预应力锚索肋板在高边坡防护工程中的应用

侯伟涛，沈 鹏

（1.佛山市南海三山新城投资发展有限公司，广东 佛山 528200；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

1 引言

预应力锚索肋板墙支护结构是近二十年来发展起来的一种支护形式，最早应用于公路和铁路陡坡高路基、路堑支挡工程中。该防护结构由预应力锚索和肋板墙两部分组成，把两者受力的优点结合在一起，能够很好地在高速公路路堑高边坡加固处治中发挥作用，并有效解决坡体的稳定性及边坡浅表病害。预应力锚索肋板墙由于其结构体系的复杂性，工作机理和受力特性尚不够明确，理论研究滞后于工程应用。

孙庚华[1]在洛湛铁路某陡坡路基的施工过程中，在深路堑高陡边坡采用了预应力锚索桩板墙治理方案，为软岩以上地质地矿土体支护提供了宝贵经验。吴定略[2]对梅州至河源高速公路某段的预应力锚索桩板墙支挡从方案选择到施工细则进行详尽的介绍，加固效果明显。针对云南红河州某二级公路某一段由于局部断落表层碎石、路基无法形成这一问题，罗维宏[3]采用了预应力锚索桩板墙和框架锚杆支护等综合处理措施。

本文针对某高速公路路堑边坡浅层山体滑塌现状，在边坡施工条件受限情况下，采用预应力锚索肋板墙对该段高边坡进行加固处治。结合工程实例，介绍边坡稳定性分析过程、预应力锚索肋板墙设计参数计算及预应力肋板墙施工要点，为类似工程提供参考。

2 工程概况

某高速公路K1182+200 至K1182+250 段左侧边坡为一级公路高速化改造施工开挖形成，改造后该段边坡高度约为20m～40m，边坡开挖范围内大部分为中风化钙质灰岩、炭质片岩，在建设期已采用喷射混凝土防护，局部地形陡峭路段采用锚索框架梁加固。

该段边坡滑塌区域为坡脚处边坡发生滑塌，经调查，滑塌体沿路线纵向宽度约为30m，浅层滑塌体自下而上发生较大位移，前后缘可见长度约为30m，滑塌堆积体厚度最大约6m，滑塌体积约为2500m3。

3 地质条件

3.1 地形地貌

该段边坡属中低山丘陵地貌区，山体呈东南走向，山间沟谷多呈“V”字型，自然地面较为陡峭，植被覆盖较少，自然坡度70°～80°，相对高差150m～200m，高差极大。

3.2 地层岩性

该段边坡地层主要由黄褐色第四系残积层、灰白色石炭系钙质灰岩、灰黑色炭质灰岩和灰青色炭质页岩等组成，岩层节理裂隙发育，岩体破碎[4]。岩层结构面产状155 ∠63°（K1182+200 至K1182+250 段）和315 ∠25°，经地球引力的作用，岩体互相挤压，造成岩体出现多组节理、裂隙和不连续的构造面。塌方边坡坡向为140°，倾角为50°～60°，岩层倾向与边坡坡向基本一致，易产生顺层滑塌。

3.3 地质构造及地震

该段边坡影响范围内未见断裂构造。在石炭纪以前，受到区域断裂活动影响，边坡发育有连续褶皱，在区域构造作用下，岩层受到推挤作用迹象明显。经现场调查，该段边坡有连续向斜/背斜发育，滑塌边坡位于背斜核部，在长期风化作用下，灰岩节理面发生变质软化，岩体强度极低。该地区地震基本烈度为Ⅵ度，设计时不予考虑地震工况。

3.4 水文地质条件

该段边坡区域气候温和，降雨较多且集中在4～8月份，占全年降雨量的70%以上，最大年降雨量为3139mm。本区主要水文地质类型是岩溶水，水量丰沛，地表、地下岩溶发育，补给水来源主要为大气降水。

