李廣俊， 張 榮， 南 林， 馮曼曼， 孟 旭， 葉瑩瑩

(1.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司， 重慶 400067； 2.云南省交通發(fā)展投資有限責(zé)任公司， 昆明 650228)

錨固技術(shù)是利用巨大的錨固力改變邊坡坡體應(yīng)力狀態(tài)、調(diào)用坡體自穩(wěn)能力的一種主動(dòng)加固方法[1-2]。它安全穩(wěn)定、輕巧美觀，綜合造價(jià)及社會(huì)效益優(yōu)于傳統(tǒng)的重型支擋結(jié)構(gòu)[3-4]，在各類邊坡加固工程中應(yīng)用廣泛。但目前相關(guān)規(guī)范針對(duì)邊坡錨索加固設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，即錨固體與邊坡巖土體之間的粘結(jié)強(qiáng)度如何通過基本試驗(yàn)合理獲得，并無參照的詳細(xì)計(jì)算過程；查閱既有研究成果，基于基本試驗(yàn)結(jié)果的分析方法也不夠明確，這在一定程度上阻礙了錨索在邊坡加固方面的推廣應(yīng)用[5]。

為此，本文以廣東某高速公路類土質(zhì)邊坡為對(duì)象，開展錨索基本試驗(yàn)研究，提出錨索錨固不同注漿工況下的錨固體與巖土體粘結(jié)強(qiáng)度分析方法，并應(yīng)用該分析方法在不同試驗(yàn)孔的錨索基本試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用分析和結(jié)果驗(yàn)證，以便更好地為設(shè)計(jì)提供依據(jù)[6]。

1 工程概況

案例邊坡位于廣東某高速公路埡口地帶，邊坡高83 m。據(jù)勘察報(bào)告和現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，該高邊坡地形地貌復(fù)雜，坡體巖性主要由全風(fēng)化花崗巖構(gòu)成，含水量較大，工程地質(zhì)條件較差，花崗巖風(fēng)化深度達(dá)50 m以上，坡體內(nèi)含有大量的巨型球狀風(fēng)化核。地勘揭露邊坡地層由上而下主要情況：1) 坡面坡積物表層為粉土，稍密，含少量中粗砂，為坡積成因；2) 全風(fēng)化花崗巖，灰黃色，巖芯呈砂土狀，遇水軟化；3) 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，黃褐色，粗粒結(jié)構(gòu)，巖芯呈半巖半土狀、塊狀，巖體完整性較差，強(qiáng)度較低。

由于高邊坡巖土體強(qiáng)度總體較低，且坡高大，邊坡整體存在深層滑動(dòng)的可能，因此須對(duì)該高邊坡采取必要的防護(hù)措施。邊坡采取分級(jí)開挖，放緩坡比的方法施工。邊坡共分為9級(jí)，其中1～5級(jí)坡率為1∶1，6～9級(jí)坡率為1∶1.25，1級(jí)邊坡高為8 m，2級(jí)及以上每級(jí)坡高10 m，第2、5級(jí)邊坡設(shè)平臺(tái)，寬度分別為8 m、10 m，其余邊坡平臺(tái)寬度為2 m。除此之外，還在第3、4、6級(jí)邊坡分別設(shè)計(jì)施加了3排錨索，第1級(jí)邊坡設(shè)置鋼錨管格梁支護(hù)，第2、5、7、8級(jí)邊坡采用錨桿格梁支護(hù)。

2 試驗(yàn)錨索

試驗(yàn)錨索是相對(duì)現(xiàn)場實(shí)施后的工作錨索而言的，本實(shí)例工程專門設(shè)置了6孔用于基本試驗(yàn)的錨索，以便開展基本試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)分析為邊坡加固設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨索基本試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)[7]。為更好地取得錨索體的客觀技術(shù)參數(shù)，并考慮不同施工工藝對(duì)錨索錨固力的影響及貢獻(xiàn)作用[8]，本次試驗(yàn)錨索共設(shè)置2組，每組3孔，共6孔錨索，每孔錨索均為4根鋼絞線。其中，1號(hào)組為1次注漿的3孔，2號(hào)組為2次注漿的3孔，其錨固段長度分別為2.0 m、3.0 m、4.0 m，自由段長度均為5 m。試驗(yàn)錨索的具體參數(shù)情況如表1所示，6孔試驗(yàn)錨索的巖土體及施工注漿情況如表2所示。

