典型软弱破碎岩石边坡预应力锚索框架失效原因分析

彭　兴，姜　睿，张玉芳，魏少伟(.中国铁道科学研究院研究生部，北京　0008;.云南省交通规划设计研究院，云南昆明　65004;.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　0008)



典型软弱破碎岩石边坡预应力锚索框架失效原因分析

彭兴1，姜睿2，张玉芳3，魏少伟3
(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2.云南省交通规划设计研究院，云南昆明650041;3.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:通过对云南省元绿(元阳至绿春)二级公路LK7 + 800—LK8 + 030右侧路堑边坡预应力锚索框架失效的现场调查，从工程地质、变形迹象、现场监测数据等多方面对锚索框架的失效原因进行分析，然后提出软弱破碎岩石边坡中预应力锚索框架的适用性，并提出合理的处治对策，可为预应力锚索框架设计提供借鉴。

关键词:破碎岩石边坡轻型支挡锚索失效预应力锚索框架

上世纪80年代中后期至90年代，由于预应力锚索技术理论研究和施工工艺的突破性发展，预应力锚索框架在边坡病害整治中得到广泛的运用和发展［1-3］。预应力锚索框架主要用于深层加固，对不同的边坡坡率均有很强的适用性［4-7］。但在实际工程中，由于地质条件复杂，边坡病害往往具有特殊性，按照经验来设计、使用预应力锚索框架有时会造成工程的失败［8-9］。造成锚索失效的原因有很多，如预应力损失［10］、锚固力不足、锚索腐蚀等;在不适用的地质环境条件下使用锚索框架，也是导致锚索失效的一个重要原因。

本文针对云南省元绿二级公路LK7 + 800—LK8 + 030右侧路堑边坡预应力锚索框架失效案例，分析工程失效原因，总结在软弱破碎岩石边坡中预应力锚索框架的适用性，提出锚索失效的补救措施。

1　工程地质条件

1.1地形地貌

该边坡位于构造侵蚀中山地貌区，原为水田种植区，整体坡度约20°～30°，坡面凹凸起伏，边坡左右以沟为界。挖方边坡从斜坡中下部直线穿过，坡高约35 m，坡率约1∶1.0。线路走向307°，坡向217°。边坡全貌见图1。

图1　边坡全貌

1.2地层岩性

根据现场地质调绘和钻探揭露，路堑区地层自上而下依次为含碎石粉质黏土，全～中风化片麻岩，各层分述如下。

①含碎石粉质黏土:坡积物，黄褐～深褐色，可塑～硬塑状，湿，碎石含量10%～15%，直径1～6 cm，棱角状或次棱角状，为强风化片麻岩。揭露厚度2.0～6.2 m。

②全～强风化片麻岩:深灰色或黄褐色，全风化岩层矿物成分已破坏，风化呈砂土或黏土状，含少量角砾、碎石;砂土为深灰色，以细砂为主，为全风化石英片麻岩;黏土以黄褐色为主，黏粒成分主要为云母，为全风化云母片麻岩。强风化岩层呈薄层状，碎裂～松散结构，节理裂隙发育，岩层呈块石、碎石状。揭露厚度5.0～21.4 m。

③中风化片麻岩:灰～深灰色，岩质坚硬，岩芯呈5～10 cm短柱状，个别岩芯长20 cm，岩石局部可见云母条带，揭露厚度3.2～6.5 m。

1.3地质构造

根据现场调查，线路走向为303°，岩层产状为28°∠44°，岩层反倾，岩体节理裂隙发育，整体较破碎。现场测量得到6组节理面，产状分别为18°∠79°，3°∠84°，292°∠52°，42°∠67°，279°∠24°，324°∠73°。

1.4水文地质

边坡顶部以上斜坡为种植水田，地表水丰富，四季长流。LK7 + 800—LK7 + 880边坡坡面受雨水冲刷严重(锚索框架梁损坏区域);地表水一部分沿斜坡流向左右沟谷，一部分沿基岩裂隙下渗，转变为地下径流。

边坡地下水主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水。因水田能保水，故边坡松散层底部为相对隔水带。基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中，受远处地下水的补给，水量大，坡脚挡墙墙后岩体渗水严重，在旱季调查期间，岩石也较为潮湿;雨季则更为明显。

2　现场病害及原因分析

对边坡进行现场调查，根据病害情况，将该工点分为3个区。病害Ⅰ区范围为LK7 + 800—LK7 + 880，沿线路方向长约80 m。病害Ⅱ区范围为LK7 + 880—LK7 + 940，沿线路方向长约60 m。病害Ⅲ区范围为LK7 + 940—LK8 + 030，沿线路方向长约90 m。

为保证边坡安全，对边坡进行了深孔位移监测与锚索应力监测。在病害Ⅰ区和Ⅱ区布置深孔位移监测点，其位置见图2;在病害Ⅲ区LK7 + 994断面共设9排锚索，从下往上第4和第9个锚点设置锚索测力计。

图2　深孔位移监测点布置

2.1病害Ⅰ区

该区变形最严重，边坡锚索框架梁整体破坏，破坏时锚索已张拉(见图3)。边坡顶部以上斜坡水田出现多级坍塌，分布多条后缘裂缝，裂缝下错约1～2 m，走向277°～291°，滑动方向约186°。最后缘位于斜坡小路上，距线路水平距离约142.5 m。

图3　病害Ⅰ区锚索框架已破坏

图4为病害Ⅰ区1-1断面。从图4可以看出，ZK1位移变化很小，管顶位移≤5 mm，这说明目前边坡变形范围未达到ZK1位置。ZK2布置在斜坡上水田处，从图中可以看出，ZK2变形较大，孔口位移超过100 mm，位移在距孔口0～2 m处尤其明显;最大的变形位置埋深在距孔口约21 m处。ZK3布置在边坡顶部坍塌部位，从图中可以看出，ZK3受坍塌作用，变形在3个孔中最大，孔口位移超过200 mm，最大的变形位置埋深在距孔口约20 m处。

