浅谈预应力锚索加固技术在公路边坡治理中的应用

摘 要：锚固防护作为一种原位岩土体加固方法已成为应用广泛的直接防护方法之一。在岩土中采用锚固技术可充分发挥岩土自身的能量、积极调用岩土体自身强度和自稳能力、提高施工过程的安全性和时效性、有效控制岩土体的变形及显著降低工程造价等诸多优点。其中预应力锚索加固技术在公路边坡治理过程中的应用日益广泛。首先着重从锚固技术作用机理进行分析；再详细对预应力锚索的分类、构造形式进行了论述，同时对预应力锚索中新型的压力分散型锚索技术在公路边坡中的实际施工应用中进行了分析、探讨。

关键词：公路；边坡治理；预应力锚索加固；技术

1 锚固技术作用机理

1.1 锚固机理

锚固技术是利用锚杆或锚索与岩体密贴所产生的摩阻力来阻止岩块向下滑移的一种拦挡加固措施，通过锚杆或锚索把斜坡软弱结构面切割成板状岩体从而组成一个稳定的结合体。锚固作用的基本原理就是依靠锚索（锚索）周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。

锚固技术可以很好的保证边坡稳定性，体现在两个方面：一方面预应力锚索或锚杆减少了下滑力；另一方面锚索或锚杆增加了潜在滑面上的法向力，从而增大了潜在滑面的摩擦阻力。由于在岩土体内部存在着一定长度和密度的预应力锚索或锚杆，当他们与土体共同作用时，会弥补岩体自身强度的不足。对于预应力锚索或锚杆构成的复合体，主动制约岩土体破坏，它不仅弥补了岩土体抗拉抗剪强度低的弱点，而且有效地提高了岩土体整体刚度，同时使岩土体自身结构强度潜力得以充分发挥，改变了边坡变形和破坏性状，提高了边坡土体的整体稳定性。

1.2 锚固力的概念

关于锚固力，规范中将锚固力定义为锚索对于地层的约束力，锚索作用于地层的力可分为径向和切向两个方向，径向锚固力含托锚力和黏锚力。托锚力是托板对锚索孔口及附近地层的挤压作用力，托锚力的大小有锚索所加预应力和锚索工作状态所决定，最大托锚力就是锚索拉拔试验时的最大拉拔力。黏锚力是由于地层深部与浅部变形的差异锚索通过黏结剂对地层施加的黏结力（剪切作用力），黏锚力的反作用力就是锚索体内的轴力。切向锚固力是由于锚索体贯穿弱面，改善了弱面的力学性质，限制地层沿弱面滑动和张开的力。

关于抗拔力，作为受拉杆件的锚索，其承受拉力的能力，取决于两个方面：一方面取决于预应力筋的截面积和抗拉强度；另一方面则取决于锚固体的抗拔力。由于锚固体的抗拔力事先不易准确确定，它与锚固体几何形状、传力方式、锚固体与周边地层的黏结摩阻强度及上层覆层厚度等因素有关系，因此锚固体的抗拔力是影响单根锚索极限承载力的关键所在。

1.3 锚固作用形式

通过锚固，岩土体进入塑性变形阶段后，预应力锚索或锚杆自身的作用逐渐增强，从而改善了复合岩土体塑性变形和破坏性状。预应力锚索或锚杆在锚固中的作用有以下4个方面。首先，约束骨架作用具有约束岩土体的作用，使复合岩土体构成一个有机的整体。其次，分担作用在边坡岩土体内部，预应力锚索或锚杆共同抵抗外荷载作用和岩土体自重的应力。当岩土体开裂时，预应力锚索或锚杆的分担作用更为显著，这时预应力锚索或锚杆出现弯剪、拉剪等复合应力，从而导致胶结材料碎裂。钢筋或锚索屈服，使复合岩土体变形延迟，避免岩体在短时间内整体性破坏和发生大规模的坍塌或滑坡，再次，应力传递与扩散作用在相同荷载作用下，锚固边坡岩土体应变水平比岩土边坡低，推迟了开裂域的形成和进一步发展。最后，对坡面变形有约束作用。在锚固坡面上布设钢筋网并喷射混凝土面层进行保护，能够有效地保持坡面岩土体的强度和稳定性，使坡面表层岩土体不易被水流冲刷，岩石的风化程度也得以遏制，从而对边坡坡面变形起到了约束作用。

2 预应力锚索类型

2.1 预应力锚索结构设计组成

用于稳定滑坡的预应力锚索是将锚索的锚固段设置在滑动面（或潜在滑动面）以下的稳定地层中，在地面通过反力装置（桩、框架、地梁或锚墩）将滑坡推力传入锚固段以稳定滑坡，所以预应力锚索的设计包括了锚索本身的设计和反力装置的设计两部分。