表1 試驗(yàn)錨索參數(shù)Table 1 Test cable parameters

表2 試驗(yàn)錨索巖土體參數(shù)Table 2 Parameters of rock-soil body of test cable

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)錨索與工程錨索采用相同的鋼絞線，即由4根Φ15.24 mm低松弛高強(qiáng)度(1 860 MPa)鋼絞線編制。試驗(yàn)錨索成孔完成后，先將編制好的錨索鋼絞線束置入孔中，后進(jìn)行注漿，漿體為M30水泥砂漿，并加入早強(qiáng)減水劑。

1次注漿的3孔試驗(yàn)錨索，平均注漿壓力為1.2 MPa～2 MPa，注滿回漿后將注漿壓力穩(wěn)定在2 MPa；2次注漿的3孔試驗(yàn)錨索，在1次注漿的基礎(chǔ)上，2次注漿壓力為3 MPa～4 MPa，進(jìn)油閥關(guān)閉后，壓力穩(wěn)定在3 MPa。

本次試驗(yàn)控制的時(shí)間要求、加載方法、破壞條件、極限荷載的確定等，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)附錄C中關(guān)于錨桿錨索試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3 錨固體與巖土體粘結(jié)強(qiáng)度τ的計(jì)算方法

試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^試驗(yàn)錨索拉拔試驗(yàn)以求得錨索水泥漿錨固體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度值[9]，其計(jì)算方法根據(jù)錨索自由段是否注漿分為以下2種：

3.1 自由段不注漿

此時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度值τ即取試驗(yàn)破壞荷載的95%作為其極限荷載，并按下式求?。?/p>

(1)

式中：Ru為錨索體極限荷載，kN，取試驗(yàn)破壞荷載的95%作為其極限荷載，即Ru=P×95%，其中P為試驗(yàn)所得的錨索體破壞荷載；D為錨索體(孔)直徑，m，6孔試驗(yàn)錨索孔徑均為0.13 m；L0為錨固段長度，m；τ為錨固體與巖土體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，kPa。

3.2 自由段注漿

此工況下，錨索體的極限抗拉荷載由錨固體與周圍巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度和自由段注漿體對(duì)其極限抗拉荷載2部分組成[10]，故在由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算推求錨固體的粘結(jié)強(qiáng)度τ時(shí)，應(yīng)充分考慮自由段注漿體對(duì)錨索極限抗拉荷載的貢獻(xiàn)。

6根試驗(yàn)錨索中，有5根錨索自由段注了漿，自由段注漿體也提供了一定的極限抗拉荷載，其注漿長度如表1所示。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，可采用以下2種方法。

1) 方法1：將錨固段注漿體和自由段注漿體分別計(jì)算

5孔錨索體自由段注了漿，因此，其錨索體的極限抗拉力由2部分組成：

一是錨固體的錨固力，即由錨固體周圍的粘結(jié)強(qiáng)度提供的錨固體極限荷載Rm，該極限荷載是本次試驗(yàn)需要求得的數(shù)值，按下式確定：

Rm=π·D·L0·τ

(2)

式中：Rm為錨固體極限抗拉荷載，kN；L0為錨固段長度，2組錨索的錨固段長度分別為2 m、3 m和4 m。

二是由自由段注漿形成的水泥漿體與周圍地層的粘結(jié)強(qiáng)度[11-12]。該粘結(jié)強(qiáng)度是本次試驗(yàn)要剔除的數(shù)值，因此，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果分析，以求得該段的粘結(jié)強(qiáng)度值，并在最終確定錨固段粘結(jié)強(qiáng)度予以剔除考慮。

