边坡支护预应力锚索施工技术研究

姚殿卿

（甘肃一安建设科技集团有限公司，甘肃 兰州 730060）

0 引言

城市建设、铁路施工、桥梁施工、矿山开发等工程项目的开展，对周围的环境产生了极大的影响，在施工项目周边，会产生非常多的土质或岩石质边坡，在地下水长期侵蚀、岩体自重作用、降水、地震等因素的影响之下，边坡会出现变形，甚至出现边坡塌陷、滑动等问题。因此，在建筑工程施工中，做好边坡支护处理非常重要。预应力锚索是一项非常常见的边坡支护手段，对于保证边坡的稳定性、安全性，提高边坡支护质量等效果良好。

1 高大型边坡支护理论

1.1 边坡失去稳定的形式

在高大型建筑工程边坡支护项目当中，如果抗滑能力小于剪切面的下滑力，在剪切面就会出现相应的移动、滑动或者破坏的情况。

如果边坡属于岩石质边坡，在断层处、节理处或者裂隙等较为软弱的结构层面上，就容易出现剪切面，滑动、破坏的形式则会以直线型呈现。

如果边坡是土质边坡，边坡破坏形式则会以折线型呈现，此时边坡土质如果存在黏性土破坏和滑动形式，则会通过圆弧型呈现。

对于岩石和土质结合的边坡，会在上土层、下岩石的中间接触面出现滑动。

1.2 边坡稳定性分析

必须根据当地的水文地质、岩体结构和边坡已经出现变形或者破坏的情况，判断边坡的稳定性及可能破坏的形式，构建边坡破坏的地质模型。因此，需结合边坡类型，采用不同的方法计算边坡的稳定性[1]。

（1）平面滑动法。该种方法适用于发生风化的岩石质边坡中，需根据相关因素对稳定性系数进行计算确定，包括结构面的黏聚力、面积、倾斜角，岩体的重度、体积、结构面的内摩擦角等。

（2）圆弧滑动法。该种方法适用于土质边坡的稳定性系数计算，风化或者碎裂比较严重的岩石边坡，也可以应用此种方法，按照以下因素计算稳定性系数，包括第条块滑动面上的抗滑力、滑动面法线上的反力、岩石体黏结强度标准值、滑动面长度、岩石体自重、单位宽度的动水压力、岩土体的内摩擦角标准值、底面倾角和地下水位倾角、滑动面切线上的反力、滑体地表建筑物的单位宽度自重等。

（3）折线滑动法。该种方法适用在地质条件比较复杂，在相同边坡中存在不同岩土体结构的情况。

1.3 边坡稳定的安全性指标

边坡稳定性安全系数须小于规定范围数值，如果没有达到要求，则需要对边坡进行支护处理。其中，平面滑动法和折线滑动法计算得出的边坡稳定系数分别为：一级边坡小于1.35，二级边坡小于1.30，三级边坡小于1.25；圆弧滑动法计算得出的边坡稳定系数为一级边坡小于1.30，二级边坡小于1.25、三级边坡小于1.20。

1.4 边坡施工方法

（1）放坡方法。该种方法需充分考虑土质、岩石的黏聚情况和内摩擦角。如果按照自然情况进行堆积的，就可以采取人工削坡的方式，保证削坡之后可以达到稳定要求，一般情况下，土质和岩石质地的边坡放坡率需要达到相关规范允许的数值。

（2）支挡结构方法。该方法利用预应力锚索与挡土墙结合一起，共同解决边坡失稳问题，通常场地无法满足削坡条件时选择应用此方法。一是采取前后预应力锚索加抗滑桩的方式，适合垂直开挖的深基坑支护，可对大面积的山体进行支护性处理，很好地控制地质灾害问题的发生。二是挡土墙支护方式，主要分为重力挡墙和扶臂式挡墙两种,第一种要求土质边坡高度必须要小于8m，岩石质边坡高度小于10m；第二种要求边坡高度在10m 以下，如果超过10m，这两种挡墙方式都无法很好地保证其稳定性。

2 预应力锚索的类型和设计

2.1 预应力锚索类型

（1）机械型。该类型的锚索，适用于地层开挖后，需马上确保初始预应力到位的工程项目，另外，抢险加固性工程中也可以使用。

（2）灌浆型。该类型的锚索，适用于变形情况比较小、锚杆承受能力比较强、需要锚固在地层深处的工程项目。

（3）树脂卷和快硬水泥卷。该类型的锚索，适用于需提供初始预应力的工程，这类工程边坡软弱，碎石较多，需要加固处理；另外，还可以应用于跨度比较大的地下室支护工程。

（4）荷载分散型。该类型的锚索，适用于对承载能力有较高要求的软岩石，或者土体性工程，也可以应用在防腐等级要求比较高的项目。

（5）摩擦型。该类型的锚索，适用于塑性流变，软弱碎石等工程，也可以应用在地下工程的支护中，但该工程使用年限不可超过十年。

（6）全长黏结型。该类型的锚索，更适用于地层存在一定变化的工程项目中。

（7）普通中空注浆型。该类型的锚索，适用于地下工程顶部锚固，或者长锚杆支护工程项目中[2]。

2.2 材料和选型

（1）锚索的材料，必须要选择强度较高，松弛度较低的钢绞线，并保证材料性能符合国家相关规定要求，确保可以满足边坡支护处理的需求。

（2）锚杆的选型。由于锚杆的特征、锚固方式、锚杆类型都存在很大的差异性，所以要从材料、承载力设计、长度、应力状况等方面入手，综合考虑后科学选择[3]。

2.3 锚杆设计

（1）受力分析。预应力锚索施工技术主要应用在土质边坡、岩石边坡、建筑物基础支护以及基坑支护当中。由于锚杆在土层中会产生抗拔能力，所以如果锚固段杆体受到压力之后，锚杆及其周围的水泥砂浆黏结力都会被传输到砂浆中去，然后再传入到周围的土体当中。在受力传递过程中，载荷不断提升，而锚索和水泥砂浆黏结力也会发生变化，逐渐深入到锚杆的下端，在锚固段黏结力最大时，土体会产生位移，锚杆之间的摩擦阻力也会增加，直到达到极限的摩擦阻力。