2.2 锚索的类型

2.2.1 按荷载传递方式分：（1）直孔摩擦型锚索（包括拉伸型锚索、压缩型锚索）；（2）支承型锚索；（3）摩擦—支承复合型锚索。

2.2.2 只有一种传力方式且自由段单一的锚索称为单一锚索，最常见的为摩擦型拉力锚索，这是目前使用最广的一种锚索。这种类型的锚索结构简单、施工方便。但受力状态传力机制不够合理，在锚固段的上部产生应力集中，沿锚固段长度摩阻应力分布不均匀，锚固段长度超过10m后对提高锚固力已经没有明显效果，不利于防锈蚀。所以近年来出现了单孔复合型锚索。凡是（一束锚索）有两种以上传力方式或由自由段不同的钢绞线组成的锚索称为单孔复合锚索。单孔复合锚索类型主要有：拉力分散型锚索；压力分散型锚索；拉压混合型锚索；扩孔型锚索（孔底扩大型锚索、糖葫芦型扩孔锚索）；孔底膨胀锚索；孔底设机械内锚头的锚索。

复合锚固系统的优点是沿整个锚固段长度应力分布相对比较均匀，能充分发挥围岩（土）与锚索砂浆体之间的摩擦阻力、地层的承载力，从而可大幅度地提高锚索的锚固力。由于复合型锚索各单元的自由段长度不一致，在张拉锁定时应进行补偿张拉，使得各单元体的钢绞线受力均匀，原则上对各根钢绞线施加的预应力值与其自由长度成正比例关系。

2.2.3 压力分散型无粘结新型锚索

锚索的内锚头在受拉时将在某一段内产生应力集中，同时内锚头在拔出时产生的剪胀会导致内锚段砂浆体开裂破坏。若采用压力型或分散型的内锚头，则可以改善内锚段的应力状态，提高内锚段的可靠性，从而为减少内锚段的长度创造条件。压力分散型锚索由于受力机制较拉力型锚索合理因而在同等条件下的承载力更大，它能初步改善岩土力学传递性能。该种锚索结构的特点是利用设在锚固端孔底部的承压板将无粘结锚索拉力转化为砂浆体的压力，并将压力传递给岩土体。无论是砂浆体还是岩土体的受压性能均远远大于其受拉性能，因此它的整体受力性能优于拉力型锚索。拉力分散型，压力分散型和拉压分散型锚索可以看作由多个拉力型和压力型锚索按某种要求组合在一起，共同发挥作用的结果，它能改善拉力型或压力型锚索预应力过于集中地通过唯一的一个锚固段砂浆体传递给岩土体，由于应力过大容易造成该段砂浆体或岩土体的破坏的弱点，使预应力分散在若干个承载体中，这样在总预应力不变的前提下，减小了每段岩土体的应力值，充分发挥和利用了岩土体的整体力学性能。

压力分散型锚索与拉力型和压力型锚索相比，具有以下优势：

（1） 压力分散型锚索灌浆体受压，锚固力分散在各锚固段，改善了内锚固段的受力状态，可以消除拉力型锚索锚固段上部拉应力集中导致锚固段产生渐进性破坏后顾之忧。

（2） 压力分散型锚杆具有自身独特的传荷机理。传统的拉力型锚杆在承受拉力荷载后直接将拉力通过钢筋或钢绞线传递至锚固段砂浆体，使得锚固段砂浆体处于二维拉应力状态，不利于发挥材料的强度；而压力分散型锚杆受荷后会通过无粘结钢绞线将拉力荷载分散作用到各个承载体上，再通过承载体将分散的荷载以压力的形式传递给其前端的锚固段砂浆体。这种新的传荷机制一方面使得锚固段砂浆体发生膨胀而处于三维压应力状态，改善了锚索的受力性能；另一方面由于荷载被分散而大大降低了锚索锚固段砂浆体与孔壁周围岩土体之间的应力峰值，因此有利于充分调动岩土体自身的强度潜能，提高锚索的承载能力。

（3） 压力分散型锚索可充分发挥围岩的围压效应，提高围岩及接触面的抗剪强度，改善加固边坡中软弱夹层的力学性质。

（4） 压力分散型锚索比拉力型锚索防腐效果好，因为压力分散型锚索的锚索体使用的是全长无粘结型钢绞线，具有多层防锈防腐功能，即使砂浆保护层产生裂缝，钢绞线由于有聚乙烯保护层和防腐涂料层的保护，也不会因为水和空气进入而产生锈蚀，而拉力型锚索在砂浆保护层产生裂缝后，由于水和空气与钢绞线接触极易锈蚀，因此，对于卸荷裂隙和构造裂隙发育的边坡，压力分散型锚索更能显示其优越性。

