錨索預應力損失對某既有公路路塹邊坡穩定性的影響研究

馬鑫磊

（廣州珠江外資建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

世界上巖土錨固技術最早可追溯至19 世紀90年代［1］，而我國應用預應力錨索加固技術則始于20世紀60年代［2］。目前，預應力錨索已因其布置靈活、施工簡單、經濟實惠等優勢廣泛運用于邊坡支護施工中［3］。錨索主要通過埋設受拉桿件，施加預應力以改善巖土體應力狀態，從而提高邊坡穩定性。因此錨索的預應力有效性直接影響支護措施的安全性和可靠性［4］。隨著我國預應力錨索噸位的不斷增大［5］以及國內外學者對錨索預應力的長期監測，如巖質邊坡［6］、花崗巖邊坡監測［7］等，預應力損失問題研究已成為預應力錨索技術的熱點和焦點。徐毅青等［8］研究了錨索預應力初期和長期損失的預測模型；李濤等［9］研究了膨脹土錨索預應力損失規律和耦合模型；王國富等［10］則給出了涉及錨索松弛特性的預應力損失計算模型。

基于大量預應力錨索加固工程實例及錨索預應力損失研究，預應力錨索應力損失大致分為由施工順序、張拉、鎖定、錨具等引起的短期損失和灌漿體徐變、巖土體蠕變、索體材料松弛、外部環境振動（擾動）、降雨、溫度、腐蝕等引起的長期損失［11］。

本研究以某運營10 a 的公路路塹邊坡為例，基于極限平衡法，采用GeoStudio 軟件對不同預應力損失條件下邊坡的穩定性進行計算，基于數值模擬結果建立預應力損失率與邊坡整體穩定性的關系式，以現場實測的錨索預應力損失率為依據，分析預應力損失對該邊坡穩定性的影響，從而為公路運營維護期邊坡穩定性評價和安全防護措施提供參考。

1 路塹邊坡工程地質條件

研究區公路路段地處剝蝕丘陵地貌單元，地面標高為185～240 m，相對高差約55 m，原山體自然坡度較陡，坡角為25°～40°，局部近45°。現場調查及勘探揭露邊坡區地層巖性由上至下依次為：①殘坡積粉質黏土，可塑至硬塑，含碎塊，局部塊石；②全風化混合巖，堅硬土柱狀，遇水軟化；③強風化混合巖，上部呈半巖半土狀，下部呈碎塊狀，手折易斷；④中風化混合巖，揭露較少且薄，分布不均，巖質較硬；⑤微風化混合巖，碎塊，柱狀，巖質堅硬。

該工程所在區域氣候相對溫和，雨量充沛，大氣降水為地下水主要補給來源，地下水類型主要為孔隙水和基巖裂隙水，地下水埋深較大，勘探孔深范圍未揭露地下水發育。受地形條件影響，地表徑流自高處向低洼處排泄較為暢通，地表水對坡面坡腳有一定沖刷影響。

2 工程實例

該公路路塹邊坡安全等級為一級，公路建設期按5 級邊坡開挖（每級邊坡高10 m），自下而上坡率分別是1∶0.75、1∶0.75、1∶1.0、1∶1.0、1∶1.25，防護形式為：一級坡采用錨桿（3 排）格梁+植草，錨桿長8 m，下傾角為20°，間距3 m 布置支護；二、三級坡采用錨索（3 排）框架梁+植草支護，二級坡預應力錨索長24 m，三級坡預應力錨索長26 m，二、三級坡下傾角均為20°，設計荷載均為500 kN，間距3 m 布置；四、五級坡采用植草防護。

考慮到本路塹邊坡完工已超過10 a，故不排除部分錨索發生較大預應力損失、甚至失效的可能。為了保證公路運營期間的安全，盡可能全面掌握錨固工程工作狀態，需要對邊坡的預應力錨索進行了預應力抽檢。全坡共261 孔預應力錨索，抽檢其中的8 孔，錨索設計張拉力均為500 kN。經檢測，抽檢錨索整孔持有荷載在372.9～406.1 kN 之間，預應力損失率為18.78%～25.42%，平均預應力損失率為22.14%，詳細檢測結果見表1。

