预应力锚索在边坡加固工程中的应用.doc

预应力锚索在边坡加固工程中的应用* 收稿日期：
作者简介：董汉雄，男，1968年10月生，甘肃陇西人，大学本科，工学学士，高级工程师，曾从事岩土工程勘察、设计、施工，现从事铁路路基设计。研究课题：路基挡风结构。西安市西影路2号中铁第一勘察设计院集团地路处，电话[phone]，手机[phone]，Email：dhx34142@，邮编710054。

董汉雄
（中铁第一勘察设计院集团地路处 陕西 西安 710000）

摘要：在详细研究溪落渡水电站对外专用公路工程地质条件的基础上，提出了采用预应力锚索进行边坡整治的措施。对边坡的稳定性进行了验算，预应力锚索的长度、外锚头类型、锚索的防腐进行了设计。
关键词：公路；边坡加固；预应力锚索
1 工程概况
溪落渡水电站对外专用公路K0+341.891~K0+425段位于金沙江峡谷区北岸山体半坡上，基岩裸露。地形起伏大，地势陡峻且北高南低，相对高差大于100m。最大边坡高度达73.46m。工点范围内出露地层主要为第四系全新统冲、崩积漂石土，基岩主要为三叠系下统砂岩夹泥岩。本区地震基本烈度为Ⅷ度。
2 计算参数的选取
根据地质勘察资料，边坡稳定性验算采用的计算参数为：边坡岩体重度22kN/m；边坡岩体内摩擦角；边坡岩体黏聚力；锚孔壁对砂浆的极限剪应力τ=1200kPa；锚索张拉钢材与水泥砂浆的极限黏结应力τu=3000kPa；表面地层基本承载力σο=300kPa。
3 锚索设计计算
本工点设计边坡坡率为1：0.3，潜在破裂面坡率为1：0.7，为了加强边坡稳定，维护山体平衡，防止开挖坡面风化，在坡脚设3m高挡墙，挡墙上部设预应力锚索十字面板及植喷混凝土防护工程。
3.1下滑推力计算
当预应力锚索作为承受侧向土压力的支挡结构时，其设计荷载可按结构承受的侧向土压力计算，也可把边坡看作一个下滑体，按下滑推力计算，两者取大值为其结构所受荷载。当工点处于八度或八度以上地震区时，下滑推力计算应考虑水平向地震荷载。侧向土压力应按主动土压力的1.05~1.4倍计算，下滑推力采用传递系数法计算，算式如下：
（1）
（2）
式中：Ti——第i个条块末端的下滑推力(kN／m)；
K——安全系数，可采用1.05～1.25；此工点取1.15；
Wi——笫i个条块滑体的重力(kN／m)；
——第i个条块所在破裂面的倾角(º)；
　 ——第i-1个条块所在破裂面的倾角(º)；
——第i个条块所在破裂面上的内摩擦角(º)；
——第i个条块所在破裂面上的单位黏聚力(kPa)；
Li——第i个条块所在破裂面的长度(m)；
Ψ——传递系数。
Ci——重要性修正系数，应按《公路工程抗震设计规范》表1.0.4采用；本工点为二级路上的抗震重点工程，取1.3；
Cz——综合影响系数，取Cz=0.25；
Kh——水平地震系数，应按《公路工程抗震设计规范》表1.0.7采用；本工点取0.2。

3.2 锚固力、锚固体设计计算
预应力锚索治理边坡就是通过在边坡不稳定体上施加锚固力，使其在滑面上产生一个正压力和切向抗力，用以平衡不稳定边坡体的下滑推力。预应力锚索设计时，对于滑坡加固，宜采用锚索预应力(抗滑力)的方法计算，通过边坡稳定性分析、计算滑坡的下滑力确定锚固力，计算可按下式：
（3）
式中 F——滑坡下滑力(kN)，其中：，A ——锚索纵向间距 (m) ；
P——设计锚固力(kN)；
——破裂面内摩擦角(º)；
——锚索与破裂面相交处破裂面倾角(º)；
——锚索与水平面的夹角。
锚索倾角对锚索起到的抗滑力大小及锚索长度有重要影响。由经验可知比较经济合理的锚索倾角为。结合灌浆施工的可行性，锚索与水平面的夹角，一般按锚索与坡面垂直时取值，以下倾为宜，不宜大于45º，一般为15º~30º。
锚索间距应以所设计的锚固力能对地基提供最大的张拉力为标准。预应力锚索应尽量布置在不稳定边坡的中下部。锚索的水平和垂直间距一般不宜大于6.0m，以避免单根锚索承载力过大而应力集中，但也不得小于1.5m，以免群锚效应而降低锚固力。当边坡顶部为平坡或边坡中部设有平台时，锚索距坡顶或平台的高度不宜小于2m。
公式（3）所计算出的设计锚固力P为锚索纵向间距宽度内所有锚索的设计锚固力。单孔设计锚固力按下式计算
（4）
式中：Pt——单孔设计锚固力，kN；
N——锚孔排数；
本工点锚索按矩型排列，其间距A取5m，锚孔排数最多处是15排。为了施工方便，锚索与水平面的夹角，按锚索与坡面垂直时取值，与水平面的下夹角取17度。安全系数Fsl取2.0，锚索采用φ15.2mm钢绞线，极限张拉荷载Pu为259kN, 强度级别为1860MPa。此工点锚索锚固为永久性锚固，锚固体拉拔安全系数Fs2取3，为提高锚固体与孔壁的抗剪强度，锚固体(即钻孔)直径dh取0.15m，锚固段结构类型设为圆柱型钻孔。下滑力、锚固力、锚固体设计力如表1所示。
表1 锚固力、锚固体设计计算
锚固力计算
锚索纵间距A(m)
5
破裂面内摩擦角φ(°)
45
下滑力F(KN)
10295.718
破裂面倾角α(°)
55
锚索与水平面的夹角β(°)
16.7
安全系数Fs1
2
锚索极限张拉荷载Pu(KN)
259
锚孔排数N
15
设计锚固力P(KN)
8149.10
单孔设计锚固力Pt(KN)
543.27
每孔锚索钢铰线根数n
5

