全粘結(jié)型錨桿加固山區(qū)公路邊坡的原理和方法

2010年06月28日 10:12:17人氣：1142來源：杭州三思儀器有限公司

鄧長(zhǎng)平周長(zhǎng)壽

（江西省高等級(jí)公路管理局南昌 330046）

摘要：全粘結(jié)型錨桿能提高邊坡巖土體的整體強(qiáng)度和剛度、抑制巖土體沉陷和加固局部不穩(wěn)

定塊體，文章從這3個(gè)方面論述其作用機(jī)理，并舉例說明其在山區(qū)高等級(jí)公路邊坡支護(hù)中的廣

泛應(yīng)用與實(shí)際效果。

關(guān)鍵詞：道路工程；全粘結(jié)型錨桿；加固；作用機(jī)理；

前言

伴隨著我國(guó)山區(qū)高等級(jí)公路的大量興建，經(jīng)常發(fā)生在施工期、營(yíng)運(yùn)期的公路邊坡病害成為困擾公路建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位的zui棘手問題，同時(shí)也成為巖土工程界的探討熱點(diǎn)。有的公路邊坡在施工期間幾經(jīng)變更，數(shù)次削坡，反復(fù)治理，仍然不能從根本上消除安全隱患。這種情況的出現(xiàn)至少反映了兩個(gè)問題：其一，巖土邊坡治理是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程；其二，巖土工程師沒有掌握足夠有效的地質(zhì)數(shù)據(jù)從而導(dǎo)致選取的治理措施有失偏頗。

1 傳統(tǒng)的邊坡防治技術(shù)

傳統(tǒng)的邊坡防治措施在治理工程地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)邊坡時(shí)總會(huì)暴露或多或少的局限性。護(hù)面墻主要適用于土質(zhì)邊坡的小型滑塌和水土流失的防治；擋土墻對(duì)于加固高度不超過10m的人工邊坡通常十分有效，它在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的自然邊坡面前的作用將大大減弱；抗滑樁僅適用于主滑方向和滑床面已知的邊坡防護(hù)，并且要求巖土工程師準(zhǔn)確掌握滑坡體不同部位巖土的物理力學(xué)性質(zhì)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，然而原狀巖土試樣的選取并非易事，這將嚴(yán)格制約抗滑樁的應(yīng)用范疇?？傊?，傳統(tǒng)的被動(dòng)型支擋技術(shù)已經(jīng)受到越來越多的挑戰(zhàn)。

2 邊坡治理新技術(shù)

由于被動(dòng)型的邊坡支擋技術(shù)在治理工程地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的邊坡時(shí)常常效果不佳，因此探索和發(fā)現(xiàn)新型的邊坡治理措施成為巖土工程師們刻不容緩的職責(zé)。zui終，掛網(wǎng)錨噴技術(shù)，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)和全粘結(jié)型錨桿技術(shù)等主動(dòng)型的邊坡治理措施應(yīng)運(yùn)而生。掛網(wǎng)錨噴技術(shù)是一種基于鐵路隧道施工“新奧法”（the New Austrian Tunelling method）原理而移植到公路邊坡防護(hù)體系中來的，它對(duì)于加固表層風(fēng)化破碎的硬質(zhì)巖石邊坡非常有效，觀測(cè)資料和原位試驗(yàn)結(jié)果表明它同樣可以應(yīng)用到許多軟巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡中，其有效影響深度可達(dá)到3m。預(yù)應(yīng)力錨索可以有效地改善邊坡巖土體的力學(xué)指標(biāo)，同時(shí)利用預(yù)加應(yīng)力提高滑動(dòng)面的法向應(yīng)力，進(jìn)而提高抗滑力，改善剪應(yīng)力的分布狀況，其zui大加固深度可達(dá)30m。全粘結(jié)型錨桿類似于預(yù)應(yīng)力錨索的工作原理，它可以抑制地表10m范圍內(nèi)的淺層滑坡和崩塌，這種地表錨桿與砂漿共同組成錨固體，錨固作用是通過錨桿與砂漿之間的握裹力，砂漿與巖土體之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的，這可以從加固時(shí)的施工過程和施工完成后砂漿與錨桿共同發(fā)揮作用兩個(gè)階段來認(rèn)識(shí)，前者的主要功能在于提高巖土體的整體強(qiáng)度和剛度（，值），后者在于增強(qiáng)巖土體的摩擦阻力和抑制巖土體的沉陷滑移^[1]。

3 全粘結(jié)型錨桿加固邊坡的作用機(jī)理分析

3.1提高巖土體整體強(qiáng)度和剛度的作用機(jī)理與量化分析

首先往錨桿孔中灌注砂漿，砂漿壓力使部分漿液以一定的擴(kuò)散半徑順著巖土體節(jié)理裂隙或孔隙滲透擴(kuò)散，布置合理的錨桿孔距將使注漿擴(kuò)散范圍相互重疊，形成網(wǎng)狀膠結(jié)體，從而大大提高巖土體的強(qiáng)度和剛度，即巖土體的抗壓強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角，凝聚力有較大的提高，錨桿布置間距應(yīng)保證在注漿擴(kuò)散半徑范圍的兩倍之內(nèi)，從而確保理想的加固效果。錨桿平面布置如圖1所示：

圖1

巖土加固前后的凝聚力分別為，，內(nèi)摩擦角分別為，，單軸抗壓強(qiáng)度分別為，，并令，分別表示等效凝聚力和單軸抗壓強(qiáng)度的增大系數(shù)，即

（1）

根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析，、可按下式計(jì)算:

