某黄土高边坡预应力锚索极限抗拔力对比试验及支护优化设计

吴西臣

(中煤科工集团武汉设计研究院，湖北武汉 430064)

1 工程概况

拟建的山西某电厂建设规模为2×50 MW汽轮发电机组配3×220 t/h循环床锅炉。该电厂傍山而建，场地平整后在主厂房西侧形成了最高达40 m的黄土高边坡，同时在该高边坡上拟建一条永久性公路，该边坡的稳定与否直接关系到主厂房的安全。

2 工程地质条件

2.1 自然地理及气象

拟建电厂东距太原市约10 km，由公路和铁路相通，交通便利。

该区属大陆性半干旱气候区，降水量最低在1月，平均4～6 mm;最高在7月，平均140～160 mm;年平均降水量400～600 mm，年蒸发量平均1 500～1 700 mm。标准冻结深度为100 cm。

2.2 地形地貌

本边坡的地貌为低山山间沟谷地貌，原始地形最高标高为1 017.55m，最低标高为982.46m，最大高度约35.0 m;坡中标高1 002 m处平台中建有煤泥棚;分级台阶坡度约35°。

2.3 边坡地层结构

本高边坡坡体主要地层为人工填土层、上更新统马兰黄土和中更新统离石黄土，下伏基岩为二叠系石盒子组砂岩夹泥岩。坡面上有少量全新统坡洪积层。

①层素填土(Qml) 灰—灰褐色，稍密，主要由粉质粘土和粉土组成，含大量灰渣、砖块。零星分布于坡顶平台中，最大揭露厚度2.8 m。

②层黄土状粉土(Q4dl+pl) 褐黄色，稍湿状态，大孔隙多，干强度低，韧性低，属中等压缩性土。主要分布于边坡上部表层。钻孔揭露厚度2.0～3.5 m。

③层马兰黄土(Q3eol) 以粉土为主，局部夹薄层粉质粘土，黄—褐黄色，呈稍湿、稍密状，土质均匀，含少量姜石，干强度低，韧性低。属中等压缩性土层，具湿陷性。钻孔揭露厚度6.0～14.0 m。

④层离石黄土(Q2eol) 主要为粉质粘土，为棕红、褐红色，局部夹黄褐—褐色粉土。孔隙较少，土质不均匀，含大量姜石。属中等压缩性土层。钻孔揭露厚度2.0 ～15.7 m。

⑤层砂岩夹泥岩(P2s1) 灰黄、灰绿、灰黑色砂岩夹紫红色、杏黄色泥岩，钙质、泥质胶结，中—厚层状，产状:走向 55°∠11°，倾向坡内。

2.4 水文地质条件

边坡开挖深度范围内未见地下水，边坡水文地质简单，基本不受地下水的影响。

2.5 设计参数

边坡岩土体物理力学参数见表1。

3 边坡稳定性评价及支护方案

本边坡原始坡高约35 m，为两级台阶，坡度35°，经调查及边坡稳定性分析计算，坡体及坡顶无明显位移及裂缝发育，整体稳定性良好。

按照厂区规划，拟在本边坡坡脚修建电厂主厂房，将对坡脚进行切坡开挖，且其平场标高为976.5 m，将形成高度达40 m的人工高边坡。另外，边坡上部996.5 m标高处将修建一条永久性公路，为厂区重载车辆行车通道，长期车辆动荷载作用对边坡稳定性十分不利。

表1 岩土物理力学参数表Table 1 Parameter table of geotechnical physics-mechanics

受边坡周边环境限制，边坡放坡开挖坡率无法满足自稳要求［1］。根据边坡稳定性计算结果，如不采取有效的支护措施，边坡稳定系数仅1.053，存在失稳可能。边坡一旦失稳将对电厂主厂房造成毁灭性的破坏。因此，必须进行边坡支护。

根据边坡工程地质条件，结合地区边坡支护经验，拟采用分级放坡开挖，其中拟建道路标高以上部分边坡维持原有坡率不变，仅进行局部消坡平整绿化。道路以下分两级放坡开挖，一级坡坡高6.5 m，坡度30°，坡面采用锚杆+喷射混凝土面板支护;二级坡坡高11.50 m，坡率1∶0.75，坡面采用预应力锚索 +格构竖梁+喷射混凝土面板的加固治理措施;坡中990.0 m标高处设2.0 m宽马道。

