预应力格网锚固技术-一种新的边坡治理加固技术

王荣鲁，孟丽娟，张 辉，刘致彬

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038；4.中国电力工程顾问集团西南电力设计院，四川 成都 610021）

预应力格网锚固技术-一种新的边坡治理加固技术

王荣鲁1，2，3，孟丽娟1，2，3，张 辉4，刘致彬1，2，3

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038；4.中国电力工程顾问集团西南电力设计院，四川 成都 610021）

预应力格网锚固方法是用于边坡加固工程中的一种新型、可靠的工法。该技术采用压力分散型锚索，锚孔外伸绞线与上下左右相对应锚孔过来的绞线在中间部位对接张拉，省去了外锚墩，可重复张拉。它由无黏结钢绞线纵、横交叉布置成格网，节点处为锚索孔或张拉端，二者均呈梅花型布置。这种复合式边坡锚固结构，施工简便，它克服了以往钢筋混凝土框架梁锚固结构的易裂缝、易变形和施工困难等缺点，充分利用高强、低松弛无黏结钢绞线的强度，将轻质、柔性的受拉格网和压力分散型锚索结合成一个整体，能够得到更有效、更安全的锚固效果。以上优点将会使本项技术在边坡稳定治理中得到更为广泛的应用。

边坡稳定治理；预应力格网；压力分散型锚索

1 概述

随着我国大规模基本建设的进行，公路、铁路、水库大坝等的建设以及运行管理中，边坡稳定治理工程占有相当大的比例。近年来，各类边坡滑塌事故接连发生，因此，对边坡治理工程的技术要求越来越高。所以，如何采用经济、安全的措施对这些边坡进行加固，保证边坡稳定是一个极其重要的课题。

预应力锚索框格梁体系作为一种新型的边坡加固结构，近年来被广泛的应用于破碎岩质边坡甚至土质边坡的加固工程中［1-2］。作为一种主动式的加固方法，预应力锚索框格梁体系通过锚索的预应力将滑动的坡体与稳定的基岩连接为一体，增加了岩体各层面的抗滑力，同时又通过坡面上的框格梁将各个锚索有效地连成一个整体，形成一个由表及里的被覆式加固体系，从而达到防止边坡整体失稳的目的［3-4］。在边坡预应力锚索框格梁加固结构体系方面，近年来已开展了大量的研究工作，已有的研究主要集中在锚固机制研究以及锚索框格梁受力分析研究等几方面［5～10］。但是，随着工程应用的增多，边坡治理失败的工程也是有发生。其缺点也显现出来：（1）锚索框格梁受力体系复杂，外锚墩易产生应力集中，设计大多依靠设计人员经验，缺乏理论和规范的指导，具有一定的盲目性；（2）当坡面变形较大时，混凝土受拉，容易产生裂缝，造成开裂，引起变形和破坏，影响其耐久性；（3）施工要求坡面比较平整，且一般不适合坡度大于45度以上的边坡；（4）施工困难，工期较长，造价高。

针对容易出现裂缝、工期长和造价高等缺点，日本学者提出了预应力混凝土框架锚固施工法（PCFA），缩短了工期，其预制混凝土梁质量较现浇混凝土梁质量更容易控制和管理［11］。作者于2009年提出了预应力格网锚固方法，该方法以目前受力更为科学、合理的压力分散型锚索为基础，锚孔外伸钢绞线则与上下左右相对应的锚索孔中伸过来的钢绞线在中间部位对接张拉，这样，在坡面上就形成了纵横交叉的无黏结钢绞线预应力格网锚固体系。本文将介绍该方法的概要、特点以及治理方案的优越性。

2 预应力格网锚固方法

2.1 压力分散型锚索 压力分散型锚索，作为一种新型的岩土工程加固技术，已被广泛运用于实际工程中［12-16］。预应力锚索的有效锚固段是锚索的关键受力部位，根据地质条件选择适宜的锚固方式是至关重要的。锚固方法中根据作用于锚索上荷载的传递方式不同可分为拉力型和压力型，而压力分散型又不同于一般压力型，荷载不是集中在一处传递给水泥浆体，而是通过无黏结钢绞线和分散在锚固段内的几个承载体，分散地传递给周围水泥浆体，所以称之为压力分散型。将传统锚固段所受的集中拉应力变为分段的压应力，大大改善了承载能力。上述技术在四川省铜头拱坝坝肩加固、三峡右岸尾水出口边坡锚固工程及新疆下坂地水库边坡治理工程中得到了应用［15-16］。

