预应力锚索技术在边坡加固中的综合效益分析

朱茂强ZHU Mao-qiang

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都 611830）

0 引言

边坡是为了保证路基稳定而设置的坡面，边坡的稳定性在一定程度上关系着路基的稳定，因此如何针对边坡进行加固操作具有重要意义。在当前的研究中，针对边坡加固一般采用抗滑桩加固和预应力锚索加固，抗滑桩加固是一种通过抗滑桩来增加边坡稳定的方案，预应力锚索加固是一种可以承受拉力的装置系统[1]。在实际应用中，两者的边坡加固效果均较为显著，但是从实际应用中可以得知，预应力锚索技术的综合效益明显高于抗滑桩加固方案[2]。然而在边坡防护工作中，针对预应力锚索在其中所体现出来的效益分析仍然尚不明确，因此研究分析了在边坡加固中的预应力锚索技术的综合效益，以期为路基施工提供理论支持。

1 边坡加固工程概况及问题分析

选取锦屏一级水电站某公路路段边坡加固工程为研究对象，具体以该公路BK0+060.000～K9+940.000 段边坡加固工程为例，该路段总长约为210m，边坡最高达到了32m。由于存在的地形地貌、地质、气候问题，该路段边坡受破坏严重，因此需要对其进行边坡加固。研究所选取的路段为4 级边坡，在边坡加固中采用抗滑桩加固方案。抗滑桩加固方案具有简单，受力和作用明确的特点，在实际应用中能够承担边坡下滑带来的推力。然而由于该段公路BK0+060.000～K9+940.000 所处地理位置多雨，边坡易受到雨水影响，增加了边坡面溜塌的可能，因此需要对传统的抗滑桩加固方案进行改进优化。

2 边坡加固方案优化策略

针对BK0+060.000～K9+940.000 段，采用预应力锚索加固方案进行边坡加固优化，锚索设计施工204 根。预应力锚索加固方案在实际施工中所体现出来的优点包括方便、经济实用等，基于以上优点，预应力锚索加固方案已经逐渐应用于多个领域。一般来讲，高边坡中的稳定性受到多种因素影响，边坡中的岩石高度带来的重力、岩石裂缝中的水压力等因素导致边坡受到的剪切力不断增加，而预应力锚索便是通过拉杆来增加剪切面的阻力，进而防止边坡下滑移动[3-4]。预应力锚索加固方案流程图见图1 所示。

图1 预应力锚索加固方案施工流程

图1 中显示，预应力锚索在实际应用中需要经过三个主要阶段，分别是准备阶段、试验阶段、架设阶段。在准备阶段中，包括了原材料准备、机具准备以及施工准备；在试验阶段，需要进行基本试验、工艺试验、验收试验、水泥浆试验；在架设阶段就需要进行钻孔、锚索进孔、灌浆、结构施工、张拉、锁锚、封锚等操作。

在预应力锚索应用中，主要分为6 个技术要点，首先是钻孔，锚索孔的钻设是所有操作的首要工作。其次是制作安装预应力锚索，在预应力锚索制作中，需要保证用料的统一，并且在制作中需要将误差控制在可允许范围内，即保证锚索精确度。在预应力锚索入孔中，需要查看施工中获取到的锚索尺寸是否满足现场的锚索孔，在入孔时容易出现卡索，需要现场施工人员及时处理，保证锚索在锚索孔中的顺利进入[5-6]。然后需要进行注浆施工，注浆施工前较为重要的是检查设备的可用性和安全性，在施工中需要通过清水来进行模拟注浆，而后进行常规注浆，并在注浆过程中控制压力，避免注浆失败，注浆施工人员在注浆过程中还需要对注浆内容进行实时记录，注浆完成后需要对所有的锚固孔进行检查，确保施工质量[7]。最后对预应力锚索进行预应力张拉，同样的，在预应力张拉之前，需要确保张拉设备的可用性和安全性，在张拉过程中逐渐增加张拉力，从10%逐渐增加到100%，并在100%张拉力下持续30min，记录伸长值。锚索预应力张拉的施工程序见图2所示。

图2 锚索预应力张拉的施工程序

3 预应力锚索加固工程实施效果

3.1 预应力锚索加固稳定性评价

综合比较抗滑桩与预应力锚索加固方案之间的效果，可以得知，锚索具有更为可靠的受力条件，当施加预应力锚固后，边坡岩体容易受到锚固效应，是一种主动受力，而抗滑桩是在岩体发生下滑时才开始作用，属于被动受力。并且预应力锚索在作用中能够对加固的岩体产生较为均匀的作用力，保证了边坡的完整性，进而提升其整体强度，增加稳定性。此外预应力锚索在施工中只需要进行钻孔操作，对岩体产生的扰动和破坏较小，围岩开裂可能性降低，强度能够得到保证。最后预应力锚索在锚固作用中具有可大范围变化方向的特点，对不同的地质特征均具有较为显著的适应性，相较于抗滑桩而言具有更为广阔的应用前景。为了评价预应力锚索的稳定性，采用FLAC3D 软件进行有限元模拟，稳定性模拟流程图见图3 所示。