4 预应力锚索极限抗拔力对比试验

岩土体与锚固体粘结强度特征值是锚索设计的重要参数之一。施工前开展锚索基本试验，其目的是确定锚索设计参数和施工工艺，为边坡优化设计提供依据。

4.1 试验锚索布置

考虑到场地工程地质条件的差异，共布置2组试验锚索。其中1组布置3根一次常压注浆锚索，试验锚索编号为Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3;1组布置4根二次高压注浆锚索，试验锚索编号为Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4。

4.2 试验锚索设计及施工参数

表2 试验锚索设计及施工参数一览表Table 2 Schedule of anchorage cables design and construction parameter

4.3 锚索试验设备

锚索试验张拉设备采用轻型油压千斤顶。试验设备安装如下:

(1)锚索周围2.0 m×1.5 m范围内土层整平，并浇筑50 mm厚砂浆垫层;

(2)砂浆垫层上安装20 mm厚2.0 m×1.2 m钢板;钢板上安装4根长1.2 m的横钢轨及2根长2.0 m竖钢轨;

(3)竖钢轨上安装3块400mm×400mm的20mm厚钢垫板;钢垫板上安装工作锚具及油压千斤顶等装置。

4.4 锚索试验方法及步骤

锚索试验方法和加载步骤按照《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2002)［2］及《土层锚杆设计与施工规范》(CECS22∶90)［3］等有关规定进行。

(1)预计破坏荷载400 kN，初始荷载从40 kN开始施加;

(2)加荷前，先用80 kN对锚索预拉2次，以使锚索拉直和保证千斤顶、基座接触紧密;

(3)按相关规定进行六个循环的加载试验，绘制Q(荷载)—S(位移)曲线，填写试验记录;

(4)400 kN以后，每级增加40 kN，直至破坏。

4.5 锚索试验成果及分析

根据试验结果绘制的锚索拉力与位移关系典型曲线详见图1～图2。

图1 一次常压注浆试验成果Fig.1 Test results of common pressure grouting

图2 二次高压注浆试验成果Fig.2 Test results of second high-pressure grouting

从表3中可以看出，二次高压注浆与一次常压注浆相比锚索极限承载力可提高56%。

表3 锚索试验成果对比分析表Table 3 Comparative analysis of anchorage cable results

另一方面，采用二次高压注浆对一次常压注浆所形成的圆柱形锚固体外土体进行劈裂注浆加固、挤密，提高了锚固体周边土体强度及两者咬合程度［4］，致使其在控制位移方面表现出明显优势，同在360 kN拉力作用下，前者位移仅83 mm，后者位移达133 mm，减小位移达37.6%。

5 优化设计及治理效果

5.1 优化设计

根据稳定性计算结果，共布置二次高压注浆预应力锚索 9排，锚索水平间距为1.25 m，垂直间距1.2 m，直径为150 mm，方形布置(图3)。注浆采用水灰比为 0.45 ～0.50 的纯水泥浆，水泥为 P.O42.5R。第一次注浆压力为0.3～0.5 MPa，注浆量为每米水泥用量不少于30 kg;二次注浆压力为2 MPa。锚索设计参数详见表4。

表4 锚索设计参数表Table 4 Parameter table of anchorage cables design

图3 支护结构剖面图Fig.3 Profile of supporting structure

5.2 锚索验收试验

在锚索施工完成后，在892根锚索中随机抽取58根锚索进行验收检测。锚索设计锚固力Nt=200 kN，在1.5 Nt荷载作用下，锚头位移稳定，总弹性位移满足验收试验标准。

5.3 边坡位移监测

根据监测数据，施工期间边坡最大水平位移为7.5 mm，最大沉降仅8.7 mm，边坡变形一直控制在允许范围之内，边坡处于稳定状态;施工完成后，边坡在一年运营期内水平位移最大仅4.12 mm，垂直沉降仅3.00 mm，表明边坡稳定性良好。

6 结论与建议

通过一次常压注浆及二次高压注浆锚索极限抗拔力对比试验确定了锚索设计参数。同时，由于采用二次高压注浆工艺，使得锚索的承载力提高了50%余，整个锚索加固区共布置18 703 m二次高压注浆型锚索，与一次常压注浆型锚索相比，工程量减少了近10 000 m，工程造价节省250多万元。由于工程量的减少缩短了工期，保证了边坡稳定安全，确保了电厂提前发电，产生了很大的间接经济效益和社会效益。

［1］常士骠，张苏民，主编.工程地质手册［S］.第四版.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］GB50330—2002，建筑边坡工程技术规范［S］.

［3］CECS22∶90，土层锚杆设计与施工规范［S］.

［4］闫莫明，徐祯祥，苏自约，主编.岩土锚固技术手册［S］.北京:人民交通出版社，2004.