4 边坡工程稳定性分析

根据现场地质调查、建设期地质勘查资料，并辅助监测手段对该段边坡进行稳定性调查分析。

4.1 滑塌体成因分析

4.1.1 地形地貌条件

该段滑塌边坡为高陡边坡，相对高差大，为边坡滑塌形成了临空面，加之岩体碎裂，为滑塌发育提供了条件。

4.1.2 地质构造原因

该段边坡在区域构造作用下，岩层受到推挤，根据现场调查，该段边坡有连续向斜/背斜发育且位于背斜（向斜）核部，在地质构造推挤作用下，核部岩体极易碎裂；在长期风化作用下，灰岩节理面发生变质软化是造成本次岩质滑坡发育的主要内在原因。

4.1.3 边坡所在区域岩体特性

①灰质灰岩下伏的钙质灰岩在构造挤压作用下发生完全碎裂，雁型节理密集发育，节理交错切割岩体，在早期挤压构造作用、后期物理风化作用和岩体变质作用强烈等条件下，造成该部分钙质岩体强度急剧下降。

②钙质灰岩，夹杂有煤线（碳质软岩），该种夹层为极软夹层，含碳量极高，光滑，虽为极薄层，但对该段边坡失稳具有一定影响。

③发育崩滑段岩体位于构造核部/侧翼位置，岩体节理裂隙极其发育且被破坏，因此边坡强度实际上是由岩体上的结构面控制的。三组以上的节理面将岩体切割成了碎块状，形成了贯通面，而坡脚有很好的临空面，随着风化作用加剧，该段边坡表层发生滑动破坏。

4.1.4 强降雨

短时强降雨也是该段边坡滑塌的主要诱因，强降雨伴随的裂隙水急剧汇聚并填充在裂隙内，水压力上升，导致结构面有效应力急剧下降，进而引发边坡土体滑移。根据临近已加固边坡坡面锚索上安装的锚索测力计采集的数据可以发现，强降雨发生后，锚索上拉力急剧上升，在降雨完成后两到三天锚索拉力才逐步降至原有强度，这也表明，强降雨对该处边坡稳定性影响极大。

4.2 边坡稳定性分析评价

本次稳定性评价主要针对发生滑塌后滑塌体的母岩边坡进行稳定性分析。

4.2.1 定性分析评价

现场调查发现，滑塌体后缘外侧10m 范围内分布有两道张拉裂缝，裂缝长度约为12m，宽度约为3cm，受近期降雨影响，该张拉裂缝有进一步发展扩大趋势，并有可能形成迁移式滑坡。

对该段边坡所处的地质条件进行综合分析，认为该段边坡总体处于欠稳定状态，在不利工况下，该段边坡总体趋于不稳定状态。

4.2.2 定量计算分析评价

目前针对边坡稳定性分析的方法主要有Bishop法、Janbu法、Spencer法、Sarma法等[5]，Sarma法应用较为广泛，且该方法适用于任意复杂形态的滑动面。Sarma法[6，7]是Sarma 在1979 年提出对滑坡体进行倾斜分条的极限平衡分析法，是极限平衡理论中较为先进的方法，其滑体可以非垂直条分，滑动面可以是任意形状。

本文利用Sarma 改进法对该段高边坡稳定性进行分析，求出安全系数，并与规定中稳定系数FS进行对比。当FS＜1 时，边坡处于不稳定状态；1≤FS＜1.05 时，边坡处于欠稳定状态；当1.05≤FS＜1.15时，边坡处于基本稳定状态；当FS≥1.15时，边坡处于稳定状态。

①计算方法。

综合分析边坡特征后，认为本段岩质边坡后续发生滑塌滑动面为折线形，采用岩质边坡Sarma 改进法进行安全技术分析计算。将岩质边坡划分为若干相对滑动的块体，滑体的滑动形式如图1 所示，力学分析模型如图2所示。

图1 滑体滑动形式简图

图2 Sarma法力学模型

计算模型中Wi为块体重量，Ki为临界加速度系数，Xi、Ei为块体侧面上的切向及法向力，Ti、Ni为块体结构面上的切向及法向力，α1为块体结构面倾角，δi为块体侧面与垂直面的夹角，bi为块体底面水平面上的投影长度，C′i分别为块体底滑面和底侧面的粘聚力，φi′分别为块体底面和侧面的摩擦角。

