预应力锚索框架结构在滑坡治理中的应用

陈远程

安溪县农村公路养护管理所，福建 泉州 362400

预应力锚索框架结构是在滑坡治理工程中出现和发展起来的一种新型抗滑支护结构型式，它是一种把锚杆埋入地层进行预加应力的技术，锚杆外露于地面的一端用锚头固定，同时利用某些框架结构或格构梁使锚头部位的应力向周围的岩土体传输。本文基于预应力锚索框架结构的结构力学特征，深入阐述了该支护结构的受力基本原理，并通过设计计算和工程应用实例对预应力锚索框架结构的有效性进行分析，为预应力锚索框架结构支护手段的广泛应用提供理论指导。

1 滑坡主要支护措施

1.1 抗滑桩

作为一种支挡设施，抗滑桩从滑体中穿过并锚固于滑床的某一深处，它通过对侧向载荷的承受来抵抗滑坡推力，从而实现了对滑坡的有效治理［1］。它适用于除流塑性滑坡意外的各种类型滑坡。从工程实践中不难看出，一些比较棘手的问题均可借助抗滑桩进行快速解决。抗滑桩以其安全性较高、支护效果较好、操作较简便等优良特性，成为目前使用较多的治理滑坡的有效措施。

我国最早应用抗滑桩是二十世纪50 年代修建宝成铁路，当时的桩即与现在挖孔关注抗滑桩一样，系钢筋混凝土结构，但主要用于整治少数岩石顺层滑坡。抗滑桩的主要类型有单桩、桩板抗滑桩、框架式抗滑桩、锚索桩等。

1.2 锚固措施

通常采用两种锚固措施，其一为主动加固型的预应力锚固，其二为被动加固型的非预应力锚固［2］。前者的加固对象是岩土体，操作过程中需要使用钢筋锚杆与钢绞线锚索等物品。通过将预应力主动施加给有可能失去稳定性的岩土体，并施以反向压力与正向压力，使岩土体表面的抗滑力增加，从而达到稳定边坡的目的。后者的加固对象也是岩土体，不过操作过程中使用的物品主要是树脂锚杆和砂浆锚杆，通过增强滑动面上的抗剪切能力来保证边坡的稳定性。

预应力锚索不仅便于施工、对场地要求不高，而且加固效果较为突出，因而在预应力锚固作业中得到了广泛应用。以灌浆次数为依据可将预应力锚索分为两种，即双层保护自由式与全长粘结式［3］，前者一般灌浆1 次，后者则需要灌浆2 次。就我国而言，后者的应用更具有广泛性。

1.3 支挡措施

有效的支挡措施除了挡土墙、挂钢筋网以外，还包括钢纤维混凝土喷注、混凝土喷注以及混凝土防护面。支挡措施隶属于被动加固范畴，可从外部入手来保证滑坡的稳定性［4］。喷注混凝土或挂钢筋网均可覆盖边坡岩土体表面，这种方式被普遍应用于边坡工程项目中。对于表面岩土体脱落或者渗水这两种状况，可采用封闭表面的方法进行处理，这就是被经常使用的混凝土护面支挡措施。另外，该措施还具有支挡作用。还有工程中应用较多的以预防边坡岩土体塌陷的挡土墙支挡措施，不过此种方式主要适用于场地受限制或已建建构筑物旁的位置。

2 岩土锚固的基本原理

岩土体的锚固是把锚杆（锚索）插入预先钻孔然后固定于岩土层并传递预应力的加固技术。凭借锚杆底层的抗剪强度使底层开挖面保持较好的稳定性或对结构物的拉力进行传递，是这种技术的基本原理［5］。岩土锚固可发挥以下四种作用：

（1）使结构物产生抗力以便于承受载荷。

（2）使岩土体产生非预应力（加筋作用）或压应力。

（3）加固的同时提高岩土体抗剪强度，同时或多或少改善了岩土体的其他力学参数指标。

（4）通过锚杆（锚索），使结构和岩土体形成一个整体，成为一种复合式结构物，二者可共同受力，即便剪力和拉力有所增加，岩土体也能够较好地应对［6］。

以上四种作用具有互补性。当然，由于边坡项目不尽相同，岩土锚固也未必能同时发挥这些重要作用。若非预应力锚杆在工程中得到了应用，只有岩土体需要加筋且其表层出现了位移变化时才能起作用；这样的锚固方式远不及预应力锚杆（锚索）的效果。

