的巖土體傳輸。本文基于預應力錨索框架結構的結構力學特征，深入闡述了該支護結構的受力基本原理，并通過設計計算和工程應用實例對預應力錨索框架結構的有效性進行分析，為預應力錨索框架結構支護手段的廣泛應用提供理論指導。

1 滑坡主要支護措施

1.1 抗滑樁

作為一種支擋設施，抗滑樁從滑體中穿過并錨固于滑床的某一深處，它通過對側向載荷的承受來抵抗滑坡推力，從而實現了對滑坡的有效治理［1］。它適用于除流塑性滑坡意外的各種類型滑坡。從工程實踐中不難看出，一些比較棘手的問題均可借助抗滑樁進行快速解決。抗滑樁以其安全性較高、支護效果較好、操作較簡便等優良特性，成為目前使用較多的治理滑坡的有效措施。

我國最早應用抗滑樁是二十世紀50 年代修建寶成鐵路，當時的樁即與現在挖孔關注抗滑樁一樣，系鋼筋混凝土結構，但主要用于整治少數巖石順層滑坡。抗滑樁的主要類型有單樁、樁板抗滑樁、框架式抗滑樁、錨索樁等。

1.2 錨固措施

通常采用兩種錨固措施，其一為主動加固型的預應力錨固，其二為被動加固型的非預應力錨固［2］。前者的加固對象是巖土體，操作過程中需要使用鋼筋錨桿與鋼絞線錨索等物品。通過將預應力主動施加給有可能失去穩定性的巖土體，并施以反向壓力與正向壓力，使巖土體表面的抗滑力增加，從而達到穩定邊坡的目的。后者的加固對象也是巖土體，不過操作過程中使用的物品主要是樹脂錨桿和砂漿錨桿，通過增強滑動面上的抗剪切能力來保證邊坡的穩定性。

預應力錨索不僅便于施工、對場地要求不高，而且加固效果較為突出，因而在預應力錨固作業中得到了廣泛應用。以灌漿次數為依據可將預應力錨索分為兩種，即雙層保護自由式與全長粘結式［3］，前者一般灌漿1 次，后者則需要灌漿2 次。就我國而言，后者的應用更具有廣泛性。

1.3 支擋措施

有效的支擋措施除了擋土墻、掛鋼筋網以外，還包括鋼纖維混凝土噴注、混凝土噴注以及混凝土防護面。支擋措施隸屬于被動加固范疇，可從外部入手來保證滑坡的穩定性［4］。噴注混凝土或掛鋼筋網均可覆蓋邊坡巖土體表面，這種方式被普遍應用于邊坡工程項目中。對于表面巖土體脫落或者滲水這兩種狀況，可采用封閉表面的方法進行處理，這就是被經常使用的混凝土護面支擋措施。另外，該措施還具有支擋作用。還有工程中應用較多的以預防邊坡巖土體塌陷的擋土墻支擋措施，不過此種方式主要適用于場地受限制或已建建構筑物旁的位置。

2 巖土錨固的基本原理

巖土體的錨固是把錨桿（錨索）插入預先鉆孔然后固定于巖土層并傳遞預應力的加固技術。憑借錨桿底層的抗剪強度使底層開挖面保持較好的穩定性或對結構物的拉力進行傳遞，是這種技術的基本原理［5］。巖土錨固可發揮以下四種作用：

（1）使結構物產生抗力以便于承受載荷。

（2）使巖土體產生非預應力（加筋作用）或壓應力。

（3）加固的同時提高巖土體抗剪強度，同時或多或少改善了巖土體的其他力學參數指標。

（4）通過錨桿（錨索），使結構和巖土體形成一個整體，成為一種復合式結構物，二者可共同受力，即便剪力和拉力有所增加，巖土體也能夠較好地應對［6］。

以上四種作用具有互補性。當然，由于邊坡項目不盡相同，巖土錨固也未必能同時發揮這些重要作用。若非預應力錨桿在工程中得到了應用，只有巖土體需要加筋且其表層出現了位移變化時才能起作用；這樣的錨固方式遠不及預應力錨桿（錨索）的效果。

