張德圣　陳立堂

摘要：松散堆積體邊坡是一種較為特殊類型的邊坡，治理難度大，而預(yù)應(yīng)力錨索是邊坡支護(hù)中常用的、經(jīng)濟(jì)有效的方法。由此，錨索參數(shù)設(shè)計(jì)顯得相當(dāng)重要。基于前人研究成果基礎(chǔ)上，對預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地歸納和總結(jié)，重點(diǎn)分析了堆積體邊坡錨索參數(shù)設(shè)計(jì)。分析認(rèn)為，錨索參數(shù)設(shè)計(jì)主要集中在內(nèi)錨固段長度、錨固角、錨固間排距等7個(gè)方面，每個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)都不可忽略。案例分析得知，理論計(jì)算得到的錨固支護(hù)參數(shù)與實(shí)際值較為吻合。

關(guān)鍵詞：松散堆積體；預(yù)應(yīng)力錨索；支護(hù)；參數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0001-05

堆積體是我國西南地區(qū)普遍發(fā)育的一種地形地貌，屬于第四系堆積作用形成的地質(zhì)體。在水利水電、鐵路、公路等工程建設(shè)領(lǐng)域中，常會(huì)遇到一些大型的堆積體邊坡。自然狀態(tài)下，堆積體邊坡通常處于臨界狀態(tài)，一旦這種臨界條件發(fā)生改變，就會(huì)造成邊坡失穩(wěn)。在治理邊坡失穩(wěn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力錨索是一種非常有效的、經(jīng)濟(jì)的、常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，在堆積體邊坡治理過程中也不例外。

對于預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)的設(shè)計(jì)研究較多，主要集中于內(nèi)錨固段長度，錨固角（錨固傾角），錨固間、排距，等三個(gè)方面的研究。根據(jù)前人研究可知，人們對于錨固支護(hù)參數(shù)的研究一般局限于某一個(gè)或幾個(gè)方面的研究；且沒有進(jìn)行系統(tǒng)的、全面的分析和研究。此外，前人對于錨索參數(shù)的設(shè)計(jì)研究也多傾向于巖質(zhì)邊坡，對于堆積體邊坡錨固參數(shù)的設(shè)計(jì)研究相對較少。本文以堆積體邊坡為研究對象，從錨索支護(hù)的6項(xiàng)參數(shù)人手，系統(tǒng)和全面地分析如何進(jìn)行錨索參數(shù)的設(shè)計(jì)。旨在總結(jié)前人研究成果、積累經(jīng)驗(yàn)，為后期的研究提供依據(jù)、為堆積體錨索的設(shè)計(jì)、施工提供參考和借鑒。

1.參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵影響因素

錨索加固堆積體邊坡的目的和加固其他類型邊坡的目的一致，即是改變堆積體的變形特性，增加其綜合強(qiáng)度。然而，堆積體邊坡與一般類型的邊坡不一樣，有其特殊性。一般地，堆積體邊坡的結(jié)構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)，即上伏堆積體和下伏基巖。上伏堆積體一般比較松散，多孔隙；下伏基巖一般比較致密；在上伏堆積體和下伏基巖之間常常分布一薄夾層（坡積層或洪積層），該接觸帶夾層往往形成潛在的滑移面。所以，可以從堆積體結(jié)構(gòu)和加固目的等方面來分析影響堆積體邊坡錨索參數(shù)設(shè)計(jì)的影響因素。

1.l基巖的性質(zhì)

巖體的強(qiáng)度決定了巖體與錨固體間的粘結(jié)強(qiáng)度，粘結(jié)強(qiáng)度是決定內(nèi)錨固段長度的重要因素；同時(shí)，巖體強(qiáng)度也決定了施加預(yù)應(yīng)力大小，巖體強(qiáng)度越高，錨下巖體承載力越大，巖體的變形越小，預(yù)應(yīng)力長期穩(wěn)定性越高。

1.2堆積體的性質(zhì)

