高强锚杆在路基边坡支护中的支护效果研究

邓跃华

（中国铁建十六局集团第二工程有限公司 天津 300162）

1 引言

高强钢筋［1－3］通常是指屈服强度不小于400 MPa的普通热轧、细晶粒和余热处理钢筋，与普通钢筋相比具有强度高、综合性能优良、节约环保、使用寿命长、安全性高等优点。其优异的力学性能能够有效降低工程中钢筋用量、提高工程施工质量。当前，随着工程建设规模不断扩大，面对能源、资源不足，环境污染加重的形势，高强钢筋的应用与推广，在节材方面可取得显著成效，对建设节约型社会具有重大意义［4－5］。

然而目前我国高强钢筋只是成功应用于建筑楼房、煤矿巷道、风能基础、重载公路、地铁车站等领域，在工程建设等领域并未得到广泛推广，尤其是铁路工程中还没有应用先例。因此，推广高强钢筋在铁路工程中的应用，为高强钢筋在铁路工程中的全面推广提供理论技术支撑，研究高强锚杆在铁路路基边坡支护中的适用性十分必要［6］。

2 工程背景

新建成兰铁路CLZQ-4标位于成都平原北部，沿线多为水田及旱地，灌溉沟渠纵横交错。工程区域表覆第四系全新人工填筑土，下伏松软土、粗圆砾土、卵石土。地层岩性主要以千枚岩、板岩为主，局部段落夹砂岩、灰岩，零星分布花岗岩。受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，软岩和破碎岩岩性条件极差。

区域内地下水类型主要有第四系松散层孔隙潜水、碎屑岩类裂隙孔隙水、基岩裂隙水。第四系松散层孔隙潜水主要分布于区内河流两岸第四系松散堆积层内，赋存孔隙水，富水性较好。

路基高边坡采用锚杆框架梁支护，JK0＋970～JK1＋030区段位于安县货场，基线右侧挖方边坡较高，最大高度为18 m，主要位于泥岩弱风化层中，化学环境类型为化学侵蚀环境及氯盐环境，地表水对混凝土结构构件无侵蚀作用。该边坡区域露出层主要是由粉质黏土、灰岩、泥岩风化碎屑构成，露出层厚度在2～3 m之间，露出层以下为6 m厚强风化泥岩、中风化泥岩和弱风化泥岩。将JK0＋970～JK1＋030路基高边坡锚杆框架梁支护段落作为对比试验段，该段边坡地质分布均匀，参数基本类似，试验的可比性能够保证。

3 锚杆强度对比

JK0＋970～JK1＋030区段锚杆框架梁采用矩形布置，开挖后边坡为一级边坡和二级边坡，一级边坡高度为8 m，坡度为1∶1.25；二级边坡高度为5.2 m，坡度为1∶1.25，一级边坡与二级边坡之间有一2 m宽平台。框架梁混凝土强度等级为C35，框架梁间距3.0 m。锚杆体一般垂直于坡面布置，锚杆布点位置位于每两段框架梁交接的节点上。锚杆注浆压力为0.2～0.4 MPa，注浆材料选用水灰比0.45～0.5、灰砂比为1∶1的M35水泥砂浆。锚杆参数如表1所示。

表1 锚杆参数对比

4 试验方案

选取JK0＋970～JK1＋000为高强锚杆支护试验区间，采用热处理高强螺纹钢筋锚杆支护，锚杆总数约40根，直径为22 mm，长8 m／根。

选取JK1＋000～JK1＋030为普通锚杆支护试验区段，采用普通螺纹钢筋锚杆支护，锚杆总数约40根，直径32 mm，长8 m／根。每个试验区段布设两个测试断面，每个测试断面布设4根测力锚杆，每根锚杆布设3个钢筋轴力测点，在测力锚杆附近位置布置边坡位移测点。锚杆轴力采用钢筋计进行测试，边坡位移采用全站仪测试。

（1）钢筋计布设

钢筋计安装时，将每根8 m长锚杆截断成4节，3个截断点处采用与锚杆粗细相同的钢筋计满焊焊接牢固；焊接完成后检查是否有缺陷，排除漏焊、半焊等焊接不合格区域，保证试验成功。

（2）边坡位移监测

每个试验区段内设置两个监测断面，其中JK0＋985与JK0＋988为高强锚杆监测断面，每个监测断面埋设4个监测锚杆；JK1＋015与JK1＋018为普通锚杆监测断面，每个监测断面埋设4个监测锚杆。在一级边坡与二级边坡之间平台处，22 mm高强锚杆与32 mm普通锚杆监测断面各埋设一个边坡位移观测桩。位移观测桩采用混凝土桩，桩中心为φ14 mm钢筋，刻画十字线，外露5 mm，采用全站仪进行观测。

5 监测结果及对比分析

锚杆与仪器埋设完成后，取第一时间采集的数据为初始值，初始几天无特殊情况坚持每天进行数据采集，后期数据采集频率可适当下降。本次锚杆轴力监测期为100 d，位移监测期为20 d。由于路基边坡工程露天，无遮雨设施，数据采集时为保护仪器应避免在雨天进行［7－10］。

5.1 锚杆受力监测分析

22 mm高强锚杆试验段8个监测锚杆（MG1～MG8）的锚杆受力时程监测结果如图1～图3所示，其中每根锚杆上设置3个受力监测点，以里侧监测点、中间监测点、外侧监测点进行标记。

