浅析预应力锚索在高边坡防护中的应用

王翠丽

（福建省闽西交通工程有限公司， 福建 龙岩 364000）

1 工程概况

福建省漳州至永安高速公路龙岩段路基土建工程A5合同段起点于芦芝乡芦芝村，终点于和平镇和平村，起讫桩号为K88+880～K96+500，全长7.631km。其中K91+877～K92+140段左侧路堑边坡最大高度为55.2m，长度为263m。此处属于剥蚀丘陵地貌，地表植被发育，地势较陡，山坡坡度约20～40°，边坡上部为边坡表层为坡积粘土及砂土状强风化粉砂岩，下部为碎块状强风化粉砂岩，风化层界面产状顺倾路线，边坡开挖卸荷较大，容易沿风化层界面产生大型滑坡，坡脚地下水出露，因土层遇水后强度容易降低；在开挖及雨季工况条件下边坡容易失稳，必须采取有效的措施进行加固处理。

2 边坡设计方案

针对坡体性状，结合强腰固脚加固原则，采用预应力锚索对边坡进行强加固，并采用半挡墙对坡脚进行加固，在坡脚设计仰斜排水孔以加强地下水引排。该边坡设七级边坡防护，边坡垂直高度除了第7级为7.2m外其余均为8m，边坡平台宽度为2m。各级边坡坡率自下而上依次为1:0.75、1:0.75、1:1.0、1:1.0、1:1.0、1:1.25和1:1.25。第6～7级边坡修坡后加固采用喷播植草灌防护方式；第2～5级边坡加固采用预应力锚索框架防护，框架内喷播植草；第1级边坡坡脚加固采用A型半挡墙加设仰斜排水孔防护方式。高边坡断面设计图如图1所示。框架的尺寸为8m×8m（宽度×高度），每片框架预应力锚索设置方式为4孔6索，锚索框架混凝土强度为C25，竖肋基础设置混凝土垫层5cm厚，框架嵌入边坡坡体深度为45cm，外露出边坡面15cm。第2级、第3级、第4～5级高边坡预应力锚索的设计总长度分别为24m、26m和28m，单孔设计轴力均为700kN，锚固长度均为12m，锚索俯角为20°。预应力锚索的钢绞线尺寸为15.24mm，强度为1860MPa，钢绞线性质为高强度低松弛无粘结，锚索类型为压力分散型锚索，6索划分为3个单元，每个单元锚索由2根钢绞线锚固于钢质承载体组成，单根钢绞线的连接强度＞200kN。

图1 K91+877～K92+140左侧高边坡断面设计图

3 压力分散型锚索工作原理及优点

3.1 压力分散型锚索工作原理

4孔6索压力分散型锚索采用的钢绞线为无粘结，单孔布置不同长度的3个锚固单元，在锚固长度范围内设置钢质承载体，在每个钢质承载体上对称固定2根钢绞线，单孔一次注浆。对外锚头进行张拉时，总拉力通过孔内按照一定间距布设的钢质承载体转化成压应力，注浆体受压发生一定变形，从而承担岩体产生的荷载。注浆体与岩体之间的剪应力通过钢质承载体分散地到各个锚固单位，使得剪应力较均匀分布，避免出现孔壁间应力集中现象。

3.2 压力分散型锚索优点

（1）受力合理有助于提高承载力

压力分散型锚索将较大的拉力通过钢质承载体转化成3个较小的压力荷载，使得孔壁间的剪应力分布较均匀，有效地降低了注浆体与岩体间的剪应力峰值，受力机制较为合理。与普通拉力型锚索相比较而言，压力分散型锚索在等同锚固长度情况下锚固力更大。

（2）有效锚固段长度可控

压力分散型锚索在锚固段范围内可以通过合理设置钢质承载体的间距来形成有效锚固段，施加的荷载通过锚索传递到钢质承载体将预应力施加到岩体上，因此，可以根据边坡的情况不同来合理设计锚固长度。而普通拉力型锚索在8～10m之后的锚固段因应力集中导致之后的锚固段的荷载衰减为零，存在无效的锚固段现象。

