预应力锚索框架梁在路基高边坡防护中的应用

何志俊

（山西省交通开发投资集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

随着山西省高速公路骨架网的建成，高速公路运营期所面临的地质灾害问题也日益凸显[1]。运营期边坡地质灾害治理的思路主要有[2-3]：降低水的不利影响；改善边坡的力学平衡；增强软弱结构面的物理力学性质等。相应的治理方案主要包括防排水、卸载、挡墙护脚、抗滑桩、锚索（杆）支护等。由于预应力锚索框架支护是一种边坡原位加固结构，不仅可以提高边坡岩土体的整体性、改善结构受力条件和岩土体的强度、减小边坡岩土体的变形，使岩土体达到要求的稳定安全度，且该技术目前相对成熟，因此被广泛应用于复杂岩土体边坡治理中[4-5]。

针对运营期高速公路某段路基高边坡地质灾害，探索适用于该边坡工程地质条件的预应力锚索框架支护结构。

1 工程概况

G1812沧榆高速公路忻保段运营期间某段路基上边坡坡面喷锚防护空鼓开裂，一级坡护面墙错断开裂、脱落，坡顶出现张拉裂缝，长度约300 m，以上特征均表明该段边坡处于不稳定状态，有滑坡趋势。该段边坡位于山西省忻州市静乐县境内，大体呈东西走向，属于阴坡，边坡共4级，坡率1∶0.5 ～1∶0.75，总高度约45 m。边坡现有防护结构为：一级边坡为浆砌片石护面墙防护，二、三、四级边坡全部采用喷锚进行防护。

图1 坡顶张拉裂缝

2 不良地质特征形成机理分析

2.1 地质地形因素

该段边坡微地貌为黄土峁、缓坡、冲沟，边坡顶部地形平缓、植被茂密，受公路切坡影响，改变了原有的自然排水系统，降低了排水效果，垂直下渗量增加，加之边坡属光照较弱的阴坡面，水份蒸发速度缓慢，地表水下渗后主要通过渗透排泄，长期在边坡岩土体中赋存。边坡未设置截水沟，坡顶覆盖薄层湿陷性粉土，受大气降水冲蚀、潜蚀形成裂缝、落水洞等水流通道，水流沿通道下渗并通过基岩裂隙渗入下一级边坡。边坡岩性为砂岩泥岩互层，边坡中泥岩属软质岩，为隔水层，遇水后泥化变软变滑，从而为不良地质的形成创造了条件。

2.2 滑坡条件分析

边坡地层主要为二叠系P2s砂、泥岩结构，两种岩性差异风化明显，砂岩呈碎块状结构，泥岩全风化呈土状，且倾角较大。岩层产状340°∠40°，岩层倾向与坡向相同，且岩层产出状态与路线斜交。砂岩节理裂隙发育，岩体较破碎，泥岩为泥质结构，坡面渗水及砂岩裂隙水沿砂岩节理裂隙通道下渗，在泥岩层形成隔水层，泥岩遇水易软化变软，边坡在岩体重力及倾角作用下有滑坡的隐患。

2.3 边坡排水设施

边坡顶部未设置截水沟，地形平缓，边坡顶部覆盖薄层湿陷性粉土，受大气降水冲蚀、潜蚀形成裂缝、落水洞等水流通道。边坡平台排水沟不连续，且为浆砌片石施工工艺，经多年运营，砌体砂浆脱落严重，砌体开裂，水流沿片石间裂缝下渗，在边坡防护层后形成冲蚀沟槽，从而造成局部防护坍塌。

综上所述，该段边坡产生地质灾害隐患原因为：边坡工程地质条件差为内因，背阴坡水毁为诱因。

3 锚索框架梁技术在滑坡段的应用

3.1 预应力锚索防护计算

根据坡顶张拉裂缝及一级坡护面墙错断口，通过计算分析可知边坡深处存在一潜在滑面，潜在滑面埋深13～25 m。根据计算结果及现场地形、地质条件，绘制该边坡1号地质剖面示意图，如图2所示，图中显示松动变形岩体的稳定性较差，是剖面中最明显滑面即为松动变形岩体的底界。而深处的潜在滑面为顺层滑坡，规模大，危险性较大。