（5） 压力分散型和压力型锚索相比较而言，压力型锚索由于将预应力集中在锚固段承载体部位，容易导致砂浆体局部破坏，尤其在承载板上部0到0.3m范围内的浆体容易受压破坏导致预应力损失，而压力分散型锚索将施加的预应力比较均匀地分散在整个锚固段上，使砂浆体应力应变峰值减小，锚固体不易破坏，因此压力型锚索主要用于锚固荷载不太大和锚固段岩体工程性质较好的情况，而压力分散型锚索则尤其适用于锚固段岩土体工程性质较差而锚固荷载较大的情况。

（6） 从施工技术角度考虑，压力分散型锚索结构将一个集中拉力转化成几个分散的压力，降低了有效锚固段单位面积上的剪应力，充分利用有效锚固段，缩短了锚固段长度，这样可以节省工程材料，此外压力分散型锚索注浆工序可以一次完成，而且不需要区分锚固端和张拉自由段，减少了施工工序，大大缩短施工工期，降低工程造价。

（7） 在复杂地基和软弱地基等地质条件下，压力分散型预应力锚索依靠承载板传递锚固力，对钢绞线与浆体的粘结力没有很高的要求，降低了不可靠因素，可以提供更大的锚固力。

（8） 在相同有效锚固段长度的情况下，就塑性滑移前的抗拔力而言，采用受压锚头比受拉锚头要提高约20%，因而使用压力分散型锚索，对解决松散、破碎岩土体的锚固力不足，是一种很有效的手段。

从以上几方面可以看出压力分散型锚索凭借着合理的受力性能和良好的工程适用性，在公路边坡加固岩土工程中获得了越来越广泛的应用。压力分散型锚索取代传统的拉力型锚索是预应力锚索技术发展的趋势。该锚索结构新颖，受力机理较复杂，通常采用工程类比的方法，将锚固荷载设计为锚索钢绞线标准强度或条件屈服限的50%左右，锚固单元间距不小于4m，锚索间距根据工程惯例一般取4m—6m。压力分散型锚索构造简图分布及锚索框架如图1、2所示：

3.1 工程背景

S303屏南城关（佳垄环岛）至厦地段公路工程垭口段K4+800～K4+900地处丘陵地貌，线路两侧均为边坡开挖区，长约80m，路轴线边坡最大开挖深度约35m，横向地形变化较大，自然坡度约20～30°，地表植被较发育。根据地质情况，开挖边坡上部为约1.0m厚素填土，其下为粉质粘性土，厚度约0.6米；其下为残积粘性土，厚度约8.50～11.40米；全风化凝灰熔岩，厚度约11.10～15.00米；其下为砂土状强风化凝灰熔岩，厚度约13.10～14.30米。全风化花岗岩组织结构完全破坏，砂土状强风化花岗岩原岩结构大部分破坏，碎块状强风化花岗岩原结构清晰辨认、岩体差异风化显著，钻孔揭示厚度大于1.05m，下伏中风化花岗岩。因边坡高陡，砂土状强风化花岗岩和碎块状强风化花岗岩层间富集水，是高边坡的软弱带，该边坡最高约42.0米，属类土质边坡，边坡需深层加固。

3.2 工程加固处理措施

第一阶坡率1：1.0，8m高C15片石砼挡墙（坡率1：0.75），边坡第一阶挡墙坡脚设置间距5米排水平孔，孔深30米，上仰角8～15°。

第二阶坡率1：1.0，采用压力分散型锚索框架加固处理，单孔设计拉力700KN，锚固段进入中风化层不小于8米，框架及两侧采用液压客土喷播。

3.3 压力分散型锚索的施工

压力分散型锚索是预应力锚索框架的重要构件，其施工质量是否达到设计要求，直接关系到整个工程的成败必须采取科学的施工方法和有效的技术措施，确保锚索的质量和施工工期。锚索施工主要有2大环节，一是锚孔成孔，二是锚孔注浆，锚孔成孔的技术关键是如何防止孔壁坍塌、卡钻；注浆的技术关键是如何将孔底的空气、岩（土）沉渣和地下水体排出孔外，保证注浆饱满密实。主要采取以下方法和技术措施。

（1）压力分散型锚索施工流程：施工准备锚孔钻造锚筋制安锚孔注浆锚筋张拉锁定锚孔验收封锚。

（2） 采用TOP—MC型、KRS4053型和MD一50型水平钻机，以及高频潜孔锤和0DEX扩钻具，十字导向棒冲击钻进成孔，保证钻孔顺直，确保锚索孔成孔质量和成孔速度。

