范一平

（太原公路分局，山西 太原 030012）

0 引言

壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索與常規(guī)拉力型錨索內(nèi)錨固段受力機理不同，壓力型錨索的錨固體沿軸向承受壓應(yīng)力，改善了錨固段附近的應(yīng)力狀態(tài)，有利于將錨固力分散傳遞于地層深部，從而極大提高了錨索的承載能力，擴大了其在各類地層條件的適用范圍[1-3]。同時，由于錨索采用無黏結(jié)鋼絞線，通過保護束體可提高邊坡支護工程的耐久性。目前，關(guān)于壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索的理論研究較多，而結(jié)合工程實際的可操作性研究還略顯不足，阻礙了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[4-7]。本文結(jié)合工程實例對壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)說明，可為今后類似工程實踐提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

國道108線改線工程雙向四車道，設(shè)計速度80 km/h，路基寬度為24.5 m。其中，K309+990—K310+110段，路面設(shè)計標(biāo)高1 029.60 m，地面標(biāo)高1 040.49～1 070.63 m，為挖方路塹段，平均下切深度10 m左右，最大下切深度30 m。

1.1 地形、地貌

本段工程位于太行山山脈向內(nèi)蒙古高原過渡地帶的低中山區(qū)，境內(nèi)丘陵遍布，溝壑縱橫，河道交錯，地形破碎，侵蝕溝谷廣布，地勢總體西南高、東北低，地形坡角30°～55°。

圖1 國道108改線K309+990—K310+110全貌

1.2 工程地質(zhì)條件

本段路線周圍太古界五臺系地層廣泛出露，為經(jīng)受多期變形變質(zhì)及局部混合巖化作用的巖系，主要地層自上而下分布如下：

a）第四系全新統(tǒng)雜填土（Q4ml）分布于串嶺村西、上寨河畔或小支溝中。灰褐色，雜色，主要由生活垃圾和少量建筑垃圾組成，含有機質(zhì)成分多和淺灰白色長英巖塊石或滾石。結(jié)構(gòu)物質(zhì)成分不均勻，填齡短，不足5年，厚0.5～1.0 m。

b）第四系上更新統(tǒng)砂礫石夾粉土（Q3al+pl）分布于串嶺村西上寨河谷中，灰黃色、灰白色，結(jié)構(gòu)疏松，上部為含砂量高的粉土，下部為砂礫層，礫徑一般3～5 cm，大者10～20 cm，見少量塊石，礫石多呈半渾圓狀-棱角狀，厚1.0 m左右。

c）第四系上更新統(tǒng)粉土（Q3al+pl）分布于山區(qū)低凹帶及溝谷畔，土黃色、灰黃色，結(jié)構(gòu)較疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙構(gòu)造，局部夾粗砂或砂礫石透鏡體，厚0.5 m。

d）五臺系石咀群莊旺組（Wsz）主要分布在測區(qū)上寨河兩側(cè)低中山區(qū)，據(jù)地質(zhì)測繪和鉆孔揭露，在剖面山梁地帶為厚層狀黑云角閃斜長片麻巖，夾薄-厚層狀斜長角閃巖，灰綠色，灰褐色，中-細(xì)粒結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，塊狀構(gòu)造，由灰黑色角閃石及灰白色斜長石組成，見少量黑云母片，暗色礦物似定向排列，沿層面多見云母碎片，巖層總體傾向NW290°～295°，傾角28°～30°。在黑云角閃斜長片麻巖中見較多不穩(wěn)定的順厚片理或片麻理貫入的長石石英脈，呈灰白色，乳白色，粗粒結(jié)構(gòu)，偉晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，由長石石英組成，長石、石英各占近一半，見極少量云母。

1.3 邊坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)本路段所在地區(qū)的地層巖性、節(jié)理裂隙特征和產(chǎn)狀、軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)等工程地質(zhì)條件，結(jié)合工程設(shè)計方案對路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，得出安全系數(shù)為1.03，不滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）關(guān)于路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.20的要求，需對其進(jìn)行加固處理。

圖2 邊坡支護設(shè)計圖

2 工程優(yōu)化設(shè)計

本項目原設(shè)計方案為：一號邊坡采用“斜率法刷坡+一級擋土墻+三級拉力型預(yù)應(yīng)力錨索+截排水措施”。結(jié)合工程詳勘資料，通過邊坡穩(wěn)定性計算得出錨索軸力設(shè)計值，在非正常工況Ⅱ進(jìn)行錨固力設(shè)計，得出邊坡總錨固力pd不應(yīng)小于1 598.4 kN/m，每根錨索的設(shè)計錨固力不應(yīng)小于532.8 kN。由于錨索所需提供的設(shè)計承載力較大，且邊坡地層巖質(zhì)破碎，采用拉力型錨索工程安全系數(shù)較低，且存在一定的施工難度。因此，對邊坡加固方案進(jìn)行優(yōu)化，即將拉力型預(yù)應(yīng)力錨索改為壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索。錨索仍采用Φ15.2高強度低松弛鋼絞線，錨固段分兩個單元，每個單元長度均為4 m，鉆孔直徑150 mm，傾角為20°，具體設(shè)計計算過程如下。