2.2病害Ⅱ区

该区边坡锚索框架未破坏，但框架底部悬空(见图5);边坡顶部以上斜坡水田发生浅层滑动，滑动方向约217°，剪出口位于边坡坡顶平台水沟附近，水沟靠河侧被挤压出现明显放射性弯张裂缝(见图6)，后缘距剪出口水平距离(平行滑动方向)约23.0 m。

由监测资料得知，整个测斜孔监测期(2012年6 月12日—2012年12月31日)ZK5位移变化不大，管顶位移不超过7 mm，可以认为ZK5变形稳定。ZK4变形较大，孔口位移超过60 mm。因此该区只是在坡顶发生了浅层滑动。

图4　病害Ⅰ区1-1断面(图中深孔水平位移值为真实值的500倍)

图5　病害Ⅱ区锚索框架悬空

图6　水沟出现放射性弯张裂缝

2.3病害Ⅲ区

该段边坡整体较稳定，仅在边坡顶部水沟平台靠山侧因开挖形成4 m左右的陡壁，在陡壁后缘形成小型坍塌。调查期间该段尚未施工框架梁，待锚索框架施工完成，在LK7 + 994断面从下往上第4和第9个锚点设置锚索测力计，其监测数据如图7、图8所示。

图7　MS-1测力计拉力值

从图7、图8可以看出，2组锚索测力计所监测的锚索并没有张拉至设计拉力，并且在安装完成10 d内分别迅速降低40，20 kN，锚索应力损失明显;之后锚索拉力缓慢降低直至基本稳定。锚索拉力损失除与锚具质量、张拉工艺等有关外，边坡坡面岩土较软弱也是主要原因。整个监测期锚索拉力未出现突然增大，说明病害Ⅲ区边坡整体较稳定。

图8　MS-2测力计拉力值

2.4原因剖析

从上述描述可以看出，病害Ⅰ区锚索框架整体失效;病害Ⅱ区病害为堑坡坡顶以上自然坡体(水田)的浅层滑动;病害Ⅲ区边坡整体较稳定，但由于坡面岩土软弱，锚索预应力损失最大超过50%。该工点主要病害为锚索框架失效，其病害原因包括以下几方面:

1)该工点基岩软弱破碎，公路开挖导致堑坡上部岩土体松弛，并诱发由下而上的逐步坍塌。预应力锚索作为主要受力构件，其锚索锚固段强度不足。从图4所示的设计断面可知，锚索锚固段并未深入稳定地层，导致锚索能承受的锚固力有限，这是锚索框架失效的主要原因。

2)路堑边坡坡面较软弱，尤其在地下水发育区域软化作用明显，造成锚索张拉后预应力损失较大，难以达到设计锚固力;施工过程也未及时对锚索进行补张拉，也是锚索框架失效的重要原因。

3)预应力锚索框架底部竖肋悬空，一方面无法抑制竖肋与坡脚挡墙之间堑坡坡面岩土体在地下水作用下的软化，另一方面也会对锚索产生向下剪切力，对锚索受力不利。

3　处治对策

1)在坡脚设置高出路面4.0 m的抗滑挡墙;拆除已损毁锚索框架，重新设置锚索框架，锚索框架竖肋支撑在挡墙顶面，保证锚索深入稳定地层10.0 m以上，并在施工过程中及时补张拉;堑坡坡面及时植草，并在地下水出露较多区域采用仰斜排水孔疏干，以减小动静水压力。

2)堑坡顶部以上整体削方减载，坡率保持在20°左右，并将原水田改为旱地。

4　结论

对于软弱破碎岩石边坡，采用预应力锚索框架，应注意以下几点:

1)预应力锚索锚固段应深入破碎岩层以下稳定基岩中，以提供足够的锚固力;如稳定基岩较深，建议对锚固段进行二次注浆加固，提高锚固地层岩体强度。

2)堑坡岩土软弱破碎，在锚索预应力作用下坡面压缩变形较大，会造成较大的预应力损失。建议在施工过程中及时进行补张拉，并增大框架梁宽度。

3)在软弱破碎岩层中使用预应力锚索框架，要确保锚索竖肋支撑在挡墙或地基上，使锚索框架竖向荷载得到分担，提高锚索框架受力性能。

4)在软弱破碎岩层边坡中进行预应力锚索框架施工，要特别注意分级张拉及多次补张拉，减小预应力损失。

参考文献

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(责任审编周彦彦)

Failure Causes Analysis of Prestressed Anchor Cable Frame for Typical Weak and Broken Rock Slope

PENG Xing1，JIANG Rui2，ZHANG Yufang3，WEI Shaowei3

(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.Yunnan Broadvision Engineering Consultants，Kunming Yunnan 650041，China;3.Railway Engineering Research Institue，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Based on the field investigation of the failing prestressed anchor cable frame for the right side cutting slope in Yunnan Yuanyang－Lvchun secondary road LK7 + 800－LK8 + 030，failure causes of anchor cable frame were analyzed from such aspects as engineering geology，deformation signs and field monitoring data，the applicability of prestressed anchor cable frame for weak and broken rock slope and some reasonable treatment measures were put forward，which could provide a reference for prestressed anchor cable frame design.

Key words:Broken rock slope;Light retaining;Anchor cable failure;Prestressed anchor cable frame

作者简介:彭兴(1990—)，男，硕士研究生。

收稿日期:2015-10-08;修回日期:2015-12-21

文章编号:1003-1995(2016)03-0104-04

中图分类号:TU417.1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.26