堆積體的組成、厚度和透水性等方面是工程設(shè)計(jì)與施工中必須要考慮的問題，它們也是影響錨索設(shè)計(jì)參數(shù)的重要因素之一。堆積體的組成不同，其密實(shí)性也有所不同；堆積體的厚度直接影響到錨索的設(shè)計(jì)長度，也會(huì)影響到該類邊坡的穩(wěn)定性；水是工程邊坡的一個(gè)不利的影響因素，堆積體的透水性與否也會(huì)誘導(dǎo)該類邊坡是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

1.3堆積體邊坡被加固安全系數(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索可以在很大程度上提高邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)。而被加固邊坡安全系數(shù)要求越高，安全儲(chǔ)備越大，邊坡穩(wěn)定性越好；相應(yīng)地，由此引發(fā)的工程量也越大。然而，在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)與施工過程中，人們不可能一味地提高邊坡工程的安全等級，還要考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性和合理性問題。

2.參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1內(nèi)錨固段長度

內(nèi)錨固段長度一般有兩部分組成：即有效長度和安全儲(chǔ)備長度。錨索工程設(shè)計(jì)中，錨固段長度設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問題之一，而錨固段中剪應(yīng)力分布是影響錨固段長度的最主要因素。目前，仍然以這種剪應(yīng)力在錨固段中平均分布來設(shè)計(jì)錨固段長度，該計(jì)算方法顯然不夠合理。鑒于此，很多學(xué)者都對內(nèi)錨段長度進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的受力范圍較短，在靠近自由段處應(yīng)力較大，沿錨根方向應(yīng)力迅速衰減。錨固段的剪應(yīng)力在靠近頂端（自由段與錨固段分界端點(diǎn)）的一側(cè)取得最大值，剪應(yīng)力的一般分布規(guī)律為先逐漸快速上升后再逐漸下降的曲線。

由此可知，提高錨固效果應(yīng)增加有效的錨固面積或分散錨固段前端的集中應(yīng)力。內(nèi)錨段長度設(shè)計(jì)中，要考慮索體與錨固體之間、錨固體與巖土體之問的粘結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)然，群錨設(shè)計(jì)中還要考慮相鄰錨索之間的相互影響，這在錨索間、排距部分再進(jìn)行闡述。

2.2

錨固角（錨固傾角）

設(shè)錨索的水平傾角為θ，工程上通常把θ稱為錨固角（見圖1）。按照最大抗滑力與最小投資時(shí)錨固角為最優(yōu)錨固角的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可獲得最優(yōu)錨固角：θ=π/4+ψ/2-α。其中，α為滑動(dòng)面的傾角；ψ為滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角。

實(shí)際鉆孔時(shí)，可通過校正和調(diào)整鉆機(jī)的鉆桿傾角（鉆孔傾角）來控制錨固角；根據(jù)設(shè)計(jì)需要，在終孔驗(yàn)孔時(shí)還要進(jìn)行錨索孔的測斜，其中一項(xiàng)是檢查錨固角是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3錨索間、排距

錨固間、排距的大小不僅取決于被加固巖土體的范圍，還與加固荷載的大小及與錨索內(nèi)錨固段應(yīng)力疊加相應(yīng)的錨固間最小距離有關(guān)。被加固巖土體在預(yù)應(yīng)力錨索作用下，會(huì)在巖土體坡面形成壓應(yīng)力，在內(nèi)錨段形成拉應(yīng)力。因此，在進(jìn)行錨固間、排距設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使外錨墩下巖土體在張拉荷載作用下所產(chǎn)生的壓應(yīng)力能夠搭接而又不能使內(nèi)錨段形成統(tǒng)一的拉裂面。實(shí)際工程中，錨固間、排距可以通過理論公式確定，也可以應(yīng)用數(shù)值模擬方法確定。不過最好的方法還是把理論公式、數(shù)值模擬方法、工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)方法結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)可能更合理一些。

