高速公路改扩建高边坡预应力锚索施工技术研究

邓晖

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 3610012）

0 引言

高速公路工程作为国家经济发展的基础工程，是国家运输网络大系统中不可代替的环节，在国家经济和社会综合发展过程中具有重要的作用。我国山区面积占全国陆地总面积60%以上，很多公路不可避免需要穿越山体，这就使得对公路边坡高度的要求变得越来越高。在公路工程建设、使用过程中，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，这会带来很多难题，最常见的是公路边坡治理。公路边坡是公路建设最常见的地质环境之一，因公路边坡稳定性不确定，随时可能失稳破坏，因此需对其稳定性重点关注。在加固边坡工程中，组合使用预应力锚索、抗滑桩，能加快工程施工速度。近年来，关于预应力锚索试验研究、抗滑桩理论方面的研究较少。在加固实际边坡工程中，使用预应力锚索抗滑桩基本凭设计人员经验设计工程方案，加固效果无法获得保障，因而优化设计预应力锚索抗滑桩加固边坡具有重要意义。本文以某高速公路边坡为研究对象，基于预应力锚索，对该高速公路高边坡稳定性影响进行了模拟分析和优化研究。

1 工程概况

该项目为沿海高速公路，该公路地处构造剥烛丘陵地区，其中K20+065～K20+463 标段右侧滑坡，该高速公路采用挖方路壁形式穿过此段，在路线右侧为人工边坡，高度52m，实际高程为93m。近期，该边坡出现严重变形破坏，本文选取K20+208～K20+290 段为对象进行分析。

2 边坡稳定性FLAC3D 计算模型的建立

FLAC3D 属于一种三维数值模拟软件，该软件在结构工程、岩土工程、流体、温度等领域中进行分析研究。在岩土工程领域中，对边坡支护稳定性分析、计算基坑进行开挖变形、分析隧道支护应力-应变等实际工程中，FLAC3D 应用广泛。FLAC3D 数值模拟分析软件在基坑、边坡支护、大坝建设、隧道开挖等工程中普遍应用。当对多级预应力锚杆支撑边坡进行模拟时，必须与该边坡施工实际情况相结合并进行以下假设：假定边坡土质基本平整，对支撑构件按平面应力问题分析；假设模拟过程中地下水埋对边坡不产生影响；假定预应力锚索材质是理想弹性材质，并符合变形的相容要求。按照设计，以井形方式布设各级边坡锚索，按各级边坡的竖直度布设了五列锚杆，锚杆之间水平和竖向间距分别为3.2m 和2.6m。锚具型号为JLM-32，锚杆所采用钢筋级别为HRB335，各列锚杆均使用的外预应力为121kN。在FLAC3D 中，预应力锚杆采用了锚杆构造单元Cable 完成了仿真建设，该设计模拟坡面、坡顶均为自由面，该计算模型屈服Mohr-Coulomb 准则。图1 为三维计算模型。

图1 三维计算模型

3 计算结果分析

计算预应力锚杆支护多级边坡稳定性安全系数(见图2)，边坡稳定性安全系数要不小于1.36，安全等级为二级时不小于1.31，边坡安全等级为三级时不小于1.26。该边坡安全系数为1.33，达到稳定性要求。

图2 边坡安全系数计算结果

图3 为边坡的水平位移及竖向位移图，边坡水平位移部位集中于边坡内部、坡面。其中，图3(a)表示在边坡的坡脚处发生最大水平位移，图3(b)表示在边坡的坡脚处发生最大边坡竖向位移。

图3 边坡的水平位移及竖向位移图

3.1 锚固段长度对边坡稳定性的影响

保持预应力605kN、锚杆倾角为20、锚索方向角65.5等参数不变，改变锚固段长度为11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.55m 五种工，图4 为锚固段长度对边坡安全系数的影响。