3 锚杆（锚索）的设计原则

（1）首先应根据地勘资料和周边环境，考虑与目标效果相适应的安全的、经济的与可操作的方式，尽可能减少对周边建构筑物等的不利影响。

（2）其次要考虑一定的安全系数，确保被锚固的结构物受施工荷载或竣工后荷载作用时有一定安全度。

（3）除非项目有基本一致的条件，或者项目具有一定的工程经验并提供了较为可靠的试验数据，否则不可以借鉴。这两类项目以外的任何一个项目都有必要进行锚杆的基本试验。

（4）为了实现某种特殊目的，需要使用能够承受疲劳载荷的锚杆、需要回收的锚杆以及水中的锚杆时，务必在使用前进行深入研究并确保试验结果可靠。

4 锚杆的配置

4.1 锚杆的配置原则

锚杆的长度、锚固体直径以及间距的确定由两种要素决定，一是结构物的平衡状况，二是锚固岩土层的稳定性。

4.2 相邻结构物的影响

设计锚杆时，需要对周边的地下管线以及建构筑物加以考虑，若这种状况存在，必须充分论证锚杆的倾角及其插入点。

4.3 锚杆的倾角

只有锚杆轴线与其作用力的方向保持一致，才能产生最好的效果，但在现实中这一点很难做到。实际上，边坡临空面与锚杆轴线二者间的夹角必然影响锚杆轴力的分力，而锚杆轴线与水平面的夹角越大施工难度越大，故而在设计时应避免锚杆倾角大于35°。

若锚杆倾角小于10°，由于灌浆材料（如水泥砂浆）在硬化过程中出现的残渣与冒出的浆液会影响锚杆的承载力，应该尽量避免。综上，锚杆的倾角一般取10°～ 35°。

4.4 锚固体的间距

锚固体间距的取值涉及到对多种因素的考虑，如锚固体长度与直径、锚固力的设计值等等。同时须注意锚固体间距过小易产生群锚效应，锚固体的极限抗拔力会因此而减小［6］。

5 锚杆最优安装角和锚固力的计算

5.1 最优安装角θ 的确定

如图1 所示：

图1

设P 在滑动面产生的总抗滑力为FP，

这样选择安装角时，应使式（5-1）中的FP最大。为此，对式（5-1）进行求导：

因此，由（5-2）求得的θ 和相应的式（5-1）的Fp的极大值。

因为α=57°，φ=30°，所以θ=φ-α=-27°

因为θ 为负角，即应是向上的仰角，按（-θ）施工。

5.2 锚固力P 的计算

图2

从安全系数的强度储备定义出发，按图所以方式选取x，y坐标轴，即选取滑动面OD 方向为x 轴，垂直于OD 面方向为y轴，过OD 滑动面上的作用力有：滑体重力G，锚固力P，法向力N 和切向力S，已知P 的安装角为θ，滑动面倾角为α，将安全系数K 定义为：

Mohr-Coulomb 破坏准则为：

式中：N-法向力，N=G cos α

φ-内摩擦角，tanφ 为摩擦系数

C-单位粘结力

L-滑面面积

将式（5-4）中的Smax代入式（5-3），得：

由图，在极限平衡条件下，依据力在x，y 方向的平衡条件，可以得出：

将式（5-5）中的S 代入式（5-6）得：

将式（5-9）中的N 代入式（5-8），化简整理后得到：

则式（5-10）可改写成：

6 工程实例

6.1 滑坡区工程概况

本项目位于泉州安溪高吾达新公路（高会至达新、高会至吾培）左侧。坡脚为在建县道（拓宽），上部为乡道，盘山而上，项目所在山头上陡下缓，植被茂盛，坡面无防护加固工程。目前滑段落对应坡脚县道桩号为K0+900～K0+990 段，总长约90米，最大高差约60 米，其余水毁段落合计约380 米。

2019 年6 月，在县道扩建工程实施过程中恰遇当地发生连续强暴雨，导致坡脚失稳，表层土体堆填至坡脚，公路被阻断。险情发生后，业主立即组织人员抢险，并对滑坡场区周边的病害情况进行巡查，发现坡体已有多处变形迹象，主要为上部乡道路肩下沉，混凝土路面底板脱空、坡面开裂等。

