预应力锚杆在高边坡稳定防护中的设计要点

何海亮

（中冶京诚工程技术有限公司）

减小水的作用、改变土质岩体的平衡条件、增强土质岩体的力学性能是边坡支护工程的主要思路。预应力锚杆强度高，能够让边坡达到要求的安全度，并且预应力锚杆在工程实践中，呈现出卓著的施工效果。近些年，我国边坡支护工程建设数量越来越多，预应力锚杆的设计也受到了业界的广泛重视。因此，探讨预应力锚杆在高边坡稳定防护中的设计要点，具有极其重要的现实意义。

1 工程概况

1.1 工程概述

平和县北环路延伸段道路工程(一期工程) 项目位于平和县。平和县地处福建省闽南金三角的漳州市西南部闽粤交界处，选取段落“(起点桩号K0+000，X=2701996.430，Y= 535239.984、终点桩号K6+024.462，X=2697829.798，Y=531899.298)”。

1.2 工程地质及水文条件

工程施工区域地形地貌为于残丘坡麓地貌、冲洪积地貌，拟建场地自上而下由填土①、淤泥质土②1、粉质粘土②1、中砂②3、卵石②4、粉质粘土③、残积砂质粘性土④1、凝灰岩残积粘性土④2、全风化花岗岩⑤1、全风化凝灰岩⑤2、砂砾状强风化花岗岩⑥1、砂土状强风化凝灰岩⑥2、碎块状强风化花岗岩⑦1、碎块状强风化凝灰岩⑦2、中风化花岗岩⑧1、中风化凝灰岩⑧2等组成。

沿线地表水主要分布于水沟、鱼塘及当地主要水系高际溪，高际溪跨越河流段宽约80m。地下水主要赋存于填土、中砂、卵石层孔隙中，(坡积)粉质粘土、全风化岩、砂砾(土)状强风化岩孔隙、网状裂隙中和碎块状强风化岩、中风化岩裂隙中的潜水或承压水。

2 边坡稳定性分析

根据现场情况以及室内试验结果，进一步确定边坡的岩体以及软弱夹层。以断面K0+980 右侧深挖路堑断面为分析试验对象，结果表明，边坡平面满足一般的平面滑动条件，且边坡顶部存在轴线、走向小角度相交张裂间隙构成的滑动体后缘拉裂面，基于此，采用“刚体极限”理论对边坡的稳定度进行计算分析（不考虑断层侧面的抗滑作用）。为简化结算规程，在计算的过程中，将后缘拉裂面的间距取值为5m，计算过程如图1 所示，最终得到的安全系数由表1 所示，不满足稳定性要求，必须对边坡进行合理加固。

图1 边坡稳定性计算以及加固简图

表1 边坡稳定性安全系数

3 锚杆支护参数对预应力锚杆支护效果的数值模拟

在模拟结果中，不同锚杆预应力参数结果为：锚杆的预应力为100kN～220kN 时，锚杆形成的应力范围较大，各个应力区域之间可构成相互连接、叠加的效果，整体性较强，锚杆主动支护效果较好。由此可见，锚杆预应力参数会直接影响到锚杆支护成效；在预应力为20kN～80kN 的情况下，锚杆越长，实际支护效果越差，主动支护效果甚微，所以需有效协调长度和预应力参数之间的关系；锚杆的间距越大，那么锚杆形成的压应力区整体性越差，锚杆的间距越小，构成的应力区距离越小，由此判断，锚杆密度对实际支护效果的影响，存在一个有效区间；在垂直布置的状态下，锚杆和锚杆间的压应力呈现相互叠加的状态，在锚杆角度为15°的情况下，锚杆之间构成的有效压应力区呈现出相互分离的状态，部分压力区明显分离，锚杆支护成效不尽人意，在锚杆角度为15°～45°区间，锚杆的角度越大，有效支护区域越小；由图2 所示，端部锚固因锚杆不受约束的段比较长，锚杆预应力作用范围比较大，但是中部的压应力却受到了一定影响；在加长锚固的情况下，锚杆的不受约束的段较短，预应力作用范围比较小，形成的有效压力区域也比较小；在全长锚固的情况下，所有锚杆都受到有效约束，但是压应力区却比较小。由此可见，全长、加长锚固的实际锚固效果，皆不如端部锚固的效果。

图2 不同锚固方式锚杆预应力场分布图

4 边坡锚固设计

4.1 预应力锚杆组成

本工程采用锚杆加固高边坡，让地层和结构可紧密的结合在一起，构成一个共同工作的复合体，有效承受拉力、剪力，避免出现土体位移等情况。预应力锚杆结构主要由锚头、自由段、锚固段构成，具体结构可见图3、图4。

图3 锚杆结构示意图

图4 锚索结构示意图

锚头：由垫墩、锚具、保护帽、外端锚筋构成，主要用作锁定锚杆拉力；②锚固段：将拉力传递至稳定结构的部分，其长度根据实际情况计算获取，利用水泥浆将锚固段和高边坡结合在一起；③自由段：由防腐构造、拉筋、注浆管构成，是将锚头拉力传递至锚固段的中介区段。

边坡锚杆的入射角度为15°，肋柱尺寸为0.6m×0.4m，沿道路走向间距为1.8m～2.1m（需根据实际情况合理调整），锚杆在入土层假想破裂面5.5m～6.5m（需根据实际情况统一）。

4.2 预应力锚杆设计

③边坡侧向压力确定需要综合考虑到岩石等效内摩擦角、侧向岩石压力、侧向土压力的计算，然后再参考外倾结构面修正参数，取两次计算结果的最大值。经过计算，本工程中侧向岩石压力为452kN、侧向岩石压力的修正系数为1.34，最终结果为605kN。

⑤锚杆张拉力采用公式伸长量=PL/EA 进行计算，其中P 为张拉应力，理论伸长量对应的应该是理论应力，实际伸长量可以反算处实际应力；L 为钢束的有效长度，自锚固端至张拉锚具之间的距离；E 为钢材的弹性模量；A 为钢材的断面面积（公式指的是理论状态下预应力钢筋的伸长量，不包含摩擦阻力损失和锚口损失，最终张拉力确定、间距确定均参考伸长量）。另外，采用有限差分数计算软件FLAC，模拟锚杆角度，最终选取40°进行施工。

4.3 排水措施

本段边坡坡体地下水较为发育，设计采用仰斜式排水孔引排地下水。路堑顶5m 外设置截水沟，将地表水引入边沟中。

5 边坡设计结果

选取工程中10%锚杆进行载荷试验，试验用载荷为设计载荷的1.5 倍，安全系数K=2.0。并在不同部位设置位移观测点，持续180d 对锚杆的位移发展情况进行监测，最终监测结果表明结构支护体系满足高边坡防护需求，支护效果良好，符合《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）中的要求，符合永久性土层锚杆安全性需求，且成本较低，实用性较高。

6 结束语

综上所述，锚杆的长度、预应力、直径、密度、锚固方式，直接影响着实际锚固效果，相关从业者在设计的过程中，需综合考虑到这些设计要点的影响，结合实际支护需求来选择参数，这样才能保证支护质量。