2.2 格网锚固结构布置 用于边坡稳定治理的预应力格网锚固工法，是以压力分散型锚索为基础，每孔锚索外伸的钢绞线则与上下左右相邻锚索过来的钢绞线对接张拉。这样在坡面上就形成了纵、横交叉的无黏结钢绞线锚固体系。从表面上看，格网的交叉节点处为压力分散型锚索孔或张拉端，二者均呈梅花型布置，如图1所示。根据边坡稳定所需要的锚固力，每个锚索孔内的钢绞线根数为4n（n为正整数1，2，3，…）。张拉端安装有十字对称的锚垫板，对称施加预应力荷载。如果需要，可随时增加或减少钢垫板的方法来调整钢绞线荷载的大小。

图1 预应力格网布置

2.3 格网锚固结构的力学特性 整个预应力格网锚固结构可简化为若干个锚固单元，见图2。从图2可知，两组正交的倒U型无黏结钢绞线，其根部锚固在深层、稳定的岩层中。位于4孔锚索范围内的岩柱体则被4束钢绞线牢牢地锚固在深层稳定的岩层内。不难看出，预应力格网锚固结构仅在锚固段、锚索出口转角处、外露钢绞线通过预制混凝土承压板以及张拉端锚垫板处传递锚索张拉荷载给边坡岩体。四束竖向锚索弯转90°后，在地面穹顶部位对接水平方向进行张拉，既改变了锚索的受力方向，又大大增加了锚索与岩土体的接触面积，从而使四孔锚索范围内的岩体受到约束。预应力格网结构的力学特性与无黏结预应力混凝土结构类似，在使用荷载条件下，可采用弹性方法设计；在极限状态下，可按无黏结预应力混凝土结构分析设计，从结构受力效果看，锚索拉力平衡滑动力有着直接而明显的作用；从岩体位移效应看，施加预应力后就会限制边坡的变形，其效果是其它结构难以代替的。

应该指出，通常岩质边坡治理的预应力格网锚固结构是用许多根锚索锚固的，只要锚索损坏的不多，又是随机的，它们对边坡稳定的影响会很小。然而，在某个特殊的区域（如断层区或软弱夹层区），有几根锚索失效，其后果会很严重。为此，在现场可以用一根锚索释放荷载来模拟锚索失效，同时测量相邻锚索因此引起的荷载增量，从而对预应力格网中的初始应力进行限制。

2.4 格网锚固结构的施工 预应力格网锚固结构的施工，同预应力锚索框架梁结构的施工相比较，除了锚索的施工，如钻孔、清空、编索穿索、注浆等工序相同外，前者省掉外锚墩，在坡面另设张拉端，采用单根对称张拉工艺，这样所需要张拉设备体积小，重量轻，在高陡边坡上搬运、挪动容易，操作方便。更重要的是，由于省掉了现场浇筑钢筋混凝土外锚墩及框架梁的施工，因而可大大缩短工期。

图2 预应力格网的锚固单元

预应力格网结构施工采用先上后下的施工方法，施工安全有保证。其施工步骤如下：按设计要求整理坡面——放样——在纵、横交叉点上布置梅花型锚索孔或张拉端——钻孔及安装锚垫板——锚索入孔并注浆——由锚孔出来的绞线铺放在上下左右方向（距底面10 cm，以预制混凝土板垫起）并穿入张拉端的锚具内——预紧张拉——循环对称张拉达设计吨位——补偿张拉，根据边坡稳定预警系统的信息，随时调整钢绞线荷载的大小——最后，外露钢绞线用聚合物砂浆或混凝土覆盖，其目的主要是钢绞线的防腐蚀和耐久性保护。

应该指出，锚索施工中钻孔是影响工程费用和施工期的主要因素，尤其是辅助工作时间的不可控制因素较多，如脚手架、移机、钻机定位以及拆卸钻杆等，因其工地条件（包括工人）差异很大，所以钻孔过程中辅助工作时间的多少是不可忽视的主要因素。一般边坡岩体比较破碎，考虑到水对泥化岩体的不利影响，钻孔宜选用潜孔锤空气正循环双管钻进工艺，对钻进过程中的裂隙、破碎岩体，若无塌孔，在成孔后应进行预注浆处理；若塌孔、卡钻现象严重，则应采用跟管钻进工艺。钻孔直径选择要求大于锚孔直径10mm，钻孔深度应穿过滑动面后的深度大于锚固段长度1m左右。考虑到岩屑积淤孔底，孔深还应大于设计要求孔深0.5m。