3 錨桿（錨索）的設計原則

（1）首先應根據地勘資料和周邊環境，考慮與目標效果相適應的安全的、經濟的與可操作的方式，盡可能減少對周邊建構筑物等的不利影響。

（2）其次要考慮一定的安全系數，確保被錨固的結構物受施工荷載或竣工后荷載作用時有一定安全度。

（3）除非項目有基本一致的條件，或者項目具有一定的工程經驗并提供了較為可靠的試驗數據，否則不可以借鑒。這兩類項目以外的任何一個項目都有必要進行錨桿的基本試驗。

（4）為了實現某種特殊目的，需要使用能夠承受疲勞載荷的錨桿、需要回收的錨桿以及水中的錨桿時，務必在使用前進行深入研究并確保試驗結果可靠。

4 錨桿的配置

4.1 錨桿的配置原則

錨桿的長度、錨固體直徑以及間距的確定由兩種要素決定，一是結構物的平衡狀況，二是錨固巖土層的穩定性。

4.2 相鄰結構物的影響

設計錨桿時，需要對周邊的地下管線以及建構筑物加以考慮，若這種狀況存在，必須充分論證錨桿的傾角及其插入點。

4.3 錨桿的傾角

只有錨桿軸線與其作用力的方向保持一致，才能產生最好的效果，但在現實中這一點很難做到。實際上，邊坡臨空面與錨桿軸線二者間的夾角必然影響錨桿軸力的分力，而錨桿軸線與水平面的夾角越大施工難度越大，故而在設計時應避免錨桿傾角大于35°。

若錨桿傾角小于10°，由于灌漿材料（如水泥砂漿）在硬化過程中出現的殘渣與冒出的漿液會影響錨桿的承載力，應該盡量避免。綜上，錨桿的傾角一般取10°～ 35°。

4.4 錨固體的間距

錨固體間距的取值涉及到對多種因素的考慮，如錨固體長度與直徑、錨固力的設計值等等。同時須注意錨固體間距過小易產生群錨效應，錨固體的極限抗拔力會因此而減小［6］。

5 錨桿最優安裝角和錨固力的計算

5.1 最優安裝角θ 的確定

如圖1 所示：

圖1

設P 在滑動面產生的總抗滑力為FP，

這樣選擇安裝角時，應使式（5-1）中的FP最大。為此，對式（5-1）進行求導：

因此，由（5-2）求得的θ 和相應的式（5-1）的Fp的極大值。

因為α=57°，φ=30°，所以θ=φ-α=-27°

因為θ 為負角，即應是向上的仰角，按（-θ）施工。

5.2 錨固力P 的計算

圖2

從安全系數的強度儲備定義出發，按圖所以方式選取x，y坐標軸，即選取滑動面OD 方向為x 軸，垂直于OD 面方向為y軸，過OD 滑動面上的作用力有：滑體重力G，錨固力P，法向力N 和切向力S，已知P 的安裝角為θ，滑動面傾角為α，將安全系數K 定義為：

Mohr-Coulomb 破壞準則為：

式中：N-法向力，N=G cos α

φ-內摩擦角，tanφ 為摩擦系數

C-單位粘結力

L-滑面面積

將式（5-4）中的Smax代入式（5-3），得：

由圖，在極限平衡條件下，依據力在x，y 方向的平衡條件，可以得出：

將式（5-5）中的S 代入式（5-6）得：

將式（5-9）中的N 代入式（5-8），化簡整理后得到：

則式（5-10）可改寫成：

6 工程實例

6.1 滑坡區工程概況

本項目位于泉州安溪高吾達新公路（高會至達新、高會至吾培）左側。坡腳為在建縣道（拓寬），上部為鄉道，盤山而上，項目所在山頭上陡下緩，植被茂盛，坡面無防護加固工程。目前滑段落對應坡腳縣道樁號為K0+900～K0+990 段，總長約90米，最大高差約60 米，其余水毀段落合計約380 米。

2019 年6 月，在縣道擴建工程實施過程中恰遇當地發生連續強暴雨，導致坡腳失穩，表層土體堆填至坡腳，公路被阻斷。險情發生后，業主立即組織人員搶險，并對滑坡場區周邊的病害情況進行巡查，發現坡體已有多處變形跡象，主要為上部鄉道路肩下沉，混凝土路面底板脫空、坡面開裂等。