2.4錨固方位角

根據(jù)《水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨索施工規(guī)范》¨引，錨固方位角誤差應(yīng)小于或等于3。。其實(shí)，錨固方位角是一項(xiàng)比較細(xì)小的工程問題，通常被人們所忽略。一般認(rèn)為，錨索孔均與坡面走向線垂直，其實(shí)不然。例如，坡面走向線為曲線時(shí)，錨固方位與坡面走向可能斜交（見圖2）。錨索孔方位角的設(shè)計(jì)不僅與巖層結(jié)構(gòu)面的走向、傾向等有關(guān)，還要考慮到實(shí)際施工中可能出現(xiàn)的問題，種種因素決定錨索孔方位角與坡面走向的垂線方向不一致。實(shí)際工程中，為避免錨固方位角出現(xiàn)錯(cuò)誤，一般用GPS等儀器標(biāo)出方位角，由兩點(diǎn)控制（孔位點(diǎn)和孔位外任意一點(diǎn)）；鉆孔時(shí)，可用地質(zhì)羅盤校正鉆機(jī)的方位來控制錨固方位角。

2.5錨索全長

錨索總長由錨索自由段、張拉段和外露段長度組成；而文獻(xiàn)和則認(rèn)為，錨索總長由孔深、錨墩厚度和張拉用索體長度組成（鋼絞線下料長度）。雖然兩種觀點(diǎn)是一致的，但本人作者則傾向于后一種觀點(diǎn)，因?yàn)樵撚^點(diǎn)更具有可操作性和鮮明性。值得一提的是，對于堆積體錨索而言，錨墩厚度一般都較大，與巖錨錨墩厚度差別很大；而張拉用索體長度必須大于或等于張拉用千斤頂體長、工作（工具）錨厚度和工作（工具）夾片長度三者之和。在進(jìn)行堆積體頇應(yīng)力錨索孔深設(shè)計(jì)時(shí)，錨索必須要穿過堆積體厚度并深入到完整的基巖中。

2.6錨固力、每束錨索所需鋼絞線根數(shù)與錨孔直徑

錨固力的設(shè)計(jì)可參考《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）進(jìn)行。其計(jì)算原理是把錨作用力簡化為作用于坡面上的一個(gè)集中力，錨固力計(jì)算簡圖如圖3所示。按照規(guī)范，設(shè)計(jì)錨固力是根據(jù)邊坡不穩(wěn)定力（下滑力）確定，其計(jì)算公式為

每束錨索所需鋼絞線根數(shù)與錨索孔直徑是由錨固力大小來設(shè)定的，一般地，錨固力越大，錨孔直徑也越大、所需鋼絞線根數(shù)也越多。具體地，錨孔直徑、每束錨索所需鋼絞線根數(shù)的設(shè)計(jì)值要根據(jù)錨索體的截面積來確定，也即錨索孔橫截面積應(yīng)大于等于錨索體截面積或錨索孔徑應(yīng)大于等于錨索體的直徑；而鋼絞線根數(shù)和錨索體截面積可以根據(jù)如下計(jì)算公式確定：

3.案例分析

小灣電站位于云南省大理自治州南澗縣與臨滄地區(qū)鳳慶縣交界處的瀾滄江中段河段，是瀾滄江中下游河段上第二座梯級電站。堆積體邊坡是小灣邊坡工程中的一種典型邊坡，堆積體邊坡可能存在的失穩(wěn)滑動(dòng)面位于堆積體與基巖的接觸面附近。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，堆積體邊坡可能滑動(dòng)面的傾角和堆積體與基巖之間的接觸面傾角一致，即傾角大約為45°；潛在滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角為25°～40°，平均內(nèi)摩擦角為30°；該堆積體邊坡預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段長度設(shè)計(jì)值：設(shè)計(jì)噸位為1000kN的錨索內(nèi)錨固段長為4～6m（實(shí)際值8m），而1800kN的錨索內(nèi)錨段長為5～8m（實(shí)際值10m）；群錨間距×排距設(shè)計(jì)值為5m×4m。此外，根據(jù)現(xiàn)場錨索施工獲悉：錨索的水平傾角為12°左右；錨索體材料抗拉強(qiáng)度f_ptk=1860MPa，單根鋼絞線截面積A=140mm²，設(shè)計(jì)錨固力T_w=1000kN的錨索所需鋼絞線的根數(shù)為7根。

根據(jù)上述所列出的部分參數(shù)，現(xiàn)對堆積體錨索主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比分析如下：

