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

白立波

（河北平山縣交通運輸局公路工程隊，河北 平山 050400）

0 引言

當(dāng)前，山區(qū)高速公路建設(shè)項目越來越多，而在山區(qū)進行高速公路項目建設(shè)時往往面臨著不同于常規(guī)高速公路項目的特點與難點，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。為保證高邊坡防護的安全與經(jīng)濟性，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，其能在保證防護質(zhì)量的前提下，降低經(jīng)濟成本，便于實踐操作。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，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受力整體，協(xié)同作業(yè)，最終達到高效進行邊坡防護的目的。

1 高速公路高邊坡防護現(xiàn)狀

錨索采用可回收式形式時，不僅可在臨時支護完成后對其進行拆除并回收重復(fù)利用，更解決了邊坡防護造成的地下空間及建筑垃圾污染問題，同時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的預(yù)應(yīng)力錨索回收方案進行了優(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。2015年，翁其平[3]采用“整坑圍護，分階段實施”的設(shè)計方法對無錫火車站綜合交通樞紐工程進行設(shè)計，并對其施工技術(shù)進行研究。

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中使用可回收預(yù)應(yīng)力錨索進行的研究較少。因此，研究高邊坡防護工程采用的可回收預(yù)應(yīng)力錨索受力機理、施工關(guān)鍵技術(shù)具有重要的研究及應(yīng)用價值，同時有利于促進其推廣和應(yīng)用。

2 高速公路項目概況

2.1 工程概況

某高速公路建設(shè)項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)計采用預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合三維植草網(wǎng)進行邊坡防護加固。

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，實現(xiàn)錨索的回收。

圖2 可回收錨索端部實物圖

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機械鎖制作用，其主要由錨索表面的螺紋與灌漿體之間的機械咬合作用產(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)值模型進行模擬，通過計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[4]中的計算結(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[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，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，以此類推進行其他區(qū)域的錨索施工。預(yù)應(yīng)力錨索在實際施工時，按照下面的施工工藝進行施工：放點和復(fù)核點位→移動機器到指定位置→調(diào)整鉆機的角度→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。

4.1 場地條件

護坡樁施工完畢，樁體混凝土強度達到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、氣泵風(fēng)鉆鉆機、水鉆鉆機其中一種或多種鉆機組合施工，且三種鉆機均具備帶套管跟進成孔功能。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°。如遇中細砂、卵石等易塌孔土層，安裝護壁套管設(shè)備鉆進。

4.3 錨桿桿體加工與安裝

在本高速公路的邊坡防護實踐中，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。錨桿體兩端用膠帶密封，底部為方便鉆孔時進入，應(yīng)將其束緊牢靠。桿體放置時，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)及時采取合適型號的注漿泵實施注漿工作，使其產(chǎn)生作用力。本次錨桿的錨固段設(shè)計強度為20MPa。錨桿注漿分2 次實施，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，實施第2 次注漿，此時采取重力式灌漿法，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壁套管緩慢拔出孔洞，并將注漿情況實時記錄。

4.5 安裝錨具、張拉

預(yù)應(yīng)力錨索注漿完成后，即進行錨具安裝及預(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度達到設(shè)計強度的75%以上方能進行，不可提前進行張拉操作。正式張拉前進行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行，減少張拉施工對鄰近錨索的影響。每個錨索張拉時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 錨桿驗收試驗

為檢查錨桿施工質(zhì)量是否達到設(shè)計要求，錨桿施工完畢后，請第三方檢測單位現(xiàn)場隨機抽取每種錨桿總數(shù)的3%進行驗收試驗。

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)綠與防護技術(shù)之一，其能起到有效的高邊坡防護功能。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行加固和保護，具體見圖4。

圖4 三維植被網(wǎng)噴播護坡示意

該技術(shù)傳入我國后，已有許多專家學(xué)者對其進行研究和實踐，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)項目的高邊坡防護工程實踐，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，得出以下結(jié)論：

（1）在高速公路邊坡防護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，能達到邊坡防護目的。

（2）當(dāng)錨固體長度超過一定值時，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)境角度增強土體自穩(wěn)定性，降低土體滑坡的概率，從而加強高邊坡防護效果。