假設(shè)自由段注漿體與周圍巖土層之間的粘結(jié)強(qiáng)度為Rz(kN/m)，根據(jù)本次試驗(yàn)1次注漿和2次注漿的2組錨索，結(jié)合各組試驗(yàn)錨索的相應(yīng)參數(shù)，可按下式分別求得2組施工條件下錨索自由段與周圍巖土層之間的粘結(jié)強(qiáng)度Rz：

Rui=Rz×Lz+Rm=Rz×Lz+L0×τ×π×D

(3)

如對(duì)于S1-1號(hào)試驗(yàn)錨索，錨固段長度L0=2 m，則

Ru1=Rz×Lz+Rm=Rz×Lz+2×τ×π×D

(4)

對(duì)于S1-2號(hào)試驗(yàn)錨索，錨固段長度L0=3 m，則

Ru2=Rz×Lz+Rm=Rz×Lz+3×τ×π×D

(5)

對(duì)于S1-3號(hào)試驗(yàn)錨索，錨固段長度L0=4 m，則

Ru3=Rz×Lz+Rm=Rz×Lz+4×τ×π×D

(6)

式中：Lz為各孔試驗(yàn)錨索的自由段注漿長度；Ru1、Ru2和Ru3分別為試驗(yàn)實(shí)測的3根極限抗拉荷載，kN，取試驗(yàn)破壞荷載的95%作為其極限荷載，即Rui=Pi×95%，其中Pi為試驗(yàn)所得的錨索破壞荷載。

對(duì)于2次注漿的3孔試驗(yàn)錨索，同樣可得上述3個(gè)公式。以該3個(gè)公式中的任意2個(gè)組成方程組，求解即可得到錨索自由段與周圍巖土層之間的粘結(jié)強(qiáng)度Rz。另外，由于錨固段的極限粘結(jié)強(qiáng)度要大于自由段的極限粘結(jié)強(qiáng)度，故要求Rz≤τ×π×D。

當(dāng)Rz求得后，可由式(3)反算求得錨固體與地層巖土間的極限粘結(jié)強(qiáng)度值τ：

(7)

2) 方法2：將自由段注漿體等同于錨固段注漿體計(jì)算

計(jì)算時(shí)，將自由段注漿體看作錨索段，這時(shí)錨索的錨固段長度即為實(shí)際錨固段長度與自由段注漿體長度之和[13]，并按上述2種方法分別進(jìn)行計(jì)算。

通過對(duì)所試驗(yàn)的2組共6孔錨索拉拔試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行整理，得到各錨索的破壞荷載及極限荷載，如表3所示。

表3 試驗(yàn)錨索拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Drawing-test results of test cable

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)計(jì)算過程分析

4.1.1 2次注漿的3孔錨索粘結(jié)強(qiáng)度τ計(jì)算

1) 方法1：將錨固段注漿體和自由段注漿體分別計(jì)算

將表3中2次注漿的3孔試驗(yàn)錨索(編號(hào)分別為S2-1、S2-2和S2-3)的極限荷載值結(jié)合各孔錨索相應(yīng)的幾何參數(shù)，代入式(3)中，并兩兩聯(lián)立方程組求解，得Rz=74.2 kN/m、150.6 kN/m和-16.1 kN/m，其中負(fù)值為異常現(xiàn)象，實(shí)際計(jì)算時(shí)將該數(shù)值剔除，而將另2個(gè)Rz計(jì)算值求平均值采用，即Rz=(150.6+74.2)÷2=112.4 kN/m。將該值分別對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)錨索，可分別求得各試驗(yàn)錨索錨固段與周圍巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度值τ，即S2-1號(hào)、S2-2號(hào)、S2-3號(hào)試驗(yàn)錨索τ值分別為303.80 kPa、359.95 kPa、273.37 kPa。

對(duì)于S2-3號(hào)試驗(yàn)錨索，由于在試驗(yàn)過程中未將其拉至破壞，其實(shí)際的破壞荷載必然大于上述計(jì)算過程所采取受限的破壞荷載600 kN，這也是造成上述計(jì)算結(jié)果中S2-3號(hào)試驗(yàn)錨索的粘結(jié)強(qiáng)度明顯低于S2-1號(hào)試驗(yàn)錨索和S2-2號(hào)試驗(yàn)錨索粘結(jié)強(qiáng)度的主要原因。因此，在實(shí)際分析時(shí)應(yīng)將S2-3號(hào)試驗(yàn)錨索的計(jì)算結(jié)果予以剔除，僅根據(jù)S2-1號(hào)試驗(yàn)錨索和S2-2號(hào)試驗(yàn)錨索的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

