压力分散型预应力锚索的工程优化应用

2021-01-16范一平

山西交通科技 2020年6期

范一平

（太原公路分局，山西太原 030012）

0 引言

压力分散型预应力锚索与常规拉力型锚索内锚固段受力机理不同，压力型锚索的锚固体沿轴向承受压应力，改善了锚固段附近的应力状态，有利于将锚固力分散传递于地层深部，从而极大提高了锚索的承载能力，扩大了其在各类地层条件的适用范围[1-3]。同时，由于锚索采用无黏结钢绞线，通过保护束体可提高边坡支护工程的耐久性。目前，关于压力分散型预应力锚索的理论研究较多，而结合工程实际的可操作性研究还略显不足，阻碍了该技术的进一步推广应用[4-7]。本文结合工程实例对压力分散型预应力锚索设计方案进行了详细说明，可为今后类似工程实践提供一定的参考和借鉴。

1 工程概况

国道108线改线工程双向四车道，设计速度80 km/h，路基宽度为24.5 m。其中，K309+990—K310+110段，路面设计标高1 029.60 m，地面标高1 040.49～1 070.63 m，为挖方路堑段，平均下切深度10 m左右，最大下切深度30 m。

1.1 地形、地貌

本段工程位于太行山山脉向内蒙古高原过渡地带的低中山区，境内丘陵遍布，沟壑纵横，河道交错，地形破碎，侵蚀沟谷广布，地势总体西南高、东北低，地形坡角30°～55°。

图1 国道108改线K309+990—K310+110全貌

1.2 工程地质条件

本段路线周围太古界五台系地层广泛出露，为经受多期变形变质及局部混合岩化作用的岩系，主要地层自上而下分布如下：

a）第四系全新统杂填土（Q4ml）分布于串岭村西、上寨河畔或小支沟中。灰褐色，杂色，主要由生活垃圾和少量建筑垃圾组成，含有机质成分多和浅灰白色长英岩块石或滚石。结构物质成分不均匀，填龄短，不足5年，厚0.5～1.0 m。

b）第四系上更新统砂砾石夹粉土（Q3al+pl）分布于串岭村西上寨河谷中，灰黄色、灰白色，结构疏松，上部为含砂量高的粉土，下部为砂砾层，砾径一般3～5 cm，大者10～20 cm，见少量块石，砾石多呈半浑圆状-棱角状，厚1.0 m左右。

c）第四系上更新统粉土（Q3al+pl）分布于山区低凹带及沟谷畔，土黄色、灰黄色，结构较疏松，垂直节理发育，具大孔隙构造，局部夹粗砂或砂砾石透镜体，厚0.5 m。

d）五台系石咀群庄旺组（Wsz）主要分布在测区上寨河两侧低中山区，据地质测绘和钻孔揭露，在剖面山梁地带为厚层状黑云角闪斜长片麻岩，夹薄-厚层状斜长角闪岩，灰绿色，灰褐色，中-细粒结构，片麻状构造，块状构造，由灰黑色角闪石及灰白色斜长石组成，见少量黑云母片，暗色矿物似定向排列，沿层面多见云母碎片，岩层总体倾向NW290°～295°，倾角28°～30°。在黑云角闪斜长片麻岩中见较多不稳定的顺厚片理或片麻理贯入的长石石英脉，呈灰白色，乳白色，粗粒结构，伟晶结构，块状构造，由长石石英组成，长石、石英各占近一半，见极少量云母。

1.3 边坡稳定性评价

根据本路段所在地区的地层岩性、节理裂隙特征和产状、软弱结构面的力学参数等工程地质条件，结合工程设计方案对路堑边坡稳定性进行计算分析，得出安全系数为1.03，不满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）关于路堑边坡稳定安全系数不小于1.20的要求，需对其进行加固处理。