（1）內(nèi)錨固段長內(nèi)錨固段長度過長，會(huì)造成不必要的浪費(fèi)；長度過短又達(dá)不到錨固效果。根據(jù)前文所述，內(nèi)錨固段長度一般由有效長度和安全儲(chǔ)備長度組成，而事實(shí)上內(nèi)錨固段長主要取決于有效長度。故此，筆者主要對錨固的有效長度進(jìn)行了分析研究。通過錨固段軸力、剪應(yīng)力延伸范圍的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)（測試）結(jié)果的對比可知（見表1），小灣電站堆積體邊坡預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段長度：1000kN和1800kN噸位的錨索，內(nèi)錨固段有效長度分別為1.5m和3.5 m即可滿足要求。而1000kN和1800kN錨索內(nèi)錨段長度的設(shè)計(jì)值為4～6m（實(shí)際取值8m）和5～8m（實(shí)際取值10m）。

（2）錨固角小灣電站堆積體邊坡錨索的錨固角一般為12°；同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)，該邊坡的潛在滑動(dòng)面傾角大約為45°、內(nèi)摩擦角為25°-40°（平均值為30°）。根據(jù)前文的最優(yōu)錨固角公式：θ=π/4+ψ/2-α，可計(jì)算出θ=15°（平均值）。由此可知，案例中的設(shè)計(jì)錨固角與最優(yōu)錨固角雖存在差異，但兩者的數(shù)值又較為接近。

（3）錨固間、排距群錨設(shè)計(jì)與施工時(shí)，錨固間、排距是必須要考慮的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)之一。錨固間、排距之間的距離過近，將導(dǎo)致錨固的群錨效應(yīng)，嚴(yán)重的會(huì)造成錨固失效；而錨固間、排距的距離過遠(yuǎn)，又可能起不到聯(lián)合支護(hù)的作用。尤其是松散堆積體，合理的間、排距設(shè)計(jì)往往起到事半功倍的作用。

數(shù)值模擬研究時(shí)發(fā)現(xiàn)（見圖4），錨固間、排距為5m時(shí)較為合理。錨固間、排距為4m時(shí)，坡面形成的壓應(yīng)力疊加區(qū)域有利于邊坡穩(wěn)定，但同時(shí)在內(nèi)錨段又可能產(chǎn)生拉應(yīng)力的疊加區(qū)域，該拉應(yīng)力疊加區(qū)域可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)錨段巖體遭受破壞，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致錨固失效。然而，錨固間、排距增大到5m時(shí)，既會(huì)在坡面形成人們期望的壓應(yīng)力疊加區(qū)域，又不會(huì)在內(nèi)錨段形成拉應(yīng)力疊加區(qū)域，這正是預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)與施工所期望達(dá)到的效果。故此認(rèn)為，堆積體邊坡預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)間、排距以5m為宜。案例中的群錨間距×排距設(shè)計(jì)值為5m×4m，與研究較為吻合。

由以上計(jì)算可知，該設(shè)計(jì)錨索可使用7-8根鋼絞線較為合理；而案例中，1000kN錨索所使用的鋼絞線的根數(shù)為7根。由此，該設(shè)計(jì)計(jì)算較為合理，其他錨索可依此計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

4.結(jié)語

預(yù)應(yīng)力錨索是松散堆積體邊坡支護(hù)中的一種重要的支護(hù)手段，錨索參數(shù)設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到錨索的錨固效果，也勢必會(huì)影響到整個(gè)邊坡工程的穩(wěn)定性。

根據(jù)分析認(rèn)為，堆積體邊坡錨索參數(shù)設(shè)計(jì)中，包括了內(nèi)錨固段長度、錨索間排距和錨固角等7個(gè)方面內(nèi)容，而且這些設(shè)計(jì)參數(shù)都是不可忽略的和極其重要的。把小灣工程堆積體邊坡錨索設(shè)計(jì)參數(shù)與理論設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算對比分析可知，理論計(jì)算得到的錨固設(shè)計(jì)參數(shù)與案例中的實(shí)際錨索設(shè)計(jì)參數(shù)較為吻合。