淺析預應力錨索在高邊坡防護中的應用

王翠麗

（福建省閩西交通工程有限公司， 福建 龍巖 364000）

1 工程概況

福建省漳州至永安高速公路龍巖段路基土建工程A5合同段起點于蘆芝鄉蘆芝村，終點于和平鎮和平村，起訖樁號為K88+880～K96+500，全長7.631km。其中K91+877～K92+140段左側路塹邊坡最大高度為55.2m，長度為263m。此處屬于剝蝕丘陵地貌，地表植被發育，地勢較陡，山坡坡度約20～40°，邊坡上部為邊坡表層為坡積粘土及砂土狀強風化粉砂巖，下部為碎塊狀強風化粉砂巖，風化層界面產狀順傾路線，邊坡開挖卸荷較大，容易沿風化層界面產生大型滑坡，坡腳地下水出露，因土層遇水后強度容易降低；在開挖及雨季工況條件下邊坡容易失穩，必須采取有效的措施進行加固處理。

2 邊坡設計方案

針對坡體性狀，結合強腰固腳加固原則，采用預應力錨索對邊坡進行強加固，并采用半擋墻對坡腳進行加固，在坡腳設計仰斜排水孔以加強地下水引排。該邊坡設七級邊坡防護，邊坡垂直高度除了第7級為7.2m外其余均為8m，邊坡平臺寬度為2m。各級邊坡坡率自下而上依次為1:0.75、1:0.75、1:1.0、1:1.0、1:1.0、1:1.25和1:1.25。第6～7級邊坡修坡后加固采用噴播植草灌防護方式；第2～5級邊坡加固采用預應力錨索框架防護，框架內噴播植草；第1級邊坡坡腳加固采用A型半擋墻加設仰斜排水孔防護方式。高邊坡斷面設計圖如圖1所示。框架的尺寸為8m×8m（寬度×高度），每片框架預應力錨索設置方式為4孔6索，錨索框架混凝土強度為C25，豎肋基礎設置混凝土墊層5cm厚，框架嵌入邊坡坡體深度為45cm，外露出邊坡面15cm。第2級、第3級、第4～5級高邊坡預應力錨索的設計總長度分別為24m、26m和28m，單孔設計軸力均為700kN，錨固長度均為12m，錨索俯角為20°。預應力錨索的鋼絞線尺寸為15.24mm，強度為1860MPa，鋼絞線性質為高強度低松弛無粘結，錨索類型為壓力分散型錨索，6索劃分為3個單元，每個單元錨索由2根鋼絞線錨固于鋼質承載體組成，單根鋼絞線的連接強度＞200kN。

圖1 K91+877～K92+140左側高邊坡斷面設計圖

3 壓力分散型錨索工作原理及優點

3.1 壓力分散型錨索工作原理

4孔6索壓力分散型錨索采用的鋼絞線為無粘結，單孔布置不同長度的3個錨固單元，在錨固長度范圍內設置鋼質承載體，在每個鋼質承載體上對稱固定2根鋼絞線，單孔一次注漿。對外錨頭進行張拉時，總拉力通過孔內按照一定間距布設的鋼質承載體轉化成壓應力，注漿體受壓發生一定變形，從而承擔巖體產生的荷載。注漿體與巖體之間的剪應力通過鋼質承載體分散地到各個錨固單位，使得剪應力較均勻分布，避免出現孔壁間應力集中現象。

3.2 壓力分散型錨索優點

（1）受力合理有助于提高承載力

壓力分散型錨索將較大的拉力通過鋼質承載體轉化成3個較小的壓力荷載，使得孔壁間的剪應力分布較均勻，有效地降低了注漿體與巖體間的剪應力峰值，受力機制較為合理。與普通拉力型錨索相比較而言，壓力分散型錨索在等同錨固長度情況下錨固力更大。

（2）有效錨固段長度可控

壓力分散型錨索在錨固段范圍內可以通過合理設置鋼質承載體的間距來形成有效錨固段，施加的荷載通過錨索傳遞到鋼質承載體將預應力施加到巖體上，因此，可以根據邊坡的情況不同來合理設計錨固長度。而普通拉力型錨索在8～10m之后的錨固段因應力集中導致之后的錨固段的荷載衰減為零，存在無效的錨固段現象。