表1 錨索預應力檢測結果統計表

3 基于數值模擬的路塹邊坡穩定性研究

GeoStudio 是加拿大團隊開發的用于巖土工程穩定性分析的一款工程軟件［12］，軟件中集成了8 個分析模塊，具有強大的耦合作用，使用GeoStudio 可以解決各種巖土問題。本研究采用GeoStudio 巖土工程穩定性分析軟件的Slope 模塊對路塹邊坡在不同預應力損失率情況下的穩定性進行計算，基于數值模擬結果建立錨索預應力損失率與邊坡整體穩定性的關系式，并根據錨索應力檢測結果，分別利用關系式和數值模擬法評估現狀條件下公路邊坡的穩定性。

3.1 模型的建立及參數取值

選取邊坡典型工程地質剖面建立數值模型，如圖1 所示。數值計算參數以室內試驗為依據類比工程經驗取值，具體見表2。

圖1 數值計算

表2 計算參數

3.2 不同預應力損失率條件下邊坡穩定性計算

預應力錨固工程受施工工藝、材料性能、巖土體特性、水文地質環境、應力狀態等不利因素影響，其預應力不可避免地發生一定程度的損失，尤其是本研究路塹邊坡完工已超過10 年，隨著時間的推移，錨索結構的工作性能已發生一定損失。為了研究錨索預應力損失率對邊坡穩定性的影響，本研究在數值計算中，分別對假定錨索預應力損失率為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%及100%條件下的路塹邊坡穩定性進行計算。計算結果表明，路塹邊坡穩定性隨預應力損失率的增大而減小，當預應力全部損失時，邊坡穩定性系數僅為無損失時的68.70%，即穩定系數由1.265（預應力損失率0%）降低至0.869（預應力損失率100%），因篇幅限制，本研究僅給出預應力損失率為0%、10%、40%及70%條件下的邊坡穩定性計算，如圖2 至圖5所示。

圖2 錨索預應力損失率為0%時邊坡穩定性模型

圖3 錨索預應力損失率為10%時邊坡穩定性模型

圖4 錨索預應力損失率為40%時邊坡穩定性模型

圖5 錨索預應力損失率為70%時邊坡穩定性模型

基于不同預應力損失率計算的邊坡穩定性結果，建立了錨索預應力損失率與邊坡整體穩定性的擬合關系曲線，如圖6所示。路塹邊坡穩定性與預應力損失率呈近線性相關關系：FS=-0.398 8δ+1.273 1；同時，邊坡穩定性以預應力損失率為60%為界，當預應力損失率小于60%時，邊坡穩定性基本大于1.05，處于基本穩定～穩定狀態；反之則邊坡穩定性小于1.05，處于不穩定～欠穩定狀態，故當公路運營期間，邊坡錨索預應力檢測損失率大于或近于60%時，應對此公路路塹邊坡進行重點評估，必要時，應采取相應的應急加固措施。

圖6 錨索預應力損失率與公路路塹邊坡穩定性的關系曲線

3.3 現狀條件下邊坡穩定性評價

由圖6 可知，預應力損失對邊坡穩定性影響顯著，邊坡穩定性與預應力損失率成負相關。由表1可知，錨索預應力損失率的平均值約22.14%。基于錨索預應力損失率與邊坡整體穩定性擬合關系式反算邊坡穩定性為1.184 8；采用巖土計算軟件復核計算的邊坡穩定性為1.182（如圖7 所示），兩者所得穩定性相差不大，且路塹邊坡處于基本穩定狀態，這一結論與現場調查的邊坡穩定狀態一致。由此表明，本研究所建立的錨索預應力損失率與該邊坡整體穩定性關系式合理。

圖7 實測錨索預應力損失率平均值22.14%邊坡現狀性模型

4 結論及建議

由于巖土錨固工程結構的復雜性，預應力錨索結構的工作性能將隨著時間的推移發生一定變化。尤其是錨固工程結構的隱蔽特性，長期積累的應力損失將可能導致突發的邊坡失穩災害，嚴重威脅線路的正常運營。因此，對工程完工后邊坡錨固工程結構，建議適時進行專項的錨固性能檢測，及時掌握預應力損失程度、工作狀態，進而對邊坡的穩定性進行評估，必要時采取合理的補救措施。同時，應增加邊坡變形監測措施，實施定期觀測，在雨季時加密監測頻率。