2.5 格网锚固结构的特点 由无黏结钢绞线组成的预应力格网与压力分散型锚索结合为一整体、轻质、柔性、受拉的弦索结构，从而使边坡稳定治理得到更有效、更安全的锚固效果。本方法主要适用于天然边坡和人工开挖的岩质边坡加固，与以往钢筋混凝土格构框架梁施工法相比，具有以下特点：（1）整体——预应力格网与压力分散型锚索构成一整体。（2）轻质——最低的额外自重荷载。（3）柔性——适应各种坡面地形地质条件，即使很陡的坡度也可以施工。（4）受拉——充分发挥高强、低松弛钢绞线的强度。无黏结钢绞线的优点是，任何局部的荷载都将均匀地分布在整个长度上，因而产生较小增量荷载，允许较大变形。（5）绞线断面小——整体厚度薄，容易保护；双层防护，耐久性好。（6）张拉端——设在4孔锚索的中间部位，省去外锚墩，可重复张拉。（7）施工简便——省时省力省费用；预应力技术成熟，质量有保证。（8）受力更合理，预应力格网锚固结构与传统的框架梁锚固法的工作原理存在差异，两者在地基中的力学体系也是完全不同的。框架梁属受弯结构，要使其发挥全部承载能力则需要有较大的变形，因而裂缝是不可避免的。高强钢绞线与普通钢筋混凝土梁串联，材料强度不匹配，必然造成材料浪费。（9）预应力格网与压力分散型锚索结合为一整体能得到更有效、更安全的锚固效果。压力分散型锚索与无黏结钢绞线预应力格网结合，省去了外锚墩，在中间部位设张拉端，可进行重复张拉。

当然，其缺点是不适用于土质边坡的治理，因为其断面小，土容易从格网中间流失。

文中提出的设计目前还存在以下几个问题：（1）由于钢绞线高强低松弛，其弹性模量较大，导致其可以弯成的有效的传力弧度有限，因此在边坡出口处，出口转角钢垫板的设计、制造以及安装是一个需要重点解决的问题，如果设计不合理，则有可能在4个方向的拉力作用下，转角钢垫板发生拉裂破坏，导致锚索支护失效；（2）钢绞线可弯成的有效传力弧度较小，因此，在张拉过程中，锚索内锚固段有效的预应力还能保证多少，需要设计中考虑；（3）在锚索出口段，由于锚索直角受弯，在此部位的钢绞线受力复杂，极易发生应力腐蚀。因此，需要采用较大的混凝土墩进行防护，进行防护的混凝土墩体积不能忽视。另外，对伏地钢绞线的腐蚀防护也需加强考虑；（4）在进行锚索张拉时，相当于一束锚索要分4个不同的部位张拉，需要采用特殊的措施来保证一束锚索上的各根钢绞线受力均匀，这是在预应力锚索张拉中需要重点考虑的问题。

3 格网结构应用的技术要点

3.1 锚索出口转角钢垫板曲线设计 预应力锚索的外伸钢绞线在出口处，必须通过转角钢垫板转换方向，从而形成钢绞线曲线段。在转角垫板与钢绞线接触区域，由于摩擦和横向力挤压作用，如果转角垫板曲线设计不合理或构造措施不当，预应力钢绞线容易局部硬化和摩擦损失过大。

FIP标准钢绞线转折抗拉试验结果［17］：如果钢绞线的曲率半径Rtend满足： Rtend＞αφn·N/n，则其抗拉强度的降低值＜5%。其中:α为系数，对于光滑孔道α=20，波纹管孔道α=40；φn为钢绞线公称直径（mm）；N为同一束锚索钢绞线总根数；n为传递径向分力的钢绞线根数。

转角钢垫板的另一个作用是将预应力荷载在转角处产生的集中荷载安全地传递给边坡岩体，所以曲线钢垫板与岩体之间需用水泥砂浆或混凝土黏结。

3.2 预制混凝土承压板 预应力格网与边坡表面穹顶岩体接触部分需用预制混凝土垫板传递荷载，要求同方向绞线需在同一水平位置外，外露绞线需呈光滑的凸曲线，或相对平顺的扁球状，这样既有利于荷载传递，又便于施工操作。按其外形承压板分为正方形和长方形两种，外形尺寸主要根据边坡岩土层的承载力及人力较易搬运为准。同时还要考虑安全、经济以及景观要求。