图2 该边坡1号剖面示意图

在充分进行工程地质调查的基础上，根据现场实测岩石力学数据，对滑坡下滑力进行计算，结合滑坡体的规模、成因、下滑力确定采用预应力锚索与框架梁支护结构，辅以截排水处置措施，确保坡体长期稳定，计算书见表1。根据计算书提供的参数，确定锚索最佳参数：锚索选用4束12.5 mm高强度低松弛无黏结预应力钢绞线，入射角度15°，锚索长度18～30 m，其余参数根据计算结果并参照规范执行，锚索结构如图3所示。经计算该设计方案在暴雨工况下安全系数K=1.24，因此安全系数在各工况下均可满足设计要求。

图3 锚索框架法向投影图（单位：cm）

表1 锚索设计计算书

3.2 边坡预应力锚索框架设计

施工前先对边坡进行修整，确保每级边坡高度8 m，坡率采用1∶0.75，平台宽2 m，每级边坡均采用预应力锚索加固，每孔锚索采用4束15.2 mm低松弛钢绞，每孔锚索设计拉力620 kN，锚孔与边坡入射角为15°。由于单独使用预应力锚索进行边坡加固，锚索拉力过大会引起表层坡体的变形，甚至破坏，而坡体的变形又会导致锚索预应力的损失，从而减弱预应力锚索的支护效果。采用预应力锚索与框架梁的复合结构，框架梁不仅起表层固坡作用，还有传力、散力作用，支护效果更加安全稳定。框架梁采用4 m×3 m钢筋混凝土浇筑，截面尺寸0.4 m×0.4 m，如图3所示。

3.3 预应力锚索框架梁复合结构优化

研究区边坡地质条件为易风化的砂泥岩互层结构，锚索施加预应力后即便有框架梁散力也可能会面临局部出现松弛的现象，为了进一步提高支护安全余量，将预应力锚索框架支护结构优化为预应力锚索+框架梁+锚固柱结构，锚索构造图如图4所示，即在充分清除表面松动变形岩体后，在框架节点即锚头位置沿钻孔走向深挖1.5 m，直径300 mm，回填C30混凝土形成锚固柱后方可进行框架节点施工，锚固柱与框架梁联合使用，共同起作用。优化后的框架梁与坡面的有效接触面积更大，且锚固柱坐落于更加坚硬的岩层上，故锚索变形能得到很好的限制。

图4 4 m×3 m锚索构造图（比例：1∶100）（单位：cm）

3.4 锚索框架施工工艺流程

坡面清理→锚索孔测量放线→钻机就位→钻孔（孔直径150 mm）→锚孔清理→孔口扩孔（孔直径300 mm）→锚索体制作及安装→锚固注浆→锚固柱施工→框架梁制作→锚索张拉及锁定、封锚。

3.5 加固效果评价

经计算该边坡加固后安全系数为1.40，满足规范要求。且工程施工完毕后，监测数据表明边坡最大位移量为3.1 mm，边坡处于稳定状态，加固效果良好。监测数据显示，该治理边坡的长期预应力损失均在5%以内，且在2～3个月内全部完成。框架所受的土抗力变化很小。从锚索拉力和土抗力长期监测的结果来看，预应力锚索框架处于长期、有效的工作状态之中。该边坡施工结束已接近两年，经过两个雨季的考验，坡体无任何变形迹象，表明预应力锚索框架对该段高边坡的稳定能起到长期、有效的作用。

4 结论

a）本文以G1812沧榆高速公路忻保段某路基上边坡地质灾害为例，分析并确定了该段边坡不良地质现象是由岩土体力学特性、地层岩性等内因和背阴坡、地形、排水等诱因共同作用的结果。

b）结合滑坡体的规模、成因、下滑力确定该段边坡处治方案为预应力锚索与框架梁加固。并根据现场实际地质条件，方案优化为预应力锚索+框架梁+锚固柱加固的复合结构。该方案不仅能够合理地改善结构的受力条件，并且能够充分地利用材料本身的强度特性，支护效果更加安全稳定，具有良好的推广应用价值。