基于岩质高边坡支护的预应力锚索应用分析

2013-04-07崔启民

时代农机 2013年1期

李峰，崔启民，刘馨，张熊

（1.长江三峡勘测研究院有限公司（武汉），湖北武汉 430074；2.湖北省电力公司检修分公司，湖北宜昌442000）

某水电站工程处于峡谷当中，其谷底至谷肩的斜坡高度为500m左右，完整的边坡坡形没有斜坡失稳特征的发生。右岸地下厂房进水口区域的基岩多为石英绿帘石条带，挤压非常的紧密，且错动面起伏较为光滑，可见擦痕。右岸塔基为弱风化下段岩体，基岩中的玄武岩体层内错动带、层间的发育对岩体的结构进行了控制，对岩体的力学特性和质量产生了一定的影响。工程通过对边坡稳定性的分析，借助边坡稳定性系数，对预应力锚索支护措施进行了实施。对于预应力锚索支护措施的实施，首先需要分析边坡的稳定性。而极限平衡分析法、工程类比法是边坡稳定性分析常用的几种方法。通过工程状况的进一步分析，针对岩体力学性质，运用单一面滑动法对边坡的稳定性进行了分析。单一平面滑动法的理论基础是极限平衡法理论，针对边坡岩体沿单一软弱结构面对平面滑动进行分析。通过计算，稳定性系数的结果K=1.137<1.3。由此可以得知，开挖后的边坡状态并不稳定，必须对支护措施进行实施。

1 锚索参数的设计

如果边坡比较的高，且潜在破裂面的位置较深，对预应力锚索进行实施则是较为有效地深层加固方式。坡比的设计中，现场边坡的整体处于稳定状态。但工程边坡更多的部分位于风化卸荷带内，由此形成了较为松弛的岩体结构。在边坡岩体的发育过程中，随机裂隙、挤压带、层间和层内错动带等结构面都非常的明显。开挖边坡后，会有临空面的形成，而相互之间的切割组合关系则促成了块体的不稳定状态。

1.1 锚索根数

（1）确定岩体剩余下滑力可依据公式E=KF-R来进行计算，其中，K、F、R分别代表安全系数、下滑力和抗滑力。

（2）计算锚索总锚固力可依据公式Q=KBE进行确定，式中K、B、E分别表示安全系数、边坡宽度和剩余下滑力。

（3）单根锚索抗滑力的确定可通过P抗=Psinαtanφ+Pcosα进行计算，P表示锚索设计锚固力。

（4）锚索的根数确定通过n=Q/P抗进行计算。依据公式，分别对 600kN、1000kN、1500kN、2000kN级锚索的锚固根数进行计算，结果为2133根、1279根、853根、640根。其中，所需锚索根数最少的是2000kN级锚索，为此对2000级锚索的支护进行了实施。270级高强度低松弛钢绞线为预应力钢绞线，材料强度标准值为1860N/mm2，单股钢绞线的延伸率≥3.5%，其破断荷载为260.7kN。

1.2 锚固段的长度确定

（1）依据钢绞线强度的选用和锚固力Pt的设计，可对每孔锚索钢绞线的根数进行计算。公式为n=Fal·Pt/Pu，其中Fal、Pu分别为安全系数和锚固钢材极限张拉荷载。

（2）拉力型锚索的锚固段长度确定：①依据锚索张拉钢材与水泥砂浆粘结强度对锚固段长度进行确定，公式为Fa2·Pt/(Π·dn·τu)；②依据孔壁与锚固体的抗剪强度对锚固段长度进行确定，公式为 Fa4·Nt/(n·Π·d·τu)。公式中，dn、d 分别为张拉钢材外表直径和单根张拉钢材直径；2000kN、1500kN、1000kN、600kN级锚索孔的直径分别取 140mm、130mm、115mm、115mm；Nt表示单根锚索超张拉力，依据锚索张拉力的 110%进行考虑，2000kN、1500kN、1000kN、600kN 级锚索的超张拉力分别为：2200kN、1650kN、1100kN、660kN；锚孔壁对砂浆的极限剪应力为τ。通过计算，得知锚索的锚固长度无法满足标准条件，为此取τu为1.2MPa，确定锚固最终长度为5.2m。

通常来讲，对于压力分散型锚索而言，锚固段的长度没有限制，随锚固段长度的增加，锚索承载力能够有所提高。所以，在孔壁阻力较低的软弱岩土中，可对该类锚索进行应用。强度计算促使对浆体抗压要求的满足，若浆体抗压要求不能满足，就要通过锚索孔数的增加、锚索间距的减小、孔径的加大、浆体抗压强度的提高以及载体个数的增加等措施对其进行调整。