（3）防腐耐久性能較好

壓力分散型錨索采用無粘結鋼絞線，鋼絞線上涂滿油脂，采用PVC塑料套保護，錨索張拉時注漿體為受壓狀態，注漿體不容易出現開裂現象。而普通拉力型錨索采用有粘結鋼絞線，錨索張拉時注漿體為受拉狀態，注漿體很容易出現開裂現象，因此，與普通拉力型錨索相比較而言，壓力分散型錨索的防腐耐久性能較好。

（4）張拉鎖定后能夠重新調整預應力

壓力分散型錨索開始張拉時可以先預張拉1～2次，使得鋼絞線平直，各部位接觸緊密，接著按照分階段分單位進行差異分步張拉，最后鎖定錨索。而普通拉力型錨索直接按照設計次序分階段張拉鎖定。在錨索長度等同情況下，壓力分散型錨索的自由張拉段為全長范圍，而普通拉力型錨索的自由張拉段只是其中一部分，因此壓力分散型錨索的預應力損失較小。

（5）經濟優勢顯著

在鉆孔長度相同的前提下，由于壓力分散型錨索分為3個單元，錨固段長度逐步縮短，而普通拉力型錨索為通長布設，因此，壓力分散型錨索的費用相對減少。相關統計數據顯示，在同一工況下，與普通拉力型錨索比較而言，壓力分散型錨索總造價節省約10～20%，具有較明顯的經濟優勢。

4 預應力錨索施工技術

4.1 基本試驗

基本實驗的主要目的是根據邊坡巖土層實際分布情況來驗證邊坡設計的合理性與可行性。包括施工工藝、工作錨索的安全系數、錨索的性能、設計質量及錨索在搬運與安裝中抗物理破壞的能力等，對相關設計參數進行校核，分析錨索錨固力的各種影響因素，對錨索極限承載力進行確定。對基本試驗結果進行分析，如果發現問題應采取一定措施進行完善。在K91+877～K92+140段邊坡典型斷面上選取3個試驗孔，1～3號試驗孔鉆孔長度分別為14m、14m和16m，錨固段長度分別為3m、4.5m和6m。試驗孔錨索試驗時應詳細記錄各級荷載作用下錨頭的位移，以便對邊坡設計合理性進行驗證。3個試驗孔錨索在試驗過程中均未出現錨固體被拉動現象，張拉荷載均超過1.5倍設計拉力，錨頭位移均≤1mm，邊坡設計合理。

4.2 錨孔鉆造

邊坡按照設計坡度分階開挖，開挖的高程采用水準儀全程準確測量，修坡后，搭設鋼管腳手架，腳手架的承載力及穩定性應滿足施工要求。根據錨孔的設計樁號在坡面上全部測量放線出來，采用鐵釬和油漆進行標記，錨孔的縱橫向偏差≤±50mm，標高偏差≤±lOOmm。將潛孔鉆機牢固地安裝在腳手架上，調整鉆機的傾角及方位，傾角偏差≤±1°，方位偏差≤±2°。錨孔的直徑為150mm，鉆壓為20kN，風壓為0.6MPa，轉速為20～40rpm，風量為12m3/min，采用無水干鉆方式鉆進，鉆進過程中應詳細記錄巖土層變化、鉆壓、鉆速和地下水等情況，遇到塌孔應立即停鉆，上報監理工程師后，采用跟管鉆進成孔工藝或采用注漿固壁處理后24h重新施鉆。錨孔鉆進深度應比設計深度超深0.5m，鉆機鉆至孔底時應穩鉆1～2min，保證孔底直徑滿足設計要求。鉆孔結束后采用高壓空氣將孔內的巖屑和地下水清孔干凈，錨孔的孔位、孔徑、孔深、傾角和方位經監理工程師復核合格后即可下錨。

