白立波

（河北平山縣交通運(yùn)輸局公路工程隊(duì)，河北 平山 050400）

0 引言

當(dāng)前，山區(qū)高速公路建設(shè)項(xiàng)目越來越多，而在山區(qū)進(jìn)行高速公路項(xiàng)目建設(shè)時(shí)往往面臨著不同于常規(guī)高速公路項(xiàng)目的特點(diǎn)與難點(diǎn)，尤其是山區(qū)往往具備高邊坡，山體存在不同程度的潛在安全隱患，如滑坡、泥石流等。為保證高邊坡防護(hù)的安全與經(jīng)濟(jì)性，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，其能在保證防護(hù)質(zhì)量的前提下，降低經(jīng)濟(jì)成本，便于實(shí)踐操作。其原理是將山體邊坡所受的傾覆力通過錨索傳遞至深層穩(wěn)定土體處并由其承擔(dān)受力，充分發(fā)揮土體自承力，從而保證邊坡滑移面的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，三維植草網(wǎng)工藝的輔助應(yīng)用，有助于高邊坡土體的局部穩(wěn)定性，并將預(yù)應(yīng)力錨索、植草網(wǎng)以及邊坡土體形成一個(gè)受力整體，協(xié)同作業(yè)，最終達(dá)到高效進(jìn)行邊坡防護(hù)的目的。

1 高速公路高邊坡防護(hù)現(xiàn)狀

錨索采用可回收式形式時(shí)，不僅可在臨時(shí)支護(hù)完成后對其進(jìn)行拆除并回收重復(fù)利用，更解決了邊坡防護(hù)造成的地下空間及建筑垃圾污染問題，同時(shí)不影響后期高速公路的邊坡開發(fā)，因而具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，大量學(xué)者及工程技術(shù)人員對可回收預(yù)應(yīng)力錨索開展了研究。如2012 年，李兆平等[1]對深圳地鐵3 號線停車場工程深基坑支護(hù)的預(yù)應(yīng)力錨索回收方案進(jìn)行了優(yōu)化，并通過數(shù)值模擬和基坑監(jiān)測證明回收方案是可行的。2011年，劉衛(wèi)鐸[2]介紹了深圳市地鐵福田樞紐可回收錨索施工技術(shù)及注意事項(xiàng)。2015年，翁其平[3]采用“整坑圍護(hù)，分階段實(shí)施”的設(shè)計(jì)方法對無錫火車站綜合交通樞紐工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其施工技術(shù)進(jìn)行研究。

綜上所述，可回收錨索具有較多的工程應(yīng)用及研究，但均集中在地下基坑工程中，對在高速公路的高邊坡防護(hù)中使用可回收預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行的研究較少。因此，研究高邊坡防護(hù)工程采用的可回收預(yù)應(yīng)力錨索受力機(jī)理、施工關(guān)鍵技術(shù)具有重要的研究及應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)有利于促進(jìn)其推廣和應(yīng)用。

2 高速公路項(xiàng)目概況

2.1 工程概況

某高速公路建設(shè)項(xiàng)目位于我國西南山區(qū)地帶，路線里程情況為：全長左線18.915km，右線19.866km；其中，屬于全部新建的線路長度為12.894km，右線11.731km；擴(kuò)建左線6.871km，右線8.136km。在該高速公路某區(qū)間段左側(cè)，路基形式采用為挖方路塹，呈現(xiàn)高邊坡形式，最高處達(dá)32m。山體風(fēng)化程度較高，邊坡穩(wěn)定性不足，極易發(fā)生順層坍塌、滑層等病害，威脅高速公路的建設(shè)安全與使用功能。為保證邊坡穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合三維植草網(wǎng)進(jìn)行邊坡防護(hù)加固。

2.2 可回收預(yù)應(yīng)力錨索簡介

本高速公路邊坡防護(hù)工程中采取的可回收式錨索為高壓旋噴錨索。該可回收錨索由鋼絞線、波紋套管、錨板、注漿體和外錨頭組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。鋼絞線一端固定在冠梁位置，一端固定在錨板上，錨板埋在灌漿體中，張拉鋼絞線，鋼絞線受力并將拉拔力傳遞給錨固段的鋼絞線和錨板，鋼絞線和錨板通過其與注漿體之間的機(jī)械咬合力和摩擦力將力傳遞給周圍的注漿體，最后錨固段的注漿體通過剪應(yīng)力將力傳遞給周圍的土體。

圖1 高邊坡防護(hù)錨索結(jié)構(gòu)示意圖

本高速公路工程采用的可回收預(yù)應(yīng)力錨索端部構(gòu)造如圖2所示。在高邊坡結(jié)構(gòu)施工完成后，在錨索末端施加一個(gè)較大的拉拔力，錨索末端的夾具失效，從而在對周圍土體不產(chǎn)生較大的擾動的情況下，將錨索逐根抽出，實(shí)現(xiàn)錨索的回收。