1.3 锚索布置

通过工程岩性特征和地质条件的分析和掌握，结合施工条件，对间距、层距分别为4m和5m的锚索进行选择，避免群锚加固第二效应的发生。3～4排锚索在台阶的坡顶下方进行设置，对锚边的变形进行限制，梅花型布置锚索。锚固角是预应力锚索与水平面的夹角，下倾通常为15°～30°。

2 预应力锚索支护结构的特点

（1）锚索对边坡体外空间的占用较小，通过锚索对边坡进行治理，能够充分促使工程土地的利用率。

（2）锚索的设置比较灵活，能够依山就势进行设置。针对高陡边坡，依据坡体自身的地形，在坡面进行随机的设置，促使锚固作用的有效发挥。对于单一的抗滑桩和挡土墙而言，其支挡结构容易受到使用条件的限制，如果工程为高陡边坡就无法达到一定的支护作用。

（3）拉力型锚索的结构非常简单，施工操作方便且造价较低，对其加固结构形式进行运用，不仅高效，而且经济实用。

（4）预应力锚索为主动支护体系，通过预应力的施加，对岩土体的变形进行控制，促使岩土体状态的有效调整，对岩土体的稳定非常有利。与此同时，岩土体产生变形前，预应力锚索的作用就能够得到发挥，与抗滑桩、挡土墙等支挡结构相比，效用非常的高。

（5）对于预应力锚固技术而言，其借助岩土体的自承能力和强度，能够促使结构自重的大幅度降低，对工程材料的节省非常有效，可促使成本造价的有效控制。

（6）风化岩体的应力释放后，会出现大的变形，可借助钢筋混凝土薄壁墙对其变形量进行限制，且这种特性时刻体现在施工中及完工后，当开挖实施时，边坡顶出现的变形在施工后可停止。

3 边坡支护过程的控制

（1）分层分段严格的对边坡开挖及支护进行逆作法实施，当上一段支护工程完成之后，在锚索张拉完成的条件下对下一段边坡进行开挖。分段长度通常

（2）依据干成孔法进行锚索成孔的实施，压浆管伸至孔底进行压浆，一次性由下到上压满，浆液回落的过程中，在孔口进行补浆，促使浆液的饱满，同时对锚索防腐措施进行严格的实施。

（3）张拉实施时，混凝土、水泥砂浆强度必须达到80%；依据二次四级进行锚索张拉的实施，每二次张拉、每二级张拉的时间分别不小于3g和15min；对张拉设备标定之后在进行张拉的实施，同时对张拉过程进行严格的监控。

（4）施工过程中，依据动态设计、信息化施工的管理原则进行实施，定期对边坡的变形状况进行监测，如果有变形异常现象的发生，就要采取措施进行处理。

4 锚固效应及加固效果

4.1 锚固效应

通过锚固岩土体的结构效应、力学效应、物理效应，可以对锚固效应进行反映，锚固的作用包括两种，一种是提供反力给围岩表面，对岩体向临空方向的变形进行约束；另一种是促使岩体整体稳定性的提高。

（1）物理效应：通过加锚岩土体一系列数的变化，对锚面的物理效应进行体现，其中弹模增加较大的是多裂隙岩体，而影响较小的是整体块状结构的岩体，岩体的渗透系的规律也是如此。

（2）力学效应：预应力的施加之后，可以对岩土锚面的力学效应进行体现，从而促使围岩应力的二次分布，对岩体刚度的提高非常有利。通过多点位移的观测，张拉锁定锚索后，岩体的压缩效应就会有所增强，而开挖岩质边坡，岩体就会有应力重分布的产生，岩坡表层就会松驰张裂，通过预应力的施加，原有的应力可以得以恢复，能够有效促使岩体强度的提高和完善性的增加。

（3）群锚效应：群锚效应的研究分两方面：①由于预应力作用，锚固段底在剖面上会产生拉张裂隙，新的滑裂面就会产生。通过间隔布置、长短结合的方式，可促使其现象的有效避免；②预应力群锚加固岩体表面后，压缩区就会在岩体表层出现，3000kV级单根锚索对坚硬完整岩体的压缩影响范围为1.5～2.5m，1000kV级单根锚索的压缩影响范围则为1.5m。如果对梅花型布置方式进行选择，锚索距应为3～4m最佳，这样一来，群锚第二效应的出现就会得以避免。

4.2 加固效果

从两方面对岩土体锚索加固效果进行分析：①锚固的实施，对岩土体的差异变形进行了调整，促使了同步变形的发生，其中系统锚固发生这一现象的概率最大。若预应力沿损失较小，锚固体和岩体共同承担锚固力；②承载能力则由来于锚索，依据锚索极值破坏试验，可以得知，锚索张拉荷载与锚索的承载力有着一定的联系，不过各自的安全储备是足够的，从这一点可以说明，锚索加固的安全度非常的高。