對(duì)于S2-1號(hào)試驗(yàn)錨索和S2-2號(hào)試驗(yàn)錨索粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，按安全原則，應(yīng)取τ=τmin，即這時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度值τ的平均值為303.80 kPa。

2) 方法2：將自由段注漿體等同于錨固段注漿體計(jì)算

按該方法可求得：S2-1號(hào)、S2-2號(hào)、S2-3號(hào)試驗(yàn)錨索τ值分別為293.13 kPa、359.95 kPa、273.80 kPa。

同理，將S2-3號(hào)試驗(yàn)錨索的計(jì)算結(jié)果予以剔除，僅根據(jù)S2-1號(hào)和S2-2號(hào)試驗(yàn)錨索的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。按安全原則，應(yīng)取τ=τmin，即取S2-1號(hào)和S2-2號(hào)試驗(yàn)錨索粘結(jié)強(qiáng)度的最小值，則這時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度值τ的平均值為293.13 kPa。

據(jù)上可知，按上述2種計(jì)算方法求得的粘結(jié)強(qiáng)度值303.80 kPa與293.13 kPa相差不大，實(shí)際計(jì)算時(shí)，可取τ=293.13 kPa。

根據(jù)上述計(jì)算分析可知，2種方法計(jì)算結(jié)果相差并不大，但方法2更符合工程實(shí)際力學(xué)狀態(tài)，且結(jié)果對(duì)于工程實(shí)際而言還稍偏安全，故推薦在實(shí)際工程中采取方法2較為合適。

4.1.2 1次注漿的3孔錨索粘結(jié)強(qiáng)度τ計(jì)算

對(duì)于1次注漿的3孔試驗(yàn)錨索，按式(3)計(jì)算自由段注漿體與周圍巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度，則所求得自由段注漿體與周圍巖土體之間粘結(jié)強(qiáng)度均為負(fù)值，這與實(shí)際不符。這時(shí)可采用上述的方法2，即將1次注漿3孔試驗(yàn)錨索的自由段注漿體作為錨固體計(jì)算。

據(jù)此，將表3所示的各試驗(yàn)錨索極限荷載值代入式(2)，分別求解可得1次注漿的3孔試驗(yàn)錨索錨固段與周圍巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度值τ為：S1-1號(hào)為294.5 kPa；S1-2號(hào)為106.1 kPa；S1-3號(hào)為180.7 kPa。

上述結(jié)果中，S1-2號(hào)試驗(yàn)錨索的計(jì)算結(jié)果偏小，為異常值，實(shí)際分析時(shí)應(yīng)予以剔除。同樣，按安全原則，對(duì)于S1-1號(hào)和S1-3號(hào)試驗(yàn)錨索的試驗(yàn)結(jié)果，取τ=τmin，由此可得1次注漿的3孔試驗(yàn)錨索的錨固段與周圍巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度值τ應(yīng)為180.7 kPa。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，1次注漿的3孔試驗(yàn)錨索，其錨固段與周圍巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度平均值τ遠(yuǎn)小于2次注漿的錨固效果。另外，從表3可知，相同錨固段長度的試驗(yàn)，2次注漿的3孔試驗(yàn)錨索的極限抗拉荷載均要遠(yuǎn)大于與之相對(duì)應(yīng)的1次注漿的3孔試驗(yàn)錨索的極限抗拉荷載。

4.2 2種注漿工況試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合該高邊坡實(shí)際工程中錨索的設(shè)計(jì)荷載370 kN，如按1次注漿的結(jié)果，即τ=180.7 kPa，并結(jié)合工程實(shí)際錨索的錨固段長度L0=9 m進(jìn)行計(jì)算，則工程實(shí)際錨索的極限抗拉荷載P為：

