锚索-钢花管联合处置在边坡中的应用

李 雪 李 刚

（1.广州市高速公路有限公司，广东广州 510200；2.铁建港航局集团勘察设计院有限公司，广东广州510000）

注浆钢花管由小直径钢管排桩发展而来，通过潜孔钻或其他成孔设备在边坡上成孔，放入开有小孔的钢花管，压入水泥浆，形成钢管混凝土柱体。注浆过程中水泥浆渗透进入岩土体，提高岩土体C、Ф值，改善岩土体的物理力学性能，提高边坡抗滑力。注浆后钢花管永久留在边坡中，钢花管与水泥浆形成的钢管混凝土柱体具有抗弯抗剪能力，提高边坡稳定系数。在注浆钢花管施工过程中，除成孔设备稍复杂以外其余设备均较小、较简单、施工速度快、耗资少，能够达到提高边坡稳定性的目的，注浆钢花管被广泛应用于边坡加固中。

在实际工程中，将注浆钢花管与锚杆锚索相结合，如深汕高速AK261+900～AK262+054段高边坡，贵州省晴隆至兴义高速公路YK17+504～YK17+670右侧挖方边坡。本文所述锚索-注浆钢花管联合处置技术与前述两边坡治理技术的不同，上述两治理方法没有将锚索与注浆钢花管相联系。钢花管顶部无约束，位移较大，抗弯能力受到严重影响。本文将注浆钢花管与锚索联合使用，减小注浆钢花管顶部的位移，提高其抗弯能力。本文利用Midas计算广东省某高速公路互通A匝道路堤边坡治理方案，阐述锚索-注浆钢花管联合处置技术在边坡治理中的应用及其设计理念、计算过程。

1 工程概况

广东省某高速公路互通A匝道AK1+015～AK1+060路基为陡坡填方路基，设有四级边坡。前三级边坡每一级边坡高约8 m，最后一级边坡10 m，第一级边坡坡率1∶1.5，后三级边坡坡率1∶1.75。

路面施工完成后，路面出现两条裂缝。裂缝1为弧形纵向裂缝桩号范围AK1+036～AK1+057，贯穿两侧路肩，长约21 m、宽约1 cm。路面裂缝2桩号范围AK1+010～AK1+036，位于距右侧土路肩4.5 m处，裂缝长26 m、最大宽度0.8 cm。边坡坡面防护骨架多处损坏，一级平台排水沟与骨架交接处向外挤出约6～9 cm，二级平台排水沟与骨架交接处向外挤出约12 cm，三级平台排水沟与急流槽处向外挤出约16 cm，最后一级边坡下挡土墙顶部向外倾斜4 cm。

2 分析计算

2.1 定性分析

根据边坡破坏情况中挡土墙顶部向外倾斜4 cm，可以推断滑坡剪出位置应位于挡土墙顶部以下一定深度，并非从挡土墙顶部剪出。根据路面裂缝可以清楚判断滑坡的后缘位于裂缝1处。发现裂缝后，对裂缝进行监测，在对裂缝的监测中发现裂缝没有继续发展的迹象。根据裂缝监测情况可以判断滑坡目前应处于欠稳定状态，稳定系数位于1.0～1.05。滑面应是在填土与原地面的交界附近，边坡坡面多处损坏可能是滑体上下位移不一致导致或滑坡存在多个滑面导致的。

2.2 定量分析

本工程定量分析借助有限元计算软件MidasGTSNX。计算中假定土体为各向同性，是理想的弹塑性土体，本构采用摩尔-库伦准则。支护前模型主要由全风化砂岩（原边坡土层）、填土、挡土墙组成，支护后在支护前模型中加入钢花管、锚索。

在发现该段路面出现裂缝、边坡骨架损毁、挡土墙向外挤出变形后，对该边坡进行补充勘察。根据补勘室内试验资料，填土黏聚力C=21 kPa，内摩擦角Ф=14.441°，重度γ=18.5 kN·m。填土前原边坡为全风化砂岩，黏聚力C=37 kPa，内摩擦角Ф=22°，重度γ=20 kN·m。