3.3 十字张拉锚垫板设计及张拉 在相邻四孔锚索中间位置设置张拉锚垫板，其特点是上下左右两个方向正交对称张拉施加荷载，且采用单根对称张拉工艺（即在一个方向与对面孔的钢绞线对称张拉）。这样张拉设备体积小，重量轻，容易操作。根据预应力大小的变化和岩体位移情况，可随时调整锚索荷载。在使用期间采用增加或减少钢垫块的方法调整荷载大小，可避免夹片对绞线刻痕的影响。

3.4 结构的耐久性 20世纪末无黏结预应力和斜拉桥施工两项技术为预应力格网锚固技术的发展创造了条件。这两项技术的产生和应用，外露钢绞线在耐久性方面积累了丰富的经验。首先，钢绞线用防腐油脂充满；然后用高密聚乙烯管（HDPE）包裹，已成为成熟商品供应市场；最后，在伏地钢绞线施工时，宜先清理岩质边坡松散物质，用聚合物水泥砂浆（混凝土）将其全部包裹，预应力钢绞线具有3层防护（油脂、HDPE和水泥砂浆），因此，其防腐蚀性和耐久性是可靠的。

4 综合治理措施

预应力锚固技术以其独特的效应、施工简便、结构型式质轻、灵活和多样性的特点，广泛应用于边坡稳定工程。首先，预应力锚索可根据设计要求提供足够的主动抗滑力，阻止坡体的滑动；其次是高陡边坡往往存在深层滑动问题，当然，预应力格网既有加固浅层岩土体，又有加固深层岩体的作用。此外，一般在坡脚还常采用预应力锚索抗滑桩抵抗坡体的滑动。第三，预应力格网中间暴露的岩土体层，根据工程具体情况，可采用钢丝网喷混凝土封闭坡面，以防边坡浅层土体滑落及雨水的冲刷、渗透，或者在格网内铺砌六方空心砖，砖内培填熟土种植四季常绿的优质草木植物，实现绿色生态防护措施；第四，综合治理方案中常常包含排水系统，因此在边坡加固设计时，必须查明地表水的补给和地下水的变化情况，一般工程中多采用坡顶截水、坡面泄水和坡脚排水的综合治水方法，效果良好。

5 结语

由于预应力锚索，特别是压力分散型锚索具有其独特的优点，在边坡治理工程中的应用前景十分广阔。但仅靠锚索很难起到支挡滑坡体的良好作用。通常与其它结构物相结合，构成完整的预应力锚索抗滑结构，如预应力锚索压力板或压力梁、预应力锚索框架梁、预应力锚索挡墙、预应力锚索抗滑桩等等，这些结构形式可结合具体工程情况选用。关键问题在于设计者根据边坡治理这一对象，围绕设计的各主要环节，建立整体观念，才能制定出安全可靠、技术可行、经济合理的治理方案。预应力格网锚固方法，是一种新型复合式锚固结构，它充分利用高强、低松弛无粘结钢绞线的强度，主动地限制或减小高陡边坡的变形。应该指出的是，应建立动态监测系统，对预应力锚索的应力、应变及被加固边坡的动态特征进行监测，分析格网锚固结构与滑坡的动态关系，评价结构的锚固效果，以便为设计提供反馈信息，决策是否需要调整锚索荷载或采用其他加固措施。可以预料，该方法将在公路和铁路沿线、隧洞（道）的进出口、水库大坝的两岸等被广泛应用。

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Prestressed grid anchorage technology for slope and landslide treatment

WANG Ronglu1，2，3，MENG Lijuan1，2，3，ZHANG Hui4，LIU Zhibin1，2，3
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100038，China；3.Key Laboratory of Water Project Construction and Safety，Ministry of Water Resource，Beijing 100038，China；4.Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd，Chengdu 610021，China）

Prestressed grid anchorage is a new and reliable engineering technology applied in slope and landslide treatment.This technology utilizes pressure-dispersion tensile reinforcing bars，of which the wires extending from anchor holes are butted with the relative wires from all direction in the middle position and then tensioned together.Under this situation，outside anchor piers are not needed，and it can be tensioned repeatedly.Both of grid and node showed a plum-type layout.This composite slope anchorage structure is simple for construction，which overcomes such disadvantages of cast reinforced concrete frame beams as easy cracking， easy deformation and difficult construction， and ensure that anchoring effect can be achieved.Those advantages can get this technology to be applied in more slope treatment projects.

slope treatment；prestressed grid；pressure-dispersion type cable

TU43

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.008

1672-3031（2016）03-0205-05

（责任编辑：祁 伟）

2015-10-21

王荣鲁（1979-），男，山东临沂人，高级工程师，主要从事滑坡预报、治理及水工建筑物检测评估工作。E-mail：wangrl@iwhr.com