1、1预应力锚索在边坡加固工程中的应用 * 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+341.891K0+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
2、夹泥岩。本区地震基本烈度为度。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 =1200kPa；锚索45i80kPaic张拉钢材与水泥砂浆的极限黏结应力 u=3000kPa；表面地层基本承载力 =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
3、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 1.051.4倍计算，下滑推力采用传递系数法计算，算式如下：（1）iiihziiiiiihziiii LcKCWTKCWKT tan)s(cos)cossn( 1iiiii tann()co11（2）式中：T i第 i 个条块末端的下滑推力(kN m)；K安全系数，可采用 1.051.25；此工点取 1.15；* 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
4、，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 029-82349363，手机 13991256759，Email：，邮编 710054。2Wi笫 i 个条块滑体的重力 (kNm)；第 i 个条块所在破裂面的倾角()；i第 i-1 个条块所在破裂面的倾角()；1i第 i 个条块所在破裂面上的内摩擦角 ()；i第 i 个条块所在破裂面上的单位黏聚力 (kPa)；icLi第 i 个条块所在破裂面的长度(m)；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
5、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）costansi/FP式中 F滑坡下滑力(kN)，其中： ，A 锚索纵向间距 (m) ； TFP设计锚固力(kN)；破裂面内摩擦角()；锚索与破裂面相交处破裂
6、面倾角() ；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245值，以下倾为宜，不宜大于 45，一般为 1530。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
7、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）NPt3式中：P t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 15.2mm 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
8、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 () 45下滑力 F(KN) 10295.718 破裂面倾角 () 55锚索与水平面的夹角 () 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 u(kPa) 3000 锚孔壁对砂浆的极限
9、剪应力 (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 () 90 表面地层基本承载力 (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
10、。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=1.44m21.358m2，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 410m 。（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）ustsadPFl2（2）按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度 la，即4（6）htsadP
11、Fl2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)； u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) ；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 Fs22.5；临时性锚固时 Fs21.5。图 1 工点 K0+341.891K0+425 设计图5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
12、 l00 150mm，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
13、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）sintPA式中： 锚墩底面与锚索的夹角； 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.
