預應力錨索技術在邊坡加固中的綜合效益分析

朱茂強ZHU Mao-qiang

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都 611830）

0 引言

邊坡是為了保證路基穩定而設置的坡面，邊坡的穩定性在一定程度上關系著路基的穩定，因此如何針對邊坡進行加固操作具有重要意義。在當前的研究中，針對邊坡加固一般采用抗滑樁加固和預應力錨索加固，抗滑樁加固是一種通過抗滑樁來增加邊坡穩定的方案，預應力錨索加固是一種可以承受拉力的裝置系統[1]。在實際應用中，兩者的邊坡加固效果均較為顯著，但是從實際應用中可以得知，預應力錨索技術的綜合效益明顯高于抗滑樁加固方案[2]。然而在邊坡防護工作中，針對預應力錨索在其中所體現出來的效益分析仍然尚不明確，因此研究分析了在邊坡加固中的預應力錨索技術的綜合效益，以期為路基施工提供理論支持。

1 邊坡加固工程概況及問題分析

選取錦屏一級水電站某公路路段邊坡加固工程為研究對象，具體以該公路BK0+060.000～K9+940.000 段邊坡加固工程為例，該路段總長約為210m，邊坡最高達到了32m。由于存在的地形地貌、地質、氣候問題，該路段邊坡受破壞嚴重，因此需要對其進行邊坡加固。研究所選取的路段為4 級邊坡，在邊坡加固中采用抗滑樁加固方案。抗滑樁加固方案具有簡單，受力和作用明確的特點，在實際應用中能夠承擔邊坡下滑帶來的推力。然而由于該段公路BK0+060.000～K9+940.000 所處地理位置多雨，邊坡易受到雨水影響，增加了邊坡面溜塌的可能，因此需要對傳統的抗滑樁加固方案進行改進優化。

2 邊坡加固方案優化策略

針對BK0+060.000～K9+940.000 段，采用預應力錨索加固方案進行邊坡加固優化，錨索設計施工204 根。預應力錨索加固方案在實際施工中所體現出來的優點包括方便、經濟實用等，基于以上優點，預應力錨索加固方案已經逐漸應用于多個領域。一般來講，高邊坡中的穩定性受到多種因素影響，邊坡中的巖石高度帶來的重力、巖石裂縫中的水壓力等因素導致邊坡受到的剪切力不斷增加，而預應力錨索便是通過拉桿來增加剪切面的阻力，進而防止邊坡下滑移動[3-4]。預應力錨索加固方案流程圖見圖1 所示。

圖1 預應力錨索加固方案施工流程

圖1 中顯示，預應力錨索在實際應用中需要經過三個主要階段，分別是準備階段、試驗階段、架設階段。在準備階段中，包括了原材料準備、機具準備以及施工準備；在試驗階段，需要進行基本試驗、工藝試驗、驗收試驗、水泥漿試驗；在架設階段就需要進行鉆孔、錨索進孔、灌漿、結構施工、張拉、鎖錨、封錨等操作。

在預應力錨索應用中，主要分為6 個技術要點，首先是鉆孔，錨索孔的鉆設是所有操作的首要工作。其次是制作安裝預應力錨索，在預應力錨索制作中，需要保證用料的統一，并且在制作中需要將誤差控制在可允許范圍內，即保證錨索精確度。在預應力錨索入孔中，需要查看施工中獲取到的錨索尺寸是否滿足現場的錨索孔，在入孔時容易出現卡索，需要現場施工人員及時處理，保證錨索在錨索孔中的順利進入[5-6]。然后需要進行注漿施工，注漿施工前較為重要的是檢查設備的可用性和安全性，在施工中需要通過清水來進行模擬注漿，而后進行常規注漿，并在注漿過程中控制壓力，避免注漿失敗，注漿施工人員在注漿過程中還需要對注漿內容進行實時記錄，注漿完成后需要對所有的錨固孔進行檢查，確保施工質量[7]。最后對預應力錨索進行預應力張拉，同樣的，在預應力張拉之前，需要確保張拉設備的可用性和安全性，在張拉過程中逐漸增加張拉力，從10%逐漸增加到100%，并在100%張拉力下持續30min，記錄伸長值。錨索預應力張拉的施工程序見圖2所示。

圖2 錨索預應力張拉的施工程序

3 預應力錨索加固工程實施效果

3.1 預應力錨索加固穩定性評價

綜合比較抗滑樁與預應力錨索加固方案之間的效果，可以得知，錨索具有更為可靠的受力條件，當施加預應力錨固后，邊坡巖體容易受到錨固效應，是一種主動受力，而抗滑樁是在巖體發生下滑時才開始作用，屬于被動受力。并且預應力錨索在作用中能夠對加固的巖體產生較為均勻的作用力，保證了邊坡的完整性，進而提升其整體強度，增加穩定性。此外預應力錨索在施工中只需要進行鉆孔操作，對巖體產生的擾動和破壞較小，圍巖開裂可能性降低，強度能夠得到保證。最后預應力錨索在錨固作用中具有可大范圍變化方向的特點，對不同的地質特征均具有較為顯著的適應性，相較于抗滑樁而言具有更為廣闊的應用前景。為了評價預應力錨索的穩定性，采用FLAC3D 軟件進行有限元模擬，穩定性模擬流程圖見圖3 所示。