2019 年6 月～7 月，坡體滑坡病害持續發展，同時，前后相鄰段落相繼發生一階溜塌的水毀病害。

根據調查資料可知，本滑坡為工程滑坡，坡面存在多級牽引裂縫，前緣、后緣及滑坡周界清晰，滑坡已經形成，需要進行治理，防止發展成為規模更大的滑坡。

6.2 滑坡成因分析

邊坡病害成因錯綜復雜，往往是多種因素共同作用的結果，其中主要包括地形、地貌，工程地質條件，水文氣象條件，人類活動等等，在多次現場踏勘的基礎上，結合地質勘察報告、深孔位移監測結果等資料綜合分析，本滑坡成因如主要有以下六個方面：

（1）滑坡所在山體較龐大，且地形上陡下緩，有利地表水下滲；

（2）場區處于凝灰熔巖、花崗巖的交界帶，地質較差，巖土體破碎，表層殘積碎、塊石砂質粘性土層較厚，飽水后易軟化崩解，從而降低巖土體的物理力學特性。

（3）場區孤石發育，破壞巖體的完整性，且夾層較多，在不利工況下沿土巖交界面極易飽水形成軟弱滑動帶，導致滑坡的產生。

（4）2019 年6 月，受連續強降雨的影響，大量雨水滲入邊坡巖土體，而且無法及時有效排出，從而使上部松散的土體泡水軟化，導致抗剪強度減小，同時飽和土體自重增加；坡體的下滑力增加，抗滑力減小，最后邊坡變形失穩。

（5）坡體上部發現泉眼，出水量大，坡面滲水嚴重，整個山體缺乏有效的排水系統，在不利工況下加劇滑坡的形成。

（6）坡腳正在實施縣道拓寬工程，開挖坡腳對滑坡的形成也會起到一定的不利影響。

6.3 滑坡整治方案

6.3.1 加固工程

（1）從縣道用地紅線內退1m 開始起坡，分六級進行加固，第一階坡率1：0.5，其余坡率為1：1.25，平臺為3～6m，具體詳見斷面設計圖；

（2）第一階采用C20 片石砼擋墻（8m）進行支擋；

（3）第三～六階滿布預應力錨索框架，框架尺寸8m×8m，錨索孔徑130mm，4 束鋼絞線錨索，設計拉力400kN。

6.3.2 排水工程

（1）第二階坡面設置6 道支撐滲溝；

（2）第三階、第四階坡腳設置排水平孔，長15m，間距5m（可依據現場實際情況進行適當調整間距或長度，但必須確保出水率大于50%）。

（3）滑坡中部及頂部各設置一道截水溝。

6.3.3 其他

（1）刷坡卸載揭露的裂縫進行封閉防止雨水下滲。

（2）施工及運營過程中須加強坡體變形監測并及時反饋。

（3）嚴格遵循“開挖一階、防護一階”原則，嚴禁一階開挖到底，待上部防護施做完成后方可進行坡腳擋墻施工。

7 結語

本文系統地整理了目前滑坡治理的主要支護手段，闡述了預應力錨索框架結構體系的基本工作原理。從設計角度出發，總結了預應力巖土錨固技術的關鍵設計環節。依托泉州公路邊坡滑坡治理項目，基于工程實踐經驗，對預應力錨索框架結構在治理滑坡方面的應用進行了研究，并得出了以下五點結論：

（1）采用錨固技術措施使結構和巖土體形成一個整體，成為一種協同受力的復合結構，能提高邊坡的穩定性，改善巖土體的物理力學性能同時增強滑動面抵抗壓力和剪切力的性能。

（2）當周邊環境存在一些不利因素時，為了防止行車受到干擾，可采取比一般防護技術更加安全高效的原位加固技術。

（3）滑坡治理作業結束以后，不需要投入很多資金、配置設備或安排專門人員來維護保養，有較好的耐久性。

（4）對于治理高陡邊坡，錨固技術更具有優勢。

（5）預應力錨索框架結構可縮短邊坡治理工程的工期，經濟性方面有較大優勢。相比其他類型的加固技術，該框架結構不僅可將工期縮短一半左右，還可使工程造價的降幅達到20%至30%，因此其產生的經濟效益是較為可觀的。