图3 边坡加固方案稳定性模拟流程

从图3 中可以看出，在稳定性模拟中，首先建立边坡的三维分析模型，在三维分析模型建立中，定义了本构关系和材料属性，同时定义了边界条件和初始条件。将三维分析模型过渡到平衡状态，检查模型在模拟前的响应特性，并判断其是否满足需求，无法满足的模型便需要进行三维模型重建。当模型做出合理的响应后，便执行后续操作，进行稳定性求解。为了确保稳定性求解结果具有普适性，需要不断测试检查模型响应特性，并进行大量试验，当结果能够满足需求后，将结果进行存储输出。在测试中通过FLAC3D 软件模拟，结果显示，在预应力锚索加固方案的应用中，其安全系数值达到了1.5，计算模拟抗滑桩加固方案，结果中显示其安全系数值为1.25。比较预应力锚索加固方案和抗滑桩加固方案之间的安全系数，可以得知，预应力锚索加固方案的安全性更高，所表现出来的稳定性也更高。

3.2 边坡加固成本控制对比

采用预应力边坡加固方案，将在工程建设中，将预应力锚索的锚固力设置为1000kN，锚索孔径为110mm，锚束采用6 根钢绞线编制而成，每根钢绞线的直径大小为15.2mm。从抗滑桩和预应力锚索加固方案的成本控制效果来具体分析其在施工工程实施效益，见图4 所示。

从图4 中可以看出，在人员投入、主材以及辅材等指标中的成本比较中显示，预应力锚索加固方案的成本显著低于抗滑桩加固方案，预应力锚索在机械费用中的成本高于抗滑桩加固方案。从图4 的成本比较中可以得知，在边坡加固中的成本控制，预应力锚索加固方案的效果更为明显，即预应力锚索加固相较于抗滑桩加固而言所产生的施工成本更低，带来的效益更高。

图4 边坡加固方案成本控制对比

4 预应力锚索边坡加固综合效益分析

4.1 经济效益分析

边坡加固方案的加固效果不仅仅体现在边坡稳定性控制中，也体现在边坡加固施工中的经济效益中。经济效益指的是一项施工方案在实施中的成本控制，成本控制包括施工前的原材料准备和施工中的材料浪费情况。在预应力锚索加固方案施工中，研究比较了其与抗滑桩加固方案之间的工程造价差异。

在抗滑桩加固方案中，研究所产生的工程造价为311.17 万元，在预应力锚索加固方案中，研究中所产生的工程造价为111.26 万元。此外，计算两种边坡加固方案下的每米加固费用，抗滑桩加固方案的每米加固费用为0.9957 万元，预应力锚索加固方案的每米加固费用为1.0017 万元，两者费用相差不大。比较预应力锚索加固方案与抗滑桩加固方案之间的每立方米边坡加固产生的费用，在抗滑桩加固方案的费用计算中显示，由于抗滑桩在加固中并未对桩后的边坡部分进行加固处理，因此体积计算中仅考虑桩前加固部分，得出结果为163.42 元/m3。在预应力锚索加固方案费用计算中，由于预应力锚索加固方案能够对边坡进行完整性的锚固，因此在体积计算中需要将边坡中的所有部分进行考虑，计算得到的费用为49.01 元/m3，显著低于抗滑桩的单位体积费用。因此从以上结果可以得知，预应力锚索加固方案的经济效益显著，相较于抗滑桩加固方案而言，预应力锚索加固方案在整体工程造价以及边坡加固中的单位体积加固费用均低于抗滑桩加固方案，具有较高的实用价值。

4.2 社会效益分析

在边坡加固中，研究对比分析了预应力锚索加固方案与抗滑桩加固方案之间的加固效果以及两个方案之间的经济效益差异，为了更清晰了解到预应力加固方案的综合效益，研究中进一步分析了两种方案的社会效益。

①资源投入，可以从方案实施中发现，抗滑桩加固方案工程是一个群体作业的项目，在施工过程中，施工人员具有较高的密集程度，并且抗滑桩加固方案对施工人员的体力要求较高，属于一种高强度的体力劳动。因此在抗滑桩加固方案的实施过程中，人员投入量大，进而导致物质消耗量增加。而在预应力锚索加固方案的实施中，所投入的劳动力集中在编锚索以及浇铸锚墩中，并且机械化施工带来的劳动整体强度降低。此外由于机械化的智能效果，资源消耗和浪费也较少。

②施工方案的安全性，从两个方案的加固效果评价中可以得知，经过模拟计算，预应力锚索的安全系数为1.5，显著高于抗滑桩加固方案的安全系数。在预应力加固方案的施工过程中，由于其主要是以机械施工为主，因此在施工中的人员参与度较低，安全容易得到保证。而抗滑桩加固方案通常采用人工挖井，且井深能够达到15m，在井中作业时，极易发生安全事故。

③边坡加固方案对边坡的影响，抗滑桩加固方案一般是通过放炮形式进行施工，在放炮阶段，岩体受到冲击后容易出现内部裂隙，导致岩体结构破坏，改变岩石内部力学性能。而预应力锚索加固方案在施工中不需要进行放炮开挖，只需要进行机械化的钻孔操作，对边坡下的岩体所造成的扰动和破坏较小，保证了岩体的完整性，使岩体在后续的加固防护过程中能够承受一定程度的破坏影响。

5 结语

路基施工中的边坡稳定性具有重要意义，针对边坡的稳定性处理，现有的施工都会对其进行加固。研究中针对现有加固方案存在的缺点，提出预应力锚索边坡加固方案，并分析其施工效果和综合效益。在结果中显示，预应力锚索加固相较于抗滑桩加固而言，效果更佳，并且在经济效益分析中显示，预应力锚索加固方案的工程造价以及单位体积费用均低于抗滑桩。在社会效益分析中显示，预应力锚索加固方案具有更高的安全性，边坡加固后的稳定性更强。