圖3 邊坡加固方案穩定性模擬流程

從圖3 中可以看出，在穩定性模擬中，首先建立邊坡的三維分析模型，在三維分析模型建立中，定義了本構關系和材料屬性，同時定義了邊界條件和初始條件。將三維分析模型過渡到平衡狀態，檢查模型在模擬前的響應特性，并判斷其是否滿足需求，無法滿足的模型便需要進行三維模型重建。當模型做出合理的響應后，便執行后續操作，進行穩定性求解。為了確保穩定性求解結果具有普適性，需要不斷測試檢查模型響應特性，并進行大量試驗，當結果能夠滿足需求后，將結果進行存儲輸出。在測試中通過FLAC3D 軟件模擬，結果顯示，在預應力錨索加固方案的應用中，其安全系數值達到了1.5，計算模擬抗滑樁加固方案，結果中顯示其安全系數值為1.25。比較預應力錨索加固方案和抗滑樁加固方案之間的安全系數，可以得知，預應力錨索加固方案的安全性更高，所表現出來的穩定性也更高。

3.2 邊坡加固成本控制對比

采用預應力邊坡加固方案，將在工程建設中，將預應力錨索的錨固力設置為1000kN，錨索孔徑為110mm，錨束采用6 根鋼絞線編制而成，每根鋼絞線的直徑大小為15.2mm。從抗滑樁和預應力錨索加固方案的成本控制效果來具體分析其在施工工程實施效益，見圖4 所示。

從圖4 中可以看出，在人員投入、主材以及輔材等指標中的成本比較中顯示，預應力錨索加固方案的成本顯著低于抗滑樁加固方案，預應力錨索在機械費用中的成本高于抗滑樁加固方案。從圖4 的成本比較中可以得知，在邊坡加固中的成本控制，預應力錨索加固方案的效果更為明顯，即預應力錨索加固相較于抗滑樁加固而言所產生的施工成本更低，帶來的效益更高。

圖4 邊坡加固方案成本控制對比

4 預應力錨索邊坡加固綜合效益分析

4.1 經濟效益分析

邊坡加固方案的加固效果不僅僅體現在邊坡穩定性控制中，也體現在邊坡加固施工中的經濟效益中。經濟效益指的是一項施工方案在實施中的成本控制，成本控制包括施工前的原材料準備和施工中的材料浪費情況。在預應力錨索加固方案施工中，研究比較了其與抗滑樁加固方案之間的工程造價差異。

在抗滑樁加固方案中，研究所產生的工程造價為311.17 萬元，在預應力錨索加固方案中，研究中所產生的工程造價為111.26 萬元。此外，計算兩種邊坡加固方案下的每米加固費用，抗滑樁加固方案的每米加固費用為0.9957 萬元，預應力錨索加固方案的每米加固費用為1.0017 萬元，兩者費用相差不大。比較預應力錨索加固方案與抗滑樁加固方案之間的每立方米邊坡加固產生的費用，在抗滑樁加固方案的費用計算中顯示，由于抗滑樁在加固中并未對樁后的邊坡部分進行加固處理，因此體積計算中僅考慮樁前加固部分，得出結果為163.42 元/m3。在預應力錨索加固方案費用計算中，由于預應力錨索加固方案能夠對邊坡進行完整性的錨固，因此在體積計算中需要將邊坡中的所有部分進行考慮，計算得到的費用為49.01 元/m3，顯著低于抗滑樁的單位體積費用。因此從以上結果可以得知，預應力錨索加固方案的經濟效益顯著，相較于抗滑樁加固方案而言，預應力錨索加固方案在整體工程造價以及邊坡加固中的單位體積加固費用均低于抗滑樁加固方案，具有較高的實用價值。

4.2 社會效益分析

在邊坡加固中，研究對比分析了預應力錨索加固方案與抗滑樁加固方案之間的加固效果以及兩個方案之間的經濟效益差異，為了更清晰了解到預應力加固方案的綜合效益，研究中進一步分析了兩種方案的社會效益。

①資源投入，可以從方案實施中發現，抗滑樁加固方案工程是一個群體作業的項目，在施工過程中，施工人員具有較高的密集程度，并且抗滑樁加固方案對施工人員的體力要求較高，屬于一種高強度的體力勞動。因此在抗滑樁加固方案的實施過程中，人員投入量大，進而導致物質消耗量增加。而在預應力錨索加固方案的實施中，所投入的勞動力集中在編錨索以及澆鑄錨墩中，并且機械化施工帶來的勞動整體強度降低。此外由于機械化的智能效果，資源消耗和浪費也較少。

②施工方案的安全性，從兩個方案的加固效果評價中可以得知，經過模擬計算，預應力錨索的安全系數為1.5，顯著高于抗滑樁加固方案的安全系數。在預應力加固方案的施工過程中，由于其主要是以機械施工為主，因此在施工中的人員參與度較低，安全容易得到保證。而抗滑樁加固方案通常采用人工挖井，且井深能夠達到15m，在井中作業時，極易發生安全事故。

③邊坡加固方案對邊坡的影響，抗滑樁加固方案一般是通過放炮形式進行施工，在放炮階段，巖體受到沖擊后容易出現內部裂隙，導致巖體結構破壞，改變巖石內部力學性能。而預應力錨索加固方案在施工中不需要進行放炮開挖，只需要進行機械化的鉆孔操作，對邊坡下的巖體所造成的擾動和破壞較小，保證了巖體的完整性，使巖體在后續的加固防護過程中能夠承受一定程度的破壞影響。

5 結語

路基施工中的邊坡穩定性具有重要意義，針對邊坡的穩定性處理，現有的施工都會對其進行加固。研究中針對現有加固方案存在的缺點，提出預應力錨索邊坡加固方案，并分析其施工效果和綜合效益。在結果中顯示，預應力錨索加固相較于抗滑樁加固而言，效果更佳，并且在經濟效益分析中顯示，預應力錨索加固方案的工程造價以及單位體積費用均低于抗滑樁。在社會效益分析中顯示，預應力錨索加固方案具有更高的安全性，邊坡加固后的穩定性更強。