图4 锚固段长度对边坡安全系数的影响

由图4 知，随着预应力锚固段长度的增大，多级边坡安全系数呈现递减趋势。在FLAC3D 计算结果中，当锚固段长度设置值低于13.5m 时，该区间安全系数随锚固段长度增大而小幅度减小；当锚固段长度设置值高于2.5m 时，边坡安全系数随锚固段长度值增大快速下降，幅度较大。这表示所设置的外部预应力锚固性能段长度越小，即锚索越密集，负荷可由较多数量锚杆共同承受，因此单条锚杆的承受负荷值也较小，锚杆对岩石体有良好的约束力，边坡稳定性也越好。本文的理论方法和FLAC3D 模拟得到相同的结果趋势，但数据上的差别比较小。

3.2 锚索方向角对边坡稳定性的影响

保持锚固段长度13.5m、预应力605kN 等不变，改变 锚 索 方 向 角α，分 别 设 置 为45.5、55.5、65.5、75.5、85.5，图5 为安全系数随锚索方向角的变化。

图5 锚索方向角对边坡安全系数的影响

由图5 知，边坡安全系数随着锚索方向角逐渐增大呈递增趋势，在FLAC3D 计算的安全系数曲线中，边坡安全系数在75.5时最大，其值为1.34。继续增大锚索方向角度，边坡安全系数降低，边坡安全系数随锚索方向角的增大而增加，上升幅度在到达顶峰前逐渐变缓，在锚索方向角为45.5～75.5时，边坡安全系数比增幅较大，在锚索方向角大于75.5后，趋势变化幅度缩小，边坡安全系数增幅降低。理论方法和FLAC3D 趋势相同，计算结果值比FLAC3D 值要小。

3.3 预应力对边坡稳定性的影响

保持锚固段长度13.5m、锚杆倾角为20、锚索方向角65.5等参数不变，改变土体预应力c 值，设置为205kN、405kN、605kN、805kN、1005kN，图6 为边坡安全系数随土体预应力变化曲线图。

图6 预应力对边坡安全系数的影响

由图6 知，在FLAC3D、理论方法对应安全系数曲线中，安全系数随土体预应力增大递增。在预应力值较小时，随预应力值增大，边坡安全系数增长迅速；在预应力值增大到一定程度时，随着预应力值增大，边坡安全系数增大幅度减小。在205kN～805kN 区间内时，预应力值所对应安全系数从1.13 增大到1.38，增长了0.25；在805kN～1005kN 区间内，预应力为1005kN 时的安全系数值为1.46，增长0.08。这说明随着预应力值增大，边坡安全系数逐渐增大，在预应力值增大到一定程度时，对安全系数影响减小。

4 预应力锚索相关参数优化

当所承载的荷载较小时，土体本身固结强度足可支撑预应力锚索加固边坡的稳定性，土体、锚索几乎不发生位移；当荷载逐渐变大时，预应力锚索开始出现拉伸变形，将拉力传给锚固段，此时滑坡下滑的推力由锚固段来承担。在设计预应力锚索时，要将预应力锚索支护性能当作首要考虑因素，结合对锚索施加锚索倾角、预应力、锚索间距、锚固段的长度等参数，本文抗滑桩尺寸采用2.5m×3.5m×20.5m，桩间净距最佳优化值4.05m，桩锚固深度采用优化值为7.5rn。

4.1 锚固段长度的影响分析

在确定预应力锚索锚固段长度时一般采用理论计算法、规范类推法以及现场试验法等。根据锚索锚固段最远端轴力的衰减值对锚固段长度进行优化。变动锚索锚固段长度，取11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.5m 建立五组模型，原模型默认参数为：M10～M14 锚索自由段所承受的预应力大小为505kN、保持锚固段长度13.5m、锚杆倾角为20，M10设计拉力值为805kN。

4.1.1 锚固段长度对锚固段轴力的影响分析

锚固段轴力受到锚固段长度的影响如图7 所示，由图7 知，当向M10～M14 所施加的预应力大小相等时，衰减速度各不相同，其中边坡顶部的衰减速度相对较快，这是由于在边坡顶部处锚索所承受的滑坡下滑推力最小，边坡带动锚索所产生的位移最小。锚索M10 的最佳锚固段长度为14.5m，锚索M11～M14 的最佳锚同段长为10.5m。