拉力较小时，锚杆位移量就会降低，反之位移量会增大。而在拉拔力达到一定值后，位移会产生突变的情况，如果不增加拉力，锚杆位移仍然不会停止，表明这个时刻已经达到了破坏性阶段，也就是岩土层和锚杆之间的摩擦阻力已经达到了极限。

锚杆的承载力被认为是极限拉拔力，其影响因素有：锚杆材料的极限抗拉强度；锚索和锚固体之间能够承受的极限黏结力；锚固体与岩石体之间所产生的极限侧阻力。

（2）锚杆设计计算。首先，需要分析锚索轴向拉力的标准数值、设计值等，再对锚索体的截面面积进行计算。计算涉及以下几个方面：锚杆轴向拉力的标准值；锚杆斜角；锚杆轴向拉力设计值；载荷分项系数应取1.30，然后，根据锚索的轴向拉力设计值，对具体的截面面积进行计算。其次，对锚固体和地层之间的锚固长度进行计算确定，并计算出锚体材料和砂浆之间的锚固长度。

3 预应力锚索施工技术在边坡支护中的应用

3.1 工程概况

以某尾矿矿坑边坡支护为例，基于边坡坡体整体稳定性，在预应力锚索受力情况分析的基础上，选择最合理的边坡支护方案。该矿经过长期大量的开采之后，凹型坑坡度高大约为15～32m 之间，长度大约为400m，坡角约为70～85°，该坑现在已经处于报废停产阶段，稳定性不高，坍塌地质现象较多，而且作业面在长期作业之后形成了悬崖峭壁，矿区平整性不足，如果遇到强暴雨的袭击，滑坡和地质灾害容易发生。所以，该尾矿矿坑安全等级应按一级边坡实施[4]。

3.2 水文地质

在对矿坑周围地质环境进行走访和调查分析，确定边坡的坡体主要是岩石结构风化造成，地下水经过排泄之后，会顺着裸露出来的岩石面进行径流，所以在一段时间内会消散很大一部分水分，进入到坡体当中。

3.3 工程地质

（1）地形地貌。该地貌属于剥蚀性的低丘陵地区，是后期人工开采之后形成的尾矿坑，形成了非常复杂的丘间谷地地貌特征。

（2）岩土体类型。经过现场勘察和控制深度范围分析可知，揭露出的地层属于钙质灰石、层纹灰岩、灰岩，根据风化程度可以划分为两层，以杂填土和中风化石灰岩层为主。

3.4 地质构造

尾矿坑边正处于纬向构造体系鞍子领向斜轴部，场地内沉积岩石为震旦系石灰岩。在经过野外调查后选择具有代表性的地质调查点,对其岩体结构面进行统计，对边坡岩层的形状、节理面参数等进行实地测量，获取更加精准的数据信息。

3.5 岩土体工程参数的确定

（1）边坡岩石块体密度的确定。经过场地外现场勘测后取样，将样本送到实验室中测试，确定场地岩石的天然密度，统计中风化灰岩块体的密度。

（2）确定岩石体的坚硬程度。在野外样本取样之后，送到实验室对岩石的饱和、单轴抗压强度进行实验，确定中风化灰岩坚硬程度。

（3）确定岩体抗剪强度参数。在此次矿坑的支护处理中，要选择具体的试验点，直接进行直接剪力试验。在试验中可以选择平推方式，对各个段边岩石体软弱层面的岩石工程参数进行确定。

（4）确定岩体基本质量等级。首先，确定岩体完整程度；其次，确定矿坑边坡场地岩体基本质量指标。

3.6 尾矿边坡支护设计参数的确定

在边坡支护设计中，要经过野外实际勘测，对原位岩土工程参数进行测试及实验室分析，确定具体的参数后，再对尾矿边坡稳定安全系数进行计算[5]。

3.7 尾矿边坡支护方案的选择

（1）放坡支护法。这是一种相对简单的支护手段，适合空旷的场地，技术要求低，工程造价低，但设备所占用的场地和空间比较大，需要有足够的放坡空间。

（2）预应力锚固方法。该种方法应用原理是通过锚固的方式，保证周围的岩土体可以达到紧密性的黏结，促使坡体的锚固力增加，促进整个坡体稳定性提升，最终达到坡体加固的目的。属于主动性支护方法，与传统的支护施工技术相比，提前给出预应力，使支护体发生一定程度的变形，而且该种方法能够在很大程度上避免因为大气降水、风吹日晒等其他不利气候对坡体的侵蚀，施工工艺简单，操作简便，对于施工场地要求不多，造价也比较低[6-7]。

4 结束语

本文对预应力锚索在边坡支护施工中的应用进行详细分析，结合某尾矿矿坑边坡的支护，从地质构造、坡体岩土层性质、间距、结构面条数等方面，对边坡的稳定性程度进行了分析，确定稳定程度后，选择锚索施工处理方案进行支护[8]。锚索施工处理技术可操作性性强，在确保坡体稳定性的基础上，降低施工成本，是其他施工方式无法比拟的，因此，该方法应用范围比较广泛。