2.1 鋼絞線面積驗算

單孔所需錨索截面面積A可根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）條款5.5.5計算[8]，則邊坡按照設(shè)計錨固力所需錨索面積為：

式中：K1為安全系數(shù)，高速公路永久性錨桿取2.0，根據(jù)錨索面積A可得出需要鋼絞線根數(shù)n為4.33根，取6束鋼絞線可提供775.6 kN的錨固力，可滿足設(shè)計要求。

2.2 孔徑驗算

壓力型錨索需對錨固體承壓面積進(jìn)行驗算，使得錨索孔徑和注漿體強度滿足錨索的抗拉承載力要求?！稁r土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》對該部分驗算內(nèi)容有所規(guī)定[9]：

式中：Kp為錨固段局部抗壓安全系數(shù)，取2.0；Nt為軸力設(shè)計值，取280 kN（兩個單元體）；Ap為單元錨桿承載體與錨固段注漿體橫截面的凈接觸面積，取0.015 3 m2；Am為注漿體的橫截面積，取1/4·π·D2=0.0177 m2；η為強度增大系數(shù)，取2.0；fc為錨固體軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，M40水泥凈漿取40.0 MPa。

滿足設(shè)計要求。

2.3 錨固體長度驗算

注漿體與地層間黏結(jié)長度可根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）條款5.5.6計算：

式中：K2為安全系數(shù)，高速公路永久性錨桿取2.1；frb為地層與注漿體間黏結(jié)強度，強風(fēng)化片麻巖根據(jù)規(guī)范取330 kPa，優(yōu)化設(shè)計方案單元錨固長度為4 m，滿足規(guī)范要求。

2.4 錨索入射角度優(yōu)化

一般在錨索設(shè)計中推薦采用15°～30°之間的合理值，原邊坡設(shè)計方案中錨索與水平面的夾角為15°，但根據(jù)最優(yōu)錨固角度β優(yōu)=θ-（45+φ/2），可得到最優(yōu)錨固角為33°。錨索入射角太小不便于成孔和注漿施工，而角度過大又會減小抵抗水平荷載的有效分力?？紤]到邊坡原設(shè)計方案預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段位于強風(fēng)化巖層中，調(diào)整錨索角度可利于采用更短的距離進(jìn)入穩(wěn)定巖層，因此將錨索入射角優(yōu)化為25°。

3 工程驗證

工程項目實施前，首先在現(xiàn)場開展了兩次壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索拉拔試驗。試驗中加載方式都是將最大荷載分為5級，逐級加載、卸載，每級荷載加、卸之后均保持3 min左右，然后讀取千斤頂荷載讀數(shù)和錨頭位移值。本次試驗得到錨索的張拉荷載最大值達(dá)到733 kN，較設(shè)計計算值高出35%以上。試驗完成后將每級荷載與其對應(yīng)的彎沉值點繪在直角坐標(biāo)系中，通過直線或曲線回歸得到錨索張拉Q—S曲線如圖3所示。從圖中可以看出，每級張拉荷載與錨頭位移基本都呈線性增長關(guān)系，但當(dāng)張拉荷載恢復(fù)到30%后，錨頭位移并不能相應(yīng)恢復(fù)到原點，加載和卸載曲線形成若干滯回圈。該滯回特性是由鋼絞線和錨墊板底部土體的塑性變形無法恢復(fù)引起的，表現(xiàn)出隨著荷載級別的增大，塑性位移也呈逐漸增大的趨勢，滯回曲線性狀也越飽滿。同時，各滯回曲線上方的加載曲線斜率基本相同，說明錨索工作狀態(tài)仍處在彈性階段，承載能力還有較大的提升空間。

圖3 錨索Q-S曲線

4 結(jié)語

a）壓力分散型錨索錨固體承受分布壓力荷載，與拉力型錨索相比可有效減小應(yīng)力集中，充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能，且由于采用無黏結(jié)鋼絞線，在提升鋼絞線耐久性的同時，在設(shè)計計算過程中無需考慮鋼絞線與錨固體之間的黏結(jié)強度驗算，因此特別適用于在巖質(zhì)較差或土質(zhì)地層中采用。

b）當(dāng)前設(shè)計規(guī)范中都未能反映壓力分散型錨索的工程特性，僅在《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》中考慮了對其錨固體進(jìn)行局部受壓的強度驗算，而采用傳統(tǒng)拉力型錨索計算方法計算壓力型錨索的承載力，計算結(jié)果偏差較大，建議進(jìn)一步加以研究。