（3）防腐耐久性能较好

压力分散型锚索采用无粘结钢绞线，钢绞线上涂满油脂，采用PVC塑料套保护，锚索张拉时注浆体为受压状态，注浆体不容易出现开裂现象。而普通拉力型锚索采用有粘结钢绞线，锚索张拉时注浆体为受拉状态，注浆体很容易出现开裂现象，因此，与普通拉力型锚索相比较而言，压力分散型锚索的防腐耐久性能较好。

（4）张拉锁定后能够重新调整预应力

压力分散型锚索开始张拉时可以先预张拉1～2次，使得钢绞线平直，各部位接触紧密，接着按照分阶段分单位进行差异分步张拉，最后锁定锚索。而普通拉力型锚索直接按照设计次序分阶段张拉锁定。在锚索长度等同情况下，压力分散型锚索的自由张拉段为全长范围，而普通拉力型锚索的自由张拉段只是其中一部分，因此压力分散型锚索的预应力损失较小。

（5）经济优势显著

在钻孔长度相同的前提下，由于压力分散型锚索分为3个单元，锚固段长度逐步缩短，而普通拉力型锚索为通长布设，因此，压力分散型锚索的费用相对减少。相关统计数据显示，在同一工况下，与普通拉力型锚索比较而言，压力分散型锚索总造价节省约10～20%，具有较明显的经济优势。

4 预应力锚索施工技术

4.1 基本试验

基本实验的主要目的是根据边坡岩土层实际分布情况来验证边坡设计的合理性与可行性。包括施工工艺、工作锚索的安全系数、锚索的性能、设计质量及锚索在搬运与安装中抗物理破坏的能力等，对相关设计参数进行校核，分析锚索锚固力的各种影响因素，对锚索极限承载力进行确定。对基本试验结果进行分析，如果发现问题应采取一定措施进行完善。在K91+877～K92+140段边坡典型断面上选取3个试验孔，1～3号试验孔钻孔长度分别为14m、14m和16m，锚固段长度分别为3m、4.5m和6m。试验孔锚索试验时应详细记录各级荷载作用下锚头的位移，以便对边坡设计合理性进行验证。3个试验孔锚索在试验过程中均未出现锚固体被拉动现象，张拉荷载均超过1.5倍设计拉力，锚头位移均≤1mm，边坡设计合理。

4.2 锚孔钻造

边坡按照设计坡度分阶开挖，开挖的高程采用水准仪全程准确测量，修坡后，搭设钢管脚手架，脚手架的承载力及稳定性应满足施工要求。根据锚孔的设计桩号在坡面上全部测量放线出来，采用铁钎和油漆进行标记，锚孔的纵横向偏差≤±50mm，标高偏差≤±lOOmm。将潜孔钻机牢固地安装在脚手架上，调整钻机的倾角及方位，倾角偏差≤±1°，方位偏差≤±2°。锚孔的直径为150mm，钻压为20kN，风压为0.6MPa，转速为20～40rpm，风量为12m3/min，采用无水干钻方式钻进，钻进过程中应详细记录岩土层变化、钻压、钻速和地下水等情况，遇到塌孔应立即停钻，上报监理工程师后，采用跟管钻进成孔工艺或采用注浆固壁处理后24h重新施钻。锚孔钻进深度应比设计深度超深0.5m，钻机钻至孔底时应稳钻1～2min，保证孔底直径满足设计要求。钻孔结束后采用高压空气将孔内的岩屑和地下水清孔干净，锚孔的孔位、孔径、孔深、倾角和方位经监理工程师复核合格后即可下锚。