（2）

（3）

其中，，，，，，為巖土類別，d_w為錨桿直徑，

為有效錨固長(zhǎng)度（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果），為錨桿抗拉強(qiáng)度，為水泥砂漿抗壓強(qiáng)度，為地表zui大容許沉陷寬度，為zui大容許沉陷深度。等效內(nèi)摩擦角和等效抗剪強(qiáng)度則為^[2]

（4）

（5）

3.2抑制巖土體沉陷的作用機(jī)理

全粘結(jié)型錨桿通過砂漿對(duì)錨桿的剪力傳遞而使錨桿處于受拉狀態(tài)，對(duì)一般軟巖可以認(rèn)為錨桿與圍巖具有相同位移從而略去它們之間相對(duì)變形。錨桿軸力沿全長(zhǎng)并非均布的，錨桿中存在一中性點(diǎn)，該點(diǎn)剪應(yīng)力為零，兩端錨桿受有不同方向的剪力，中性點(diǎn)上錨桿拉應(yīng)力（軸力）zui大，在兩端點(diǎn)處為零。通常認(rèn)為錨桿應(yīng)變與位移沿方向的變化梯度成正比

（6）

為錨固孔與周圍巖土體的剪移剛度系數(shù)

），故錨桿上任意點(diǎn)的位移為：

（7）

其中為塑性區(qū)半徑，為錨固前邊坡面位移值，為單孔砂漿擴(kuò)散半徑，為垂直坡面進(jìn)入巖土體的錨桿長(zhǎng)度。

3.3加固不穩(wěn)定塊體

利用錨桿的抗剪作用阻止局部不穩(wěn)定塊體的滑落，錨桿作用形成開挖面的受力環(huán)區(qū)并將開挖面的高應(yīng)力延伸到邊坡面深處，改善“巖石-混凝土結(jié)構(gòu)體系”的承重效果，起到鎖定巖石共同受力的作用。錨桿的這種作用效果類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，但它的發(fā)揮程度與不穩(wěn)定塊體的動(dòng)力勢(shì)密切相關(guān)。單位體積的孤立塊體密度大，質(zhì)量大，向下滑落的潛在勢(shì)能就大，錨桿的抗剪功能無疑就會(huì)得到削弱，充分利用它的抗剪功能依賴于錨桿的表面分布，由于邊坡面的錨桿排布形式與間距是一定的，這在某種意義上抑制了抗剪作用的*發(fā)揮。

4 應(yīng)用實(shí)例

江西省泰贛高速公路C7標(biāo)K236+830-K237+020左側(cè)路塹邊坡表層為殘坡積亞粘土，厚.0m-6.0m，下部為黃褐色、青灰色的千枚狀板巖，巖層傾向與坡向基本一致。巖體破碎，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，巖性軟弱，抗風(fēng)化能力差，自穩(wěn)能力相當(dāng)差，邊開挖邊掉塊。設(shè)計(jì)文件的錨索施工已經(jīng)完成90%，只剩下*級(jí)的部分錨索未施工，此時(shí)在第三級(jí)坡面以上發(fā)現(xiàn)多處裂縫及局部坍塌，業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理四方共同討論決定拆除*級(jí)錨索，保留第二和第三兩級(jí)錨索，對(duì)第三級(jí)錨索以上山體削方減載并采用直徑25mm，間距2.0m的錨桿進(jìn)行加固。典型錨桿的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2

取 =210Mpa，C30砂漿，錨孔直徑0.11m，錨桿長(zhǎng)度 =9m， =30Mpa，將這些數(shù)據(jù)代入以上公式得全粘結(jié)型錨桿加固邊坡前后的力學(xué)參數(shù)比較如表1所示，巖土體的抗剪強(qiáng)度顯著提高，增加近1.5倍。

表1 錨桿加固前后巖土力學(xué)指標(biāo)變化

比較項(xiàng)	C（MPa）	φ （°）	R_b（MPa）	τ（MPa）
加固前	0.34	32	2.3	1.59
加固后	0.43	53.4	2.6	3.93
增加量	26.50%	66.90%	13.00%	147%

施工過程中可以采用全粘結(jié)型錨桿加鋼筋砼框格架（如圖3）的方法。具體的作法是：

圖3

1、按照設(shè)計(jì)坡率開挖坡面，注重邊坡清理與修整；2、采用風(fēng)鉆或鉆機(jī)無水鉆孔，清孔；3、設(shè)置錨桿并加壓（0.4MPa）注漿，必須保證錨桿嵌入巖面以下至少5m，各級(jí)防護(hù)中的錨桿A與B為兩種不同桿長(zhǎng)交替設(shè)置；4、在砂漿充分凝固后扎網(wǎng)，現(xiàn)澆鋼筋砼框格，錨桿端部彎托并與縱橫梁骨架筋間逐點(diǎn)綁扎；5、在框格內(nèi)培土植草。當(dāng)路塹為可植草土質(zhì)時(shí)，采用挖槽澆注框格，坡面直接噴播草籽的辦法。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過一年的通車營(yíng)運(yùn)表明，用全粘結(jié)型錨桿治理的公路邊坡的穩(wěn)定性非常好，沒有發(fā)現(xiàn)任何局部失穩(wěn)跡象。相對(duì)其它邊坡支擋技術(shù)來說，全粘結(jié)型錨桿技術(shù)具有以下特點(diǎn)：技術(shù)要求不高，適用面廣泛，材料搬運(yùn)量小，消耗人工少而且兼顧環(huán)境美化的要求。故值得我們?cè)谏絽^(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB50086-2001.錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 劉佰瑩,姚祖康主編.公路設(shè)計(jì)工程師手冊(cè)[Z].北京:人民交通出版社.

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