图2 边坡支护设计图

2 工程优化设计

本项目原设计方案为：一号边坡采用“斜率法刷坡+一级挡土墙+三级拉力型预应力锚索+截排水措施”。结合工程详勘资料，通过边坡稳定性计算得出锚索轴力设计值，在非正常工况Ⅱ进行锚固力设计，得出边坡总锚固力pd不应小于1 598.4 kN/m，每根锚索的设计锚固力不应小于532.8 kN。由于锚索所需提供的设计承载力较大，且边坡地层岩质破碎，采用拉力型锚索工程安全系数较低，且存在一定的施工难度。因此，对边坡加固方案进行优化，即将拉力型预应力锚索改为压力分散型预应力锚索。锚索仍采用Φ15.2高强度低松弛钢绞线，锚固段分两个单元，每个单元长度均为4 m，钻孔直径150 mm，倾角为20°，具体设计计算过程如下。

2.1 钢绞线面积验算

单孔所需锚索截面面积A可根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）条款5.5.5计算[8]，则边坡按照设计锚固力所需锚索面积为：

式中：K1为安全系数，高速公路永久性锚杆取2.0，根据锚索面积A可得出需要钢绞线根数n为4.33根，取6束钢绞线可提供775.6 kN的锚固力，可满足设计要求。

2.2 孔径验算

压力型锚索需对锚固体承压面积进行验算，使得锚索孔径和注浆体强度满足锚索的抗拉承载力要求。《岩土锚杆（索）技术规程》对该部分验算内容有所规定[9]：

式中：Kp为锚固段局部抗压安全系数，取2.0；Nt为轴力设计值，取280 kN（两个单元体）；Ap为单元锚杆承载体与锚固段注浆体横截面的净接触面积，取0.015 3 m2；Am为注浆体的横截面积，取1/4·π·D2=0.0177 m2；η为强度增大系数，取2.0；fc为锚固体轴心抗压强度标准值，M40水泥净浆取40.0 MPa。

满足设计要求。

2.3 锚固体长度验算

注浆体与地层间黏结长度可根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）条款5.5.6计算：

式中：K2为安全系数，高速公路永久性锚杆取2.1；frb为地层与注浆体间黏结强度，强风化片麻岩根据规范取330 kPa，优化设计方案单元锚固长度为4 m，满足规范要求。

2.4 锚索入射角度优化

一般在锚索设计中推荐采用15°～30°之间的合理值，原边坡设计方案中锚索与水平面的夹角为15°，但根据最优锚固角度β优=θ-（45+φ/2），可得到最优锚固角为33°。锚索入射角太小不便于成孔和注浆施工，而角度过大又会减小抵抗水平荷载的有效分力。考虑到边坡原设计方案预应力锚索的锚固段位于强风化岩层中，调整锚索角度可利于采用更短的距离进入稳定岩层，因此将锚索入射角优化为25°。

3 工程验证

工程项目实施前，首先在现场开展了两次压力分散型预应力锚索拉拔试验。试验中加载方式都是将最大荷载分为5级，逐级加载、卸载，每级荷载加、卸之后均保持3 min左右，然后读取千斤顶荷载读数和锚头位移值。本次试验得到锚索的张拉荷载最大值达到733 kN，较设计计算值高出35%以上。试验完成后将每级荷载与其对应的弯沉值点绘在直角坐标系中，通过直线或曲线回归得到锚索张拉Q—S曲线如图3所示。从图中可以看出，每级张拉荷载与锚头位移基本都呈线性增长关系，但当张拉荷载恢复到30%后，锚头位移并不能相应恢复到原点，加载和卸载曲线形成若干滞回圈。该滞回特性是由钢绞线和锚垫板底部土体的塑性变形无法恢复引起的，表现出随着荷载级别的增大，塑性位移也呈逐渐增大的趋势，滞回曲线性状也越饱满。同时，各滞回曲线上方的加载曲线斜率基本相同，说明锚索工作状态仍处在弹性阶段，承载能力还有较大的提升空间。