4.3 锚索制作与安装

本工程3个单元锚固段L1=L2=L3=4m，自由段长度分别为12m、14m和16m，钢绞线的下料长度为锚固段长度+自由段长度+1.5m，钢绞线采用砂轮机进行切割，严格按照设计尺寸准确下料，下料长度偏差≤±50mm，钢绞线应顺直，不同单元锚索制作时应做好可靠的标记。锚固段的挤压簧和挤压套应安装准确，按照设计尺寸定位钢质承载体，限位片与钢质承载体之间采用拉杆栓接固定，在锚索体尾端设置导向帽，导向帽与钢质承载体之间采用点焊方式固定。在钻孔孔口位置设置1个架线环，自由段范围架线环的布设间距为1.0～1.5m，架线环应绑扎牢固。注浆管采用直径为25mm的PVC管，要求管材耐压≥4MPa，注浆管顺着锚索体的中轴安装，尾端插入导向帽深度为5～10cm，注浆管应绑扎牢固，所有钢质部分均涂刷防锈漆。锚索体应顺直，无扭曲和扭转现象，锚索体经监理工程师检查合格后即可运输到锚孔处进行安装。严格按照设计的倾角和方位采用人工的方式将锚索体缓慢平顺推进锚孔，下锚过程中严禁扭转和抖动，下锚应连续施工，避免中途停顿。

4.4 锚孔注浆

锚索注浆采用水灰比0.4～0.5的纯水泥浆，水泥浆体强度为40MPa，水泥浆应搅拌均匀。注浆压力为2.0MPa，注浆方法为孔底返浆，当新鲜的水泥浆从孔口溢出时即可停止注浆。当孔口水泥浆出现回落现象时，应在30min内孔底压浆2～3次，确保注浆饱满。

4.5 锚索框架施工

锚索框架嵌入边坡坡面深度为45cm，外露15cm。框架放样刻槽后其基础底面铺设一层厚度为2～5cm的水泥砂浆找平，个别架空部位采用C25混凝土补平。锚垫板、波纹钢管和螺旋钢筋按照设计要求与框架的钢筋固定牢固，混凝土振捣应密实。拆模后应及时进行养护，养护天数不能低于7天。框架间设置变形缝，缝宽为2cm，填缝材料为浸沥青木板。

4.6 锚索张拉锁定

当框架混凝土强度和注浆体强度达到80%设计强度（验收试验锚孔应达到100%设计强度）即可开始张拉作业，锚索张拉方法采用差异分步张拉，根据锚索长度和设计荷载计算出差异荷载△P1和△P2，3单元的锚索预应力根据差异荷载补足后按照规定分5级加荷张拉。锚索正式张拉之前，应先预张拉6根钢绞线1～2次，加荷为15%的设计张拉荷载，使得钢绞线完全平直及各部件相互之间接触紧密。卸掉预张拉荷载，对长束钢绞线补足△P1差异荷载进行张拉。随后，对长束和中束钢绞线补足△P2差异荷载进行张拉。补足差异荷载后，按照25%、50%、75%、100%和110%的设计张拉力（700kN）对6根钢绞线同时分级加荷张拉，第5级荷载张拉应持荷稳定10～15min后卸荷锁定。所有张拉过程中均应测量出钢绞线的伸缩量和锚头位移，后者测量次数≥3次。最后一级持荷过程中，锚头位移≤1mm。锚索锁定后如果48h内预应力出现明显损失现象，采用补偿张拉来调整预应力。

4.7 封锚

锚索锁定后，采用砂轮机切除多余的钢绞线，锚头和锚垫板的空隙采用水泥浆填充饱满，锚具和钢绞线采用C25混凝土封头。

5 锚索质量检测和边坡监测

锚索的长度经实测均满足设计要求。在试验荷载达1050kN（1.5倍设计荷载）时，实测总位移量符合规范要求，锚索抗拔力满足设计要求。张拉锁定荷载作用下，锚索的伸长量符合规范要求，锚头未破坏。锚索质量检测结果为合格。在高边坡上按照设计要求设置4孔JCI～JC4锚索预应力监测孔和6孔ZK1～ZK6深孔位移检测孔进行边坡稳定监测，锚索预应力值稳定未见损失降低现象，深孔位移未见明显滑动变形现象，边坡岩体和锚墩未见明显变形，在历经数次强降雨和暴雨恶劣气候后，边坡未见明显变形现象，边坡稳定。

6 结束语

K91+877～K92+140段左侧路堑高边坡采用预应力锚索框架防护方式，跟传统拉力型锚索对比而言，压力分散型锚索受力更为合理，锚固段荷载分布较均匀，在复杂地质情况下能够增大锚固力；注浆体受力状态为受压，注浆体不易开裂；各单位锚固段锚索长度不同，经济性良好。实践表明，预应力锚索框架是一种理想的高边坡防护方式。