图1 高强锚杆里侧轴力时程曲线

图2 高强锚杆中间轴力时程曲线

图3 高强锚杆外侧轴力时程曲线

通过整理不同坡高处、不同埋深位置的轴力值，22 mm高强锚杆轴力空间分布如图4所示。

图4 高强锚杆轴力空间分布

32 mm普通锚杆试验段8个监测锚杆（MP1～MP8）的锚杆受力时程监测结果如图5～图7所示，其中每根锚杆上有3个受力监测点，以里侧监测点、中间监测点、外侧监测点进行标记。

图5 普通锚杆内侧轴力时程曲线

图6 普通锚杆中间轴力时程曲线

图7 普通锚杆外侧轴力时程曲线

通过整理不同坡高处、不同埋深位置的轴力值，32 mm普通锚杆轴力空间分布如图8所示。

图8 普通锚杆轴力空间分布

（1）22 mm高强锚杆与32 mm普通锚杆的轴力时程发展规律基本一致，同一锚杆上里侧、中间、外侧3点轴力发展大体上呈现出一致性，先小幅度增加，随后呈现出短暂受压状态，然后缓慢向受拉趋势发展。从锚杆不同埋深部位所受轴力时程发展曲线而言，越靠近里侧，锚杆轴力发展越稳定，受外界因素干扰程度越小；而外侧部位所受轴力发展起伏较大，更容易受到外部因素干扰。按照趋势而言，外侧部位所受轴力总体最大，且相同部位采用22 mm高强锚杆的轴力发展稳定程度要优于32 mm普通锚杆。

（2）从同一根锚杆不同部位轴力空间分布大小来看，22 mm高强锚杆与32 mm普通锚杆的空间分布规律基本一致，呈现出“外大内小”的分布特点，外侧部位所受轴力要大于内侧部位，且越靠近坡脚位置越明显。

（3）从监测断面不同高度锚杆轴力分布来看，同一断面处锚杆轴力分布呈现出“上大下小”的特点，高处的锚杆所受轴力整体上要小于低处锚杆，坡脚位置处锚杆所受轴力要大于其他部位。

（4）对比轴力大小，采用22 mm高强锚杆所受最大轴力为5.74 kN，所受轴力监测平均值为2.36 kN；而采用32 mm普通锚杆所受最大轴力为6.68 kN，为高强锚杆的1.16倍，所受轴力监测平均值为2.91 kN，为高强锚杆的1.23倍。对比可见，采用22 mm高强锚杆各点所受轴力普遍小于32 mm普通锚杆。

（5）锚杆轴力发展受降水影响较大，如监测后第13天出现大规模降水，锚杆轴力明显出现增大，因此，边坡支护设计时应充分考虑降水因素。

5.2 边坡位移监测分析

采用全站仪对监测断面处埋设的边坡位移观测桩进行位移监测［11］，整理监测数据如图9、图10所示。

图9 边坡水平位移发展曲线

图10 边坡竖直位移发展曲线

（1）采用22 mm高强锚杆与采用32 mm普通锚杆边坡支护断面边坡位移发展趋势基本一致，早期边坡位移发展迅速，一周后边坡位移发展趋缓。同边坡锚杆受力类似，边坡位移也受降水影响，降水期间边坡位移增幅加大，因此边坡支护设计要充分考虑降水因素的不利影响。

（2）22 mm高强锚杆支护断面边坡水平位移达到16.4 mm，竖直位移为10.9 mm；32 mm普通锚杆支护断面边坡水平位移达18.3 mm，竖直位移为13.1 mm，同一支护断面边坡水平位移要大于竖直位移。

（3）采用22 mm高强锚杆支护断面边坡水平位移为32 mm普通锚杆支护断面的89.6%，采用22 mm高强锚杆支护断面边坡竖直位移为32 mm普通锚杆支护断面的83.2%，可见采用22 mm高强锚杆支护断面边坡位移要小于32 mm普通锚杆支护断面，采用22 mm高强锚杆具有较好的控制边坡位移能力。

6 结论

22 mm高强锚杆和32 mm普通锚杆支护下边坡安全系数、边坡位移、塑型区分布、锚杆受力分布特点基本一致。22 mm高强锚杆的安全系数、受力均要略优于32 mm普通锚杆，采用22 mm高强锚杆轴力发展稳定程度略好于32 mm普通锚杆，各位置单根锚杆相同部位的轴力也普遍小于32 mm普通锚杆。采用22 mm高强锚杆支护断面边坡位移要小于32 mm支护断面，采用22 mm高强锚杆显示出较好的控制边坡位移能力。就边坡稳定性分析而言，22 mm高强锚杆可以替代32 mm普通锚杆。

与32 mm普通锚杆相比，22 mm高强锚杆每根钢材耗费节约53%，直接费用节约46%。路基边坡锚杆采用高强钢筋相对于普通钢筋结构轻便，便于安装与运输，能够节约运输成本，且有利于提高施工效率、加快施工进度、降低施工难度、提高施工安全性，具有可观的间接经济效益。实际工程中可用22 mm高强锚杆代替32 mm普通锚杆，从而提高工程质量及工程安全性、降低用钢量，达到经济、高效的效果，同时提高我国铁路工程绿色施工水平［12］。