锚固体设计计算
永久性锚固拉拔安全系数Fs2
3
单根张拉钢铰线直径ds(m)
0.0152
锚固体直径dh(m)
0.15

锚索与水泥砂浆的极限粘结应力τu(kPa)
3000
锚孔壁对砂浆的极限剪应力τ(kPa)
1200
按水泥砂浆与锚索张拉钢铰线粘结强度确定的锚固段长度 Lsa(m)
2.277
按锚固体与孔壁的抗剪强度确定的锚固段长度 La(m)
2.884
锚墩底面与锚索的夹角θ(°)
90
表面地层基本承载力σο(kPa)
400
锚墩底面积A(m2)
1.358

计算出的锚固段长度为2.88m,根据前面所述的理论，锚固段长度取5m。边坡坡率1：0.3，每15m高设一级2.0m 宽平台，坡面挂网喷混凝土防护。根据锚索与破裂面和边坡坡面的交点的距离，一、二级边坡锚索长取15m，其余每上一级锚索长约增加5m,必须满足自由段应超过破裂面1.0 m的要求，详见图1所示。
锚具采用OVM15-5型，垫板采用钢垫板，本设计面板为预制钢筋混凝土十字板,底面积A=1.44m2>1.358m2，满足设计要求。
3.3 锚索长度的确定
锚索长度包括锚固段长度、自由段长度和张拉段长度。
3.3.1 锚固段长度
锚固体的承载能力由锚固体与锚孔壁的抗剪强度、钢绞线束与水泥砂浆的黏结强度及钢绞线强度3部分控制，设计时应取其小值。
锚索的锚固段长度可按下列公式计算，采用lsa 、la中的大值。通常选取4～10m。
（1） 按水泥砂浆与锚索张拉钢材黏结强度确定锚固段长度lsa，即
（5）
（2）按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度la，即
（6）
式中 ds——张拉钢材外表直径(m)，锚索束表面尺寸见《铁路路基支挡结构设计规范》附表C.1；
d——单根张拉钢材直径(m)；
dh——锚固体(即钻孔)直径(m)；
τu——锚索张拉钢材与水泥砂浆的极限黏结应力；按砂浆标准抗压强度fck的10％取值(kPa)；
τ——锚孔壁对砂浆的极限剪应力(kPa)，值应根据现场张拉试验加以确定，设计时可参考《铁路路基支挡结构设计规范》附表C.2。
Fs2——锚固体拉拔安全系数，永久性锚固时Fs2≥2.5；临时性锚固时Fs2≥1.5。
图1 工点K0+341.891~K0+425设计图
锚固体的直径应根据设计锚固力、地基性状、锚固类型、张拉材料根数、造孔能力等有关因素来确定，通常采用φl00～φ150mm，当按公式（6）确定锚固段长度时，当其他条件已经确定时，锚固体的直径取值决定锚固段长度。锚索的锚固长度要求不小于4m，但也不宜过长。
3.3.2 自由段长度
根据锚索与潜在破裂面和边坡坡面的交点确定。为了有利于被锚固地层稳定性和锚固的可靠性，自由段一般应超过破裂面1.0 m，同时要求自由段长度不小于3.0m。
3.3.3 张拉段长度
张拉段长度应根据张拉机具决定，锚索外露部分长度宜为1.5m左右。
3.4 外锚头设计
外锚头由锚具、垫板和锚墩组成。目前，国内生产的钢绞线锚具有OM、OVM等多种系列。垫板可用厂家生产的与锚具配套的产品，也可根据设计要求现场加工制作。垫板应与孔口铁管及底座钢筋焊接成一体，以增加整体性。
锚墩可根据锚固吨位、坡面坡度、地层情况等条件设计成各种不同的类型。常见的形式有钢筋混凝土板、墩、梁、框架等，在城镇和旅游景区附近也可设计成各种美观的造型。锚墩上放置垫板的外表面必须与锚索垂直，确保锚索张拉时千斤顶张拉力与锚索在同一轴线上。锚墩的大小应由计算确定，这一点必须引起重视，若锚墩过小会使预应力损失过大。锚墩底面积由下式确定。
（7）
式中：θ——锚墩底面与锚索的夹角；
σο——表面地层基本承载力(kPa)。
锚墩底面倾斜角度可通过开挖坡面土体来确定。若坡面不允许或不易开挖时，可以增加孔口定位铁管长度或在锚墩与坡面之间设置短锚杆等方法增加底座与坡面的粘结强度。
4 结论
本工程于2004年6月开工，并于2005年6月顺利完成。施工期间加强对边坡稳定的监测，所观测到的数值均在设计范围内，并经过了4个雨季以及2008年的“5.12”汶川地震的严峻考验，边坡未曾发现不稳定迹象。这表明本设计是有效的、安全的和经济的，本工程可为广大工程设计人员提供借鉴的设计经验。

参考文献
[1]《铁路路基支挡结构设计规范》TB10025-2001 J127-2001. 铁道第二勘察设计院主编.中国铁道出版社, 北京: 2001.
[2]《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89. 交通部公路规划设计院主编. 人民交通出版社, 北京: 1999.

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