Sarma法的计算公式[8]见式（1）。

式中：

②稳定系数计算。

通过程序迭代计算，kC与F 呈单调递减函数关系，如图3 所示。用插值法可求出任意kC所对应的安全系数FS。

图3 FS与kC函数关系

③计算参数的选取。

根据《工程岩体分级标准》（GB50218-2014）[9]及该段边坡地质条件，综合确定该段边坡为Ⅲ级岩质边坡，岩体完整程度为较完整，发生滑塌母岩岩体基本质量级别为Ⅳ级，结构面为硬性结构面3级，边坡稳定性计算分析时，分别以天然工况和暴雨工况两种工况进行稳定性计算，该段边坡母岩强度重度、内摩察角取值见表1。

表1 岩土层参数表

通过Sarma 计算方法，可以得出天然工况下F=1.033，边坡处于欠稳定状态，暴雨工况下F=0.946，边坡处于不稳定状态。需要采取措施对该段边坡进行加固处治。

5 方案设计及计算分析

5.1 钢筋混凝土肋梁配筋计算

肋板墙按以肋柱为支座的简支梁进行验算，其计算跨度LO为两肋中点的距离，土压力荷载传到挡土墙，挡土墙荷载传递到两边的肋柱，肋柱荷载传递到锚索。

①荷载取挡土墙所在位置土压力的平均值，即q=（σ′+σn）×h/2

式中，q、σ、h 分别表示作用在肋梁上均布荷载（kN/m）、静止土压力（kN/m2）、两肋梁间挡土墙宽度（m）。

②肋梁跨中最大弯矩为Mmax=qlp2/8，剪力Q=qlp/2，根据挡土板的内力进行配筋计算。

5.2 预应力锚索计算

①设计锚固力应根据边坡下滑力确定，按公式（8）计算。

式中，Pd、E、φ、α和β分别表示设计锚固力（kN）、下滑力（kN）、滑动面内摩擦角（°）、锚索与滑动面相交处滑动面倾角（°）和锚索与水平面的夹角（°）。

根据该段地质情况，在饱和水状态下，E 取值1141.3kN，φ 取值25°，α 取值40°，β 取值20°。通过计算，饱水状态下Pd=1255.7kN。因此，选用饱水状态下的下滑力作为需要锚固力的计算，每延米需要锚固力为1314.8kN。

由于锚索间距3m，纵向一排布12 孔锚索，经计算，锚索总所需锚固力为3767.1kN，单孔锚索设计锚固力为313.9kN。根据计算，单孔锚索设计锚固力采用400kN，每孔锚索采用4根钢绞线。

②预应力锚索采用粘结型锚固体，锚固体的承载能力由注浆体与锚孔壁的粘结强度、锚索与注浆体的粘结强度及锚索强度三部分控制，设计时取其最小值[10]。

锚索总长度按公式（9）计算，

式中，Lr为地层与注浆体间粘结长度，m；

Lg为注浆体与锚索体间粘结长度，m；

Lw为锚索外露段长度，m；其长度参照相应规范进行取值。

根据公路路基设计规范[11]可知，地层与注浆体间粘结长度计算公式和注浆体与锚索体间粘结长度计算公式如下：

式中，K、ξ、d、dg、ƒrb、ƒb、n 分别表示安全系数、锚固体与地层粘结工作条件系数、锚固段钻孔直径（m）、锚索体材料直径（m）、地层与注浆体间粘结强度（kPa）、注浆体与锚索体间粘结强度（kPa）、锚索体根数（根）。

根据该段地质情况及规范规定，在计算Lr时，K 取值1.8，ξ 取值1.0，d 取值0.13，ƒrb取值180kN。经计算，Lr=9.780m。

设计锚索年限大于两年，采用M30 水泥砂浆，因此在计算Lg时，K 取值2.0，ξ 取值0.6，dg取值0.015m，ƒb取值2950kN，n取值4根。经计算，Lg=2.4m。

每孔锚索设计锚固力400kN，单根为100kN，经验算，设计所采用钢绞线满足设计要求。

5.3 边坡加固设计方案

采用在滑塌体区域设置锚索肋板墙的形式对边坡坡脚面进行补填式支档加固，避免上部岩体失去支撑后逐步、逐段发生滑塌。肋板墙采用C25 钢筋混凝土浇筑，墙板厚40cm，间隔3m 设置一条纵肋条，肋宽0.4m，肋板墙嵌入坡脚0.5m，在肋条上纵向间隔3m 打设一根锚索，锚索长度20m，采用4 根Φ15.24 高强度低松弛钢绞线，钻孔直径150mm，下倾20°，M30 水泥砂浆固结，锚索锁定荷载为设计荷载80%。锚固段长度不小于10m，共计104根。