4.3 錨索制作與安裝

本工程3個單元錨固段L1=L2=L3=4m，自由段長度分別為12m、14m和16m，鋼絞線的下料長度為錨固段長度+自由段長度+1.5m，鋼絞線采用砂輪機進行切割，嚴格按照設計尺寸準確下料，下料長度偏差≤±50mm，鋼絞線應順直，不同單元錨索制作時應做好可靠的標記。錨固段的擠壓簧和擠壓套應安裝準確，按照設計尺寸定位鋼質承載體，限位片與鋼質承載體之間采用拉桿栓接固定，在錨索體尾端設置導向帽，導向帽與鋼質承載體之間采用點焊方式固定。在鉆孔孔口位置設置1個架線環，自由段范圍架線環的布設間距為1.0～1.5m，架線環應綁扎牢固。注漿管采用直徑為25mm的PVC管，要求管材耐壓≥4MPa，注漿管順著錨索體的中軸安裝，尾端插入導向帽深度為5～10cm，注漿管應綁扎牢固，所有鋼質部分均涂刷防銹漆。錨索體應順直，無扭曲和扭轉現象，錨索體經監理工程師檢查合格后即可運輸到錨孔處進行安裝。嚴格按照設計的傾角和方位采用人工的方式將錨索體緩慢平順推進錨孔，下錨過程中嚴禁扭轉和抖動，下錨應連續施工，避免中途停頓。

4.4 錨孔注漿

錨索注漿采用水灰比0.4～0.5的純水泥漿，水泥漿體強度為40MPa，水泥漿應攪拌均勻。注漿壓力為2.0MPa，注漿方法為孔底返漿，當新鮮的水泥漿從孔口溢出時即可停止注漿。當孔口水泥漿出現回落現象時，應在30min內孔底壓漿2～3次，確保注漿飽滿。

4.5 錨索框架施工

錨索框架嵌入邊坡坡面深度為45cm，外露15cm。框架放樣刻槽后其基礎底面鋪設一層厚度為2～5cm的水泥砂漿找平，個別架空部位采用C25混凝土補平。錨墊板、波紋鋼管和螺旋鋼筋按照設計要求與框架的鋼筋固定牢固，混凝土振搗應密實。拆模后應及時進行養護，養護天數不能低于7天。框架間設置變形縫，縫寬為2cm，填縫材料為浸瀝青木板。

4.6 錨索張拉鎖定

當框架混凝土強度和注漿體強度達到80%設計強度（驗收試驗錨孔應達到100%設計強度）即可開始張拉作業，錨索張拉方法采用差異分步張拉，根據錨索長度和設計荷載計算出差異荷載△P1和△P2，3單元的錨索預應力根據差異荷載補足后按照規定分5級加荷張拉。錨索正式張拉之前，應先預張拉6根鋼絞線1～2次，加荷為15%的設計張拉荷載，使得鋼絞線完全平直及各部件相互之間接觸緊密。卸掉預張拉荷載，對長束鋼絞線補足△P1差異荷載進行張拉。隨后，對長束和中束鋼絞線補足△P2差異荷載進行張拉。補足差異荷載后，按照25%、50%、75%、100%和110%的設計張拉力（700kN）對6根鋼絞線同時分級加荷張拉，第5級荷載張拉應持荷穩定10～15min后卸荷鎖定。所有張拉過程中均應測量出鋼絞線的伸縮量和錨頭位移，后者測量次數≥3次。最后一級持荷過程中，錨頭位移≤1mm。錨索鎖定后如果48h內預應力出現明顯損失現象，采用補償張拉來調整預應力。

4.7 封錨

錨索鎖定后，采用砂輪機切除多余的鋼絞線，錨頭和錨墊板的空隙采用水泥漿填充飽滿，錨具和鋼絞線采用C25混凝土封頭。

5 錨索質量檢測和邊坡監測

錨索的長度經實測均滿足設計要求。在試驗荷載達1050kN（1.5倍設計荷載）時，實測總位移量符合規范要求，錨索抗拔力滿足設計要求。張拉鎖定荷載作用下，錨索的伸長量符合規范要求，錨頭未破壞。錨索質量檢測結果為合格。在高邊坡上按照設計要求設置4孔JCI～JC4錨索預應力監測孔和6孔ZK1～ZK6深孔位移檢測孔進行邊坡穩定監測，錨索預應力值穩定未見損失降低現象，深孔位移未見明顯滑動變形現象，邊坡巖體和錨墩未見明顯變形，在歷經數次強降雨和暴雨惡劣氣候后，邊坡未見明顯變形現象，邊坡穩定。

6 結束語

K91+877～K92+140段左側路塹高邊坡采用預應力錨索框架防護方式，跟傳統拉力型錨索對比而言，壓力分散型錨索受力更為合理，錨固段荷載分布較均勻，在復雜地質情況下能夠增大錨固力；注漿體受力狀態為受壓，注漿體不易開裂；各單位錨固段錨索長度不同，經濟性良好。實踐表明，預應力錨索框架是一種理想的高邊坡防護方式。