圖2 可回收錨索端部實(shí)物圖

3 錨索數(shù)值模擬受力分析

本高速公路工程所采用的可回收預(yù)應(yīng)力錨索的錨固體傳力機(jī)制為：在壓力注漿階段，通過擠壓注漿體，使注漿體產(chǎn)生膨脹，注漿體產(chǎn)生膨脹擠壓周圍土體，使注漿體和土體均處于三向受力狀態(tài)。錨固段的應(yīng)力傳遞一般包括以下3種：①黏結(jié)作用，其主要由灌漿體與錨索之間的物理作用產(chǎn)生；②機(jī)械鎖制作用，其主要由錨索表面的螺紋與灌漿體之間的機(jī)械咬合作用產(chǎn)生；③摩擦作用。

3.1 數(shù)值模型的建立

為研究高速公路邊坡中應(yīng)用可回收預(yù)應(yīng)力錨索的可行性與操作性，分析其具體的受力機(jī)制與力學(xué)行為，本文采用有限元軟件對高速公路工程中采用的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行模擬分析。在高速公路工程使用的預(yù)應(yīng)力錨索中，對其自由端采用波紋管將注漿體與錨索隔離開，因此，只考慮錨接觸面破壞。采用彈簧單元模型模擬接觸關(guān)系，接觸面的法向剛度和切向剛度取其值為1 010Pa/m。

邊界條件：在巖土體模型底部及頂部施加Z方向的位移約束，在模型側(cè)面施加X、Y兩個(gè)方向的約束。

數(shù)值模型：取錨固體的長度為6m，巖土體的長度取錨固體長度的1.2 倍，巖土體取底面半徑為3m 的圓，錨固體半徑取300mm，具體模型及網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分后的1/4有限元模型

3.2 結(jié)果分析

基于上述數(shù)值模型進(jìn)行模擬，通過計(jì)算分析錨固體軸向應(yīng)力與剪應(yīng)力分布，結(jié)果如下：

（1）對比本文與文獻(xiàn)[4]中的計(jì)算結(jié)果可知：本文中錨固體的應(yīng)力分布、軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力的數(shù)值及變化趨勢與文獻(xiàn)[4]中接近，表明本文建立的模型準(zhǔn)確可靠，可用于研究錨固體及巖土體的應(yīng)力分布規(guī)律。

（2）由模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，錨固體的軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力分布是不均勻的，隨著深度增加而減小，在錨固遠(yuǎn)端一定范圍內(nèi)，錨固體的應(yīng)力幾乎為零。表明當(dāng)錨固體的長度超過一定值時(shí)，再通過增加錨固體長度對提高錨索承載力非常有限。

（3）錨固體應(yīng)力較大的區(qū)域集中在錨固體端部的一段范圍內(nèi)，該范圍以外的錨固體應(yīng)力均較小。錨固體端部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，在現(xiàn)場施工中需密切關(guān)注錨固體端部一定范圍內(nèi)灌漿的施工質(zhì)量。

4 預(yù)應(yīng)力錨索施工關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索采用跳打法進(jìn)行施工。即先打第一組的兩根錨索，然后隔兩根錨索打第二組的兩根錨索，后期打中間的第三組錨索，以此類推進(jìn)行其他區(qū)域的錨索施工。預(yù)應(yīng)力錨索在實(shí)際施工時(shí)，按照下面的施工工藝進(jìn)行施工：放點(diǎn)和復(fù)核點(diǎn)位→移動機(jī)器到指定位置→調(diào)整鉆機(jī)的角度→錨索的套管清洗→錨索制作→帶錨索噴漿下沉→下沉至設(shè)計(jì)底標(biāo)高→錨固段位置噴漿提升→自由段位置直接提升→樁體養(yǎng)護(hù)。

4.1 場地條件

護(hù)坡樁施工完畢，樁體混凝土強(qiáng)度達(dá)到10MPa 以上；錨桿施工前，四周挖土至錨桿位置以下0.5m，并保證離護(hù)坡樁10m范圍內(nèi)平坦。

4.2 設(shè)備選擇及成孔方式

根據(jù)每道錨桿地層條件，錨桿施工需選用普通螺旋錨桿鉆機(jī)、氣泵風(fēng)鉆鉆機(jī)、水鉆鉆機(jī)其中一種或多種鉆機(jī)組合施工，且三種鉆機(jī)均具備帶套管跟進(jìn)成孔功能。根據(jù)土層性質(zhì)確定干、濕作業(yè)，鉆孔直徑150mm，孔深24m/20m/17m，成孔角度為10°。如遇中細(xì)砂、卵石等易塌孔土層，安裝護(hù)壁套管設(shè)備鉆進(jìn)。