6 预应力锚索肋板墙施工

6.1 施工工艺流程图

预应力锚索肋板墙施工工艺流程如图4所示。

图4 施工工艺流程图

6.2 施工注意要点

①根据现场情况机械配合人工清理坡面，按照由上往下的顺序进行坡面清理，在边坡上部采取有效临时措施后才可清理靠近坡脚位置的松土。

②坡面清理完成后按设计要求布设锚索孔位，锚索孔施钻时，要控制设计角度，并经常检查，不断调整，控制角度差在设计允许范围内。在锚索孔钻孔过程中，遇到塌孔、缩孔等不良钻进现象时，要立即停钻，并采取措施对钻孔进行固壁处理，并做好现场记录。钻进过程中，要记录地层情况，如遇地下水和煤层等特殊情况，要做好记录，如钻到设计深度是煤层，则继续钻进，孔深需要穿过煤层2m～3m。

③锚索材料要按照设计要求采用高强度、低松弛应力钢绞线，钢绞线强度不得低于设计强度，锚索应采用切割机切割，禁止采用电焊切割。预应力锚索拉拔试验应按照设计提供的参数分级施加荷载，由专门技术人员详细记录每级荷载下不同观测时间的锚头位移量。

④施工时先施工安装锚索，再施工肋板墙，每一级肋板墙的挡土墙和肋柱同时现浇一次成型。在确保坡面稳定的情况下，采用从下往上现浇方式逐级施工肋板墙，直至全部防护完毕。肋板墙钢筋绑扎时，钢筋接头需要错开，同一截面钢筋接头数量要满足设计及规范要求。模板要安装牢固，可以利用已经安装完成的锚索固定模板在坡面上。

⑤完善排水系统，减少雨水对坡体稳定性的影响。在边坡坡面修建截水沟、急流槽，在坡脚修建排水沟，在肋板墙施工时预留疏干孔。肋板墙顶部需要嵌入坡体，防止雨水从肋板墙顶部渗入坡体，避免造成肋板墙内土压力增大。排水沟开挖后地基土体松软时，应对地基进行夯实处理。排水沟沟底应平顺，排水畅通，急流槽应使排水沟水流与路基边沟之间形成过渡。

7 边坡监测

为指导该段高边坡加固施工，了解边坡稳定趋势，需重视边坡监测。该段边坡监测分为两个阶段，第一阶段是加固施工阶段边坡监测，第二阶段是施工后1年内边坡稳定性监测。第一阶段主要以坡面调查、人工巡视、雨量观测和地表位移监测为主，第二阶段以边坡表面位移监测和深部应力应变监测为主。由于施工阶段为雨季，应加大雨量观测频率，设计确定每周雨量观测频率为3 次。在坡顶裂缝位置处及肋板墙顶部位置分别设置1处位移桩，在防护范围选择两个断面布锚索应力计，在施工锚索的同时在锚索上装入应力计。在施工过程中，本边坡最大横向位移为15mm，纵向位移为11mm，监测变形趋于稳定，边坡加固施工过程中较安全。

8 结语

①本文结合某高速公路高边坡加固工程实例，通过详细分析边坡地质条件，利用岩质边坡Sarma 改进法安全技术分析进行边坡稳定性分析，确定边坡稳定状态，为选择边坡加固方案提供依据。

②公路高边坡处于营运时期时，进行边坡加固施工不仅要保障车辆通行畅通，而且要保障过往车辆通行安全，在选择边坡加固方案时要考虑施工条件的限制。实例证明，采用预应力锚索肋板墙加固方案受外界环境条件及地质条件受限较少，容易开展，能有效解决坡体的稳定性。本文还通过计算分析确定预应力锚索肋板墙设计参数，总结预应力锚杆肋板墙方案设计施工注意要点，为类似工程提供参考。

③不同地区的地质条件不同，在施工过程中要结合实际地质情况和外界条件的要求对设计方案进行调整，施工过程中做好边坡监测，确保施工安全。