图7 锚固段长度对锚固段轴力的影响

4.1.2 锚索锚固段长度对边坡和抗滑位移、剪力及弯矩的影响分析

对锚索施加一定预应力时，随锚索锚固段长度增加，柱顶、边坡的最大位移、桩体最大剪力随之减少，当锚固段的长度变大时，桩体最大弯矩会相应增大，即弯曲程度进一步降低（见表1）。随着锚固段长度的增大，在开始阶段各种参数产生了明显改变，逐步增加当锚固段长度达到10.5m 后，各种参数的变化逐渐趋于稳定。当锚固性能段长度为一定值后，随着高度增加可以提高锚头的支护性能效果，当锚头强度达到了极限值，则锚固性能段长度即为临界锚固长度。因此，并非锚固段越长越好，但同样不可过短，因为锚固过短会将锚固地基局部刚度降低，增加了锚固端风险。所以，在设定锚索的锚固段长度时，必须通过经验数据进行合理取值。当锚索M11～M14 自由段施加505kN 预应力时，锚索锚固段最佳锚固长度为10.5m。

表1 锚固段长度对边坡和抗滑位移、剪力及弯矩的影响

4.2 锚索方向角的影响分析

锚索方向角指锚索与滑裂所成锐角，锚索方向角会直接影响锚索受力、锚索长度，因此有必要合理选择。从施工工艺角度考虑锚索方向设置时，应和滑裂线下倾夹角为宜，一般下倾角为50.5～60.5时锚索受力最佳。对于不同方向角时的模型，采用定义施工阶 段 方 法 批 量 分 析。建 立45.5、55.5、65.5、75.5、85.5锚索网格，边坡最大水平位移以及桩身最大负弯矩在锚索角度变化时受到的影响如表2 所示。

表2 锚索方向角对边坡最大水平位移及桩身最大负弯矩的影响

由表2 知，随锚索方向增加，桩身最大负弯矩、边坡的最大水平位移趋势相同，随锚索方向角度的增大而递减，在50.5～60.5范围内取平均值，说明锚索的支撑效果良好，而且当超过最优方向角度后，随锚索方向角度增大，二者均相应增加，当超过85.5时，递增趋势明显加快，当锚索方向角度α＞85.5后，锚头注架高度下降明显，砂浆与岩壁间会有脱离现象发生，锚索拉力可分解为与滑面滑移方向相切切向分力、垂滑面的法向分力，滑裂在切向分力作用下会加快，增大了边坡位移，桩身负弯矩也增加。该高速公路高边坡路段锚索最优方向角采用55.5～65.5，该项目采用方向角55.5位于最优方向角范围内。

5 结论

本文以某高速公路边坡为研究对象，基于预应力锚索，对该高速公路高边坡稳定性影响进行了模拟分析和优化研究，得出如下结论：

其一，当预应力锚固段的长度变大时，坡度安全系数会有所下降。随着预应力锚固段长度的增大，多级边坡安全系数呈现递减趋势。当锚固段长度设置值高于2.5m 时，边坡安全系数随锚固段长度值增大快速下降，幅度较大。其二，当锚索锚固段长度发生变化时，桩身位移和内力出现显著的变化，锚固长度段越长，桩体水平位移越小、支撑构件内力变化越小，当最优的预测锚固性能段长度达到后，各参量变动已趋于稳定。其三，边坡中心也是埋设防滑桩的首选部分，最大接触面积处于桩与下滑面的下滑混凝土体间，桩顶部位周围土体水平移动较大。但实际施工的时候锚索方向角在0～85.5的范围内取值，当α＜0或α ＞85.5时，锚索应力并不能发挥加固坡度的效果，反而对边坡稳定性不利。该项目锚索预应力最优值为705kN，锚索锚固段最佳锚固长度为10.5m，方向角55.5位于最优方向角范围内。