根据路面两条裂缝位置以及裂缝段路基断面图，本次计算断面选取最危险的断面AK0+040断面，计算方法采用强度折减法计算边坡稳定系数。

填土后支护前潜在滑移面如图1所示。

图1 填土后支护前潜在滑移面

由图1可知，滑带上部分在填土与原边坡交界面附近，下部分逐渐靠近挡土墙顶部，滑带最低处在挡土墙顶部以下约2 m处，稳定系数为1.021 1，与定性分析基本一致，模型参数取值合理。计算结果中稳定系数与实际情况不符，可通过调整参数取值，使其符合实际情况。稳定系数小于1，表示参数取值低于实际值，应调大参数取值[1]。

3 处置方案拟定及计算

本工程中滑坡推力依靠钢花管注浆后形成的微型桩与锚索共同承担。边坡范围内土路肩布设一排钢花管注浆，第一、三级边坡平台布置3排钢花管。横纵向间距均为1.0 m，管底进入原地面8 m，在第一、三级边坡平台钢花管顶部设置锚索地梁。

原路基填土密实度不够，处置方案中为了减小路面沉降，增加行车舒适度，在路面范围内正三角形布置注浆孔，间距为3 m，用于填充路基填料之间的空隙。路面范围内钢花管注浆主要是为了填充路基填料之间的空隙，在模型中未考虑路面范围内的钢花管，可作为安全储备。钢花管注浆后提高岩土体的C、Ф值改善岩土体的物理力学性能，提高边坡抗滑力。边坡抗滑力的提高幅度未知，故在模型中未进行考虑，将其作为安全储备。

钢花管注浆后与混凝土形成一个直径为钻孔直径大小，里面插有钢管的混凝土柱体，模型中注浆钢花管用梁单元进行模拟，锚索使用植入式桁架单元模拟。

采用强度折减法计算施工支护结构后边坡潜在滑移面，如图2所示。

图2 支护后边坡潜在滑移面

由图2可知，在土路肩、第一、三级边坡施工钢花管注浆以及锚索后在钢管混凝土柱、锚索不失效的情况下，边坡稳定系数为1.350 4，大于规范要求的安全系数1.35，施工支护结构后无明显潜在滑移面，说明支护成功。

4 钢花管选型

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010），沿周边均匀配置纵向普通钢筋的圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件。

（1）计算正截面受弯承载力。

式中：A——圆形截面面积，在本工程中为钻孔截面面积；As——全部纵向普通钢筋的截面面积，在本工程中为钢花管截面面积；fc——浆体弯曲抗压强度设计值，本研究取19.1 MPa；fy——钢管抗拉强度设计值，取310 MPa；r——圆形截面半径，取75 mm；rs——钢管截面重心所在圆周半径，取70 mm；α——受压区截面面积的在圆心角（rad）与2π的比值；αt——受拉钢管截面面积与全部钢管面积比值。

取轴向力设计值N=0，Nei以弯矩设计值M代替。

钢管直径140 mm、壁厚8 mm，代入公式可得α=0.365 7、αt=0.518 6，钢花管的受弯承载力Mu=47.20 kN·m，大于最大弯矩46.6 kN·m。

（2）锚索配筋及锚固长度计算。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）锚杆钢筋截面面积应满足：

锚杆锚固段长度、锚杆杆体与锚固砂浆间的锚固长度应满足：

式中：Kb、K——锚杆的抗拉安全系数，根据规范进行取值；Nak——锚杆轴力，本工程为443 kN；As——钢筋截面面积；fy——钢筋抗拉强度，本工程选用直径15.2 mm、抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线；fbki——锚体与岩土层黏结强度；fbk——钢筋与锚体水泥砂浆的黏结强度。

本工程中锚固体与土层黏结强度，按照中密碎石土取值为200 kPa，灌浆材料选用M30砂浆，钢筋与水泥砂浆黏结强度为2.4 MPa，锚孔直径150 mm。

经过计算，选用7根15.2 mm、强度1 860 MPa钢绞线，锚固长度取10 m满足要求。

5 结语

该高速通车后运行安全，尚未发生边坡失稳情况，说明边坡在一、三级边坡平台设置竖向注浆钢花管以及在钢花管顶部设置锚索的处置方案满足工程需要。边坡稳定系数大于规范要求安全系数1.35，说明该处置方案符合规范要求。钢花管与锚索联合使用，减小注浆钢花管顶部的位移，提高其抗弯能力，锚索与钢花管的联合使用效果优于单独使用钢花管注浆。