P=L0×π×τ×D=9×3.14×180.7×0.13=663.86 kN

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于土層錨索，錨固段通常難以全部發(fā)揮錨固效用，故在此將實(shí)際工作錨索的錨固段長度以8 m計(jì)，即有錨索的極限抗拉荷載P為：

P=L0×π×τ×D=8×3.14×180.7×0.13=590.09 kN

則這時(shí)的安全系數(shù)K為：

K=590.09÷370=1.59

即當(dāng)錨索實(shí)際錨固長度為8 m時(shí)，這時(shí)的安全系數(shù)K達(dá)不到規(guī)范中規(guī)定的2.0～2.2的要求。

如按2次注漿試驗(yàn)錨索并按方法1的計(jì)算結(jié)果，即τ=293.13 kPa，錨固段長度同樣取8 m，則工程實(shí)際錨索的極限抗拉荷載P為：

P=L0×π×τ×D=8×3.14×293.13×0.13=957.24 kN

則這時(shí)的安全系數(shù)K為：

K=957.24÷370=2.59

這時(shí)，工程錨索的安全系數(shù)不僅完全可滿足規(guī)范所規(guī)定的要求，還更為安全。如要將安全系數(shù)控制在規(guī)范所規(guī)定的2.0～2.2的范圍，則還可以適當(dāng)提高工程實(shí)際錨索的張拉荷載。

對(duì)于工作錨索的實(shí)際張拉噸位，可采用回歸方程進(jìn)行計(jì)算，但由于1次注漿及2次注漿的6孔試驗(yàn)錨索的拉拔試驗(yàn)結(jié)果僅各有3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)不足，難以建立良好的回歸關(guān)系，且相對(duì)較為離散，如采用回歸方程求解，精度將較低，回歸系數(shù)不高。通過上述方法求解得到的該邊坡地層與注漿錨固體之間的粘結(jié)強(qiáng)度值τ為通過不同錨固段長度的錨索拉拔試驗(yàn)結(jié)果，并取相對(duì)最小值(τ=τmin)得到的，其結(jié)果是偏于安全的，也是相對(duì)合適的[14]。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，工作錨索的實(shí)際張拉荷載可適當(dāng)提高，如考慮將荷載提高至450 kN，則這時(shí)的安全系數(shù)K為：

K=957.24÷450=2.13

根據(jù)現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50330—2013)，2.13的安全系數(shù)也是滿足規(guī)范要求的[15]。

對(duì)本文實(shí)際案例邊坡，在設(shè)計(jì)時(shí)即是采用本文提出的方法2，并適當(dāng)提高了張拉噸位。實(shí)踐證明，該方法是有效且可靠的，可為類似工程借鑒參考。

5 結(jié)束語

1) 根據(jù)1次注漿和2次注漿的2組錨索試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可知，2次注漿錨索的粘結(jié)強(qiáng)度值普遍大于1次注漿，表明2次注漿能夠大大提高錨索的極限抗拉強(qiáng)度，且注漿壓力也對(duì)錨索抗拉強(qiáng)度具有重要影響，建議盡可能采用2次注漿工藝，并保證足夠的注漿壓力。

2) 通過對(duì)錨索粘結(jié)強(qiáng)度2種計(jì)算方法的對(duì)比研究，結(jié)果表明2種方法計(jì)算結(jié)果相差較小，但方法2更符合工程實(shí)際力學(xué)狀態(tài)，且結(jié)果對(duì)于工程實(shí)際而言還稍偏安全，故推薦在實(shí)際工程中采取方法2(即將自由段注漿體等同于錨固段注漿體計(jì)算)較為合適。

3) 在保證施工工藝及滿足規(guī)范要求的條件下，可適當(dāng)提高工作錨索的張拉噸位，以提高錨索錨固力。

4) 針對(duì)依托工程的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨索處于較軟弱巖土體(全-強(qiáng)風(fēng)化類土質(zhì)邊坡)中時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的預(yù)應(yīng)力損失，故建議在初始張拉鎖定的1個(gè)月后，再次對(duì)其進(jìn)行1次補(bǔ)張拉，以保證錨索預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。