2019 年6 月～7 月，坡体滑坡病害持续发展，同时，前后相邻段落相继发生一阶溜塌的水毁病害。

根据调查资料可知，本滑坡为工程滑坡，坡面存在多级牵引裂缝，前缘、后缘及滑坡周界清晰，滑坡已经形成，需要进行治理，防止发展成为规模更大的滑坡。

6.2 滑坡成因分析

边坡病害成因错综复杂，往往是多种因素共同作用的结果，其中主要包括地形、地貌，工程地质条件，水文气象条件，人类活动等等，在多次现场踏勘的基础上，结合地质勘察报告、深孔位移监测结果等资料综合分析，本滑坡成因如主要有以下六个方面：

（1）滑坡所在山体较庞大，且地形上陡下缓，有利地表水下渗；

（2）场区处于凝灰熔岩、花岗岩的交界带，地质较差，岩土体破碎，表层残积碎、块石砂质粘性土层较厚，饱水后易软化崩解，从而降低岩土体的物理力学特性。

（3）场区孤石发育，破坏岩体的完整性，且夹层较多，在不利工况下沿土岩交界面极易饱水形成软弱滑动带，导致滑坡的产生。

（4）2019 年6 月，受连续强降雨的影响，大量雨水渗入边坡岩土体，而且无法及时有效排出，从而使上部松散的土体泡水软化，导致抗剪强度减小，同时饱和土体自重增加；坡体的下滑力增加，抗滑力减小，最后边坡变形失稳。

（5）坡体上部发现泉眼，出水量大，坡面渗水严重，整个山体缺乏有效的排水系统，在不利工况下加剧滑坡的形成。

（6）坡脚正在实施县道拓宽工程，开挖坡脚对滑坡的形成也会起到一定的不利影响。

6.3 滑坡整治方案

6.3.1 加固工程

（1）从县道用地红线内退1m 开始起坡，分六级进行加固，第一阶坡率1：0.5，其余坡率为1：1.25，平台为3～6m，具体详见断面设计图；

（2）第一阶采用C20 片石砼挡墙（8m）进行支挡；

（3）第三～六阶满布预应力锚索框架，框架尺寸8m×8m，锚索孔径130mm，4 束钢绞线锚索，设计拉力400kN。

6.3.2 排水工程

（1）第二阶坡面设置6 道支撑渗沟；

（2）第三阶、第四阶坡脚设置排水平孔，长15m，间距5m（可依据现场实际情况进行适当调整间距或长度，但必须确保出水率大于50%）。

（3）滑坡中部及顶部各设置一道截水沟。

6.3.3 其他

（1）刷坡卸载揭露的裂缝进行封闭防止雨水下渗。

（2）施工及运营过程中须加强坡体变形监测并及时反馈。

（3）严格遵循“开挖一阶、防护一阶”原则，严禁一阶开挖到底，待上部防护施做完成后方可进行坡脚挡墙施工。

7 结语

本文系统地整理了目前滑坡治理的主要支护手段，阐述了预应力锚索框架结构体系的基本工作原理。从设计角度出发，总结了预应力岩土锚固技术的关键设计环节。依托泉州公路边坡滑坡治理项目，基于工程实践经验，对预应力锚索框架结构在治理滑坡方面的应用进行了研究，并得出了以下五点结论：

（1）采用锚固技术措施使结构和岩土体形成一个整体，成为一种协同受力的复合结构，能提高边坡的稳定性，改善岩土体的物理力学性能同时增强滑动面抵抗压力和剪切力的性能。

（2）当周边环境存在一些不利因素时，为了防止行车受到干扰，可采取比一般防护技术更加安全高效的原位加固技术。

（3）滑坡治理作业结束以后，不需要投入很多资金、配置设备或安排专门人员来维护保养，有较好的耐久性。

（4）对于治理高陡边坡，锚固技术更具有优势。

（5）预应力锚索框架结构可缩短边坡治理工程的工期，经济性方面有较大优势。相比其他类型的加固技术，该框架结构不仅可将工期缩短一半左右，还可使工程造价的降幅达到20%至30%，因此其产生的经济效益是较为可观的。