预应力锚索格构加固在工程中的应用

李凤岭

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

在山岭区进行大规模基础设施建设时，存在许多高填深挖工程，不可避免地会出现高陡边坡失稳的现象。为了确保此类边坡的稳定，需要施加更强的加固措施。

预应力锚索格构加固既可以确保浅层土体在坡面的稳定度，也可对深层岩土体进行有效加固。而且此类加固防护型式由于结构相对简单，施工安全，对坡体扰动小，对附近建筑物影响小等诸多优点多年来得到普遍应用。

1 项目背景

本项目地处黄土沟梁区，建筑场地为填挖结合段，场地西侧为挖方边坡，坡高20～40 m。边坡坡率采用1∶0.75，沿高度方向每8 m分为一级并设置2 m宽平台。当边坡高度大于32 m时，沿高度方向每隔16 m平台宽由2 m变为4 m。

此段边坡在开挖还未成型时，就已经出现了局部坍塌，坡面土层剥落，并且在坡面及坡顶5～10 m处出现了多条2～10 cm宽度不等的纵向裂缝。

2 地质情况

2.1 地层岩性

边坡自上而下地层依次为：

a）新近黄土 一般为坡积土和人工填土。

b）上更新统马兰组Q3m褐黄色粉土、粉质黏土，土质纯净，渗透性强，立壁状构造发育，为褐黄色粉土，富含白色钙质菌丝，含零星小钙质结核，竖向节理发育，具大孔隙和直立性。

c）基岩 砂岩层，结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，裂隙发育，层间结合一般。

2.2 地震

项目区内的动峰值加速度值为0.05g，相应的地震烈度为Ⅵ度，地震动反应频谱特征周期0.45 s，构造相对稳定。

2.3 水文地质条件

坡体内基本无地下水，大气降水是坡体含水量的主要来源，另外斜坡中上部裂缝及沟渠水渗漏也是斜坡内含水量增高的一个重要原因。

3 边坡稳定性分析

坡体周围为松填土，最厚处达15 m,土体松弛，容易滑动，坡面较为破碎。坡体由于风蚀、降雨、施工条件等诸多因素影响，已经出现局部滑塌、松散剥落，并且坡体及破口处均出现了宽度不一的多条裂缝，边坡整体稳定性较差，已经初具边坡整体失稳的征兆，必须予以及时处置。

由于坡脚处场地附近有建筑物分布，为确保边坡不发生滑塌甚至是整体失稳的危险状况出现，相关专家经过实地查勘并结合地质资料针对现场的实际情况提出了局部卸荷修坡，危险地段采用预应力锚索格构加固进行防护的处置方案。

4 边坡加固防护工程设计

4.1 格构加固设计

在本次设计中，格构加固采用矩形框架梁型式，框架的设计计算理论上以三维空间受力计算比较合理，但实际工程设计中，多简化为按竖梁和横梁分别设计。

梁的计算按弹性地基梁考虑，一根梁上布2根锚索时按简支梁计算，布3根及以上锚索时按连续梁计算。梁的设计相对简单，同钢筋混凝土梁设计，不再赘述。但应注意以下几点内容：

a）梁在设计时应按预应力阶段及梁工作阶段两种受力阶段进行设计计算和配筋。b）为防止梁的不均匀变形，在岩土层变化处应分开设梁。c）在锚索受力集中处应加密钢筋布设。d）当地面过缓时，为防止梁向山坡上方的位移造成预应力损失，应加陡锚索倾角或增设防爬设施。e）为防止梁在加预应力时受力不均匀造成破坏，各孔锚索张拉时应分级张拉，不可一次张拉到设计拉力。

框架梁布设及配筋情况如图1～图4所示。

图1 锚索框架梁坡面法向投影（单位：cm）

图2 纵、横梁配筋图（单位：cm）

图3 一个梁单元细部图（单位：cm）

图4 锚索框架梁剖面图（单位：cm）

4.2 预应力锚索设计

4.2.1 锚索与滑面夹角β的确定

锚索提供的抗力为：P抗=Psinα·tanφ+Pcosα，所以当α=φ时，可得到最大抗滑力，但此时锚索最长，不经济。考虑锚索受力特点，工作环境，施工条件等诸多因素，综合比较后，当α=45°+φ/2时，得到最优锚固角为：

式中：P抗为锚索提供抗力；P为锚索锚固力；β为锚索同水平面的夹角；α为锚索同滑动面的夹角，本项目为55°；θ为滑动面倾角，本项目为33°；φ为滑动面上的摩擦角，本项目为20°。

4.2.2 有效锚固长度的确定（即在滑动面以下的锚固深度）[1]

4.2.2.1 注浆体与土层界面破坏

4.2.2.2 注浆体与束体界面计算

式中：L效为有效锚固长度；Sf为安全系数，本项目为3；P设为锚索设计锚固力，本项目为490 kN；D为钻孔直径，本项目为0.13 m；d为钢绞线直径，本项目为0.015 2 m；n为钢绞线根数，本项目为4；τS为孔壁与注浆体之间的极限黏结强度，本项目为750 kPa；τu为钢绞线与水泥砂浆之间的极限剪应力，本项目为1 400 kPa。

有效锚固长度应考虑以上两种受力情况，并取两者中较大的数值，所以本项目有效锚固长度L效=6 m。

4.2.3 锚束根数及设计锚固力的确定

根据相关地质勘查资料，运用理正岩土计算软件，对本段加固边坡进行了相应的力学性质分析计算，得出此段土体总下滑力为32 110 kN。

矩形框架梁布置为横向间距4 m，纵向间距5 m，并在梁相交的节点处进行锚索加固，故本项目锚索设计总根数为154根。

4.2.3.1 设计锚固力的确定[2]

由N=KE总/（P抗sinα·tanφ+P抗cosα），可得P抗=KE总/（N·sinα·tanφ+N·cosα）=2×32 110/（154×sin55°×tan20°+154×cos55°）=478.4 kN.

式中：N为锚索根数，本项目为154根；E总为总下滑力，本项目为32 110 kN；P抗为单根锚索抗拔力；φ为滑面得内摩擦角，本项目为20°；α为锚索与滑面的夹角，本项目为55°；K为安全系数，由于在计算滑坡推力时，已引进了安全系数，所以此处安全系数可适当降低，建议取K=2。

本项目设计锚固力取P设=490 kN.

4.2.3.2 锚索预应力筋截面积计算

预应力锚索采用270级（7φ5）高强低松弛、抗拉强度不小于1 860 MPa的钢绞线。

式中：Nt为锚索向拉应力设计值，本项目为490 kN；fptk为预应力筋抗拉强度标准值，本项目为1 860 MPa；S为单根锚束钢筋截面积，本项目为140 mm2；K为预应力筋界面设计安全系数，临时锚索，永久锚索取1.8。

本项目单根锚索中锚束根数为n=4。

综上所述，本方案采用4束7φ5高强度低松弛钢绞线组成的预应力锚索，设计方案如图5所示。

图5 预应力锚索设计方案图（单位：mm）

5 结语

预应力锚索格构加固是一种主要承受拉力的结构体系，它的一端被固定在稳定地层中，另一端与被加固物紧密结合，形成一种新的结构复合体。它在安装后，可立即向被加固体主动施加压应力，限制其发生有害变形和位移，是一种高效经济和实用的工程技术。