4.3 錨桿桿體加工與安裝

在本高速公路的邊坡防護(hù)實(shí)踐中，采用的預(yù)應(yīng)力錨索為鋼絞線制作，型號為7股5絲，抗拔力為1 860MPa。在現(xiàn)場場地充裕地帶進(jìn)行錨桿體下料，自由段相應(yīng)地涂抹黃油，再采取塑料管防護(hù)。錨桿體兩端用膠帶密封，底部為方便鉆孔時(shí)進(jìn)入，應(yīng)將其束緊牢靠。桿體放置時(shí)，同步將注漿管跟隨桿體放入，注漿管一般固定于錨桿孔定位架的中心處，以保證不被破壞。錨索桿體放入成孔過程應(yīng)保持緩慢勻速，盡量避免孔壁坍塌或發(fā)生纏繞。

4.4 注漿

預(yù)應(yīng)力錨索放置完成后，應(yīng)及時(shí)采取合適型號的注漿泵實(shí)施注漿工作，使其產(chǎn)生作用力。本次錨桿的錨固段設(shè)計(jì)強(qiáng)度為20MPa。錨桿注漿分2 次實(shí)施，第一次注漿壓力約0.4MPa，以鉆孔洞口出漿為停注標(biāo)志。完成第1 次注漿后，待靜置約1h 后，實(shí)施第2 次注漿，此時(shí)采取重力式灌漿法，并再次注漿至孔口出漿。需要注意的是，第1次注漿過程中需要同步將護(hù)壁套管緩慢拔出孔洞，并將注漿情況實(shí)時(shí)記錄。

4.5 安裝錨具、張拉

預(yù)應(yīng)力錨索注漿完成后，即進(jìn)行錨具安裝及預(yù)應(yīng)力施加操作。施加預(yù)應(yīng)力能保證錨索產(chǎn)生預(yù)拉力，能夠抵消高速公路邊坡土體產(chǎn)生的主動土壓力，提升防護(hù)效果。錨具以及夾片等安裝流程與常規(guī)工藝相同，不再贅述。需要注意的是，錨桿張拉的前提是錨索錨固段的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上方能進(jìn)行，不可提前進(jìn)行張拉操作。正式張拉前進(jìn)行1～2 次的試張拉，消除非彈性變形，并使各部件連接緊密，桿體順直。張拉過程采取間隔進(jìn)行，減少張拉施工對鄰近錨索的影響。每個(gè)錨索張拉時(shí)采取分級施加拉力的方式，其逐級加載次序如表1。

表1 張拉加載次序

4.6 錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)

為檢查錨桿施工質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，錨桿施工完畢后，請第三方檢測單位現(xiàn)場隨機(jī)抽取每種錨桿總數(shù)的3%進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。

5 三維植草網(wǎng)噴播技術(shù)

該技術(shù)是目前常用邊坡坡面復(fù)綠與防護(hù)技術(shù)之一，其能起到有效的高邊坡防護(hù)功能。該技術(shù)主要是在高陡巖質(zhì)邊坡構(gòu)建適合植被生長的環(huán)境，噴灑播種土工合成和人工活性植物種子的混合物，然后利用生長起來植物的根系加筋對坡面進(jìn)行加固和保護(hù)，具體見圖4。

圖4 三維植被網(wǎng)噴播護(hù)坡示意

該技術(shù)傳入我國后，已有許多專家學(xué)者對其進(jìn)行研究和實(shí)踐，并取得了一定的成果，如羅藝偉等[5]、劉曉鵬[6]等主要探討研究了該技術(shù)在使用過程中的程序和工作要領(lǐng)；徐一斐等[7]通過研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，利用三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)能夠有效地減少水土流失，增加高巖質(zhì)邊坡的植被覆蓋率。由此可知，在高速公路高邊坡防護(hù)工程中，應(yīng)用三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)能從生態(tài)環(huán)境角度增強(qiáng)土體自穩(wěn)定性，降低土體滑坡的概率，從而提高高速公路高邊坡的防護(hù)效果。

6 結(jié)論

本文結(jié)合我國西南山區(qū)地帶某高速公路建設(shè)項(xiàng)目的高邊坡防護(hù)工程實(shí)踐，闡述了基于預(yù)應(yīng)力錨索與三維網(wǎng)植草的高速公路高邊坡防護(hù)，得出以下結(jié)論：

（1）在高速公路邊坡防護(hù)工程中采取的可回收式錨索為高壓旋噴錨索，具有較好的綜合效益，能達(dá)到邊坡防護(hù)目的。

（2）當(dāng)錨固體長度超過一定值時(shí)，增加錨固體長度對提高錨索承載力非常有限；在現(xiàn)場施工中需密切關(guān)注錨固體端部一定范圍內(nèi)灌漿的施工質(zhì)量。

（3）在高速公路高邊坡防護(hù)工程中，應(yīng)用三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)能從生態(tài)環(huán)境角度增強(qiáng)土體自穩(wěn)定性，降低土體滑坡的概率，從而加強(qiáng)高邊坡防護(hù)效果。