（3）冲击和旋转相结合。高边坡、滑坡上进行锚索钻孔，严禁开水钻进，以防循环水进入坡体，进一步加大高边坡、滑坡险情并影响锚固效果，所以采用干钻方式，以冲击为主，较软地层用牙轮钻头旋转钻进。高压风出渣。拟配备英格索兰VHP一700型空压机，输送压力为1.2MPa，风量为20m3/h。

（4）采用反向压浆工艺，确保锚孔浆液饱满。反向压浆工艺是指压浆管下到孔底。由内向外压浆，防止正向压浆（由孔口向孔底压浆）中常出现的弊病--排气管堵塞、锚固段底部有压缩空气或滞留泥水而造成浆液不饱满，不能保证灌浆质量。

（5）采用钻孔电视监测技术，及时了解孔内地层变化.滑动带位置及钻孔是否顺直。

（6）消除粉尘，保护施工环境。在施钻锚索孔时，若不采取消尘排渣措施，冲击钻时将使施工现场粉尘弥漫，岩渣乱飞，造成环境污染，影响交通视线。因此将在钻机上安装专用集尘器，用排渣软管将岩渣、粉尘引入特制水箱中消尘，降低对施工环境的污染和对现场施工用车行驶安全的影响。

3.4 压力分散型锚索施工注意事项

（1）锚索施工前，验证锚固地层及锚固段长度是否能满足抗拔要求，并根据试验结果调整锚固段设计长度。必要时调整锚孔直径。

（2）锚索材料采用高强度、低松弛的 15.2 mm钢绞线，标准强度为1860 MPa。并要求顺直、无损伤、无死弯。

（3）锚固段必须除锈、除油污，按设计要求绑扎分线环；自由段除锈后，涂抹黄油并立即外套波纹管，两头用铁丝扎紧。并用电工胶布缠封。

（4）锚索下料采用砂轮切割机切割，避免电焊切割。考虑到锚索张拉工艺要求，实际锚索长度要比设计长度长2.0m，即锚索长度L锚=L锚固段+L自由段+2.0 m（张拉段）。

（5）锚索孔位测放力求准确，偏差不得超过±5cm，钻孔倾角允许误差±1°；考虑沉碴的影响，为确保锚索（杆）深度，实际钻孔深度要大于设计深度0.2～1.0m。

（6）锚索成孔严禁开水钻进，以确保锚索（杆）施工不至于恶化边坡岩体工程地质条件。钻进过程中应对每孔地层变化（岩粉情况）、进尺速度（钻速、钻压等）、地下水情况以及其他特殊情况作现场记录。若遇塌孔，应立即停钻，进行固壁处理。

（7）成孔后的锚孔直径不得小于设计值。钻孔完成之后必须使用高压空气（风压0.2加0.4MPa）将孔中岩粉或地下水全部清除至孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩体的粘结强度。

（8）锚索孔内灌注水泥砂浆，水灰比0.4～0.45，灰砂比1：1，采用从孔底到孔口返浆式注浆，灌浆压力为0.4～0.5MPa。确保孔内浆液能满，砂浆强度不低于25MPa，待锚固体及桩身混凝土强度达到设计强度后，方可进行锚索张拉、锁定、封闭锚头。机具切除多余的钢铰线，严禁电割，并留10mm的钢铰线以防拽滑，最后用C20混凝土封闭锚头。其中锚固段遇土质或砂土状强风化岩层且富水时应采用二次高压劈裂注浆法来提高地层锚固力。

（9）对于压力分散型锚索，因各单元锚索长度不同，张拉应注意严格按设计次序分单元采用差异分步张拉，根据设计荷载和锚筋长度计算确定差异荷载，并根据计算的差异荷载进行分单元张拉。

（10）锚索张拉前必须对张拉设备进行标定，根据锚索设计荷载值。锁定荷载值，锚索张拉分5级进行，分别为设计荷载的0.25、0.5、0.75、1.00、1.2倍。除最后一级需要稳定10～20 min外，其余每级需要稳定5 min，并分别记录每一级钢绞线的伸长量，在每一级稳定时间里读锚头位移3次，待锚索预应力无明显衰减时再锁定。

3.5 边坡加固效果

本边坡加固点自竣工后，对该地段高边坡作了10组现场锚索抗拔试验，试验参照中国工程建设标准化协会标准《土层锚杆设计与施工规范》及《锚杆喷射混凝土支护技术规范》的要求，压力分散型锚索的锚固力基本满足设计要求。截止目前该边坡保持完好，证明该施工方案技术可行。

4 结语

在分析边坡锚固技术机理的基础上，对预应力锚索中的压力分散型锚索的结构性能进行了阐述，压力分散型锚索相对于传统的预应力锚索具有更大的作用优势。同时引入压力分散型锚索在实际工程应用的例子，证明了这种锚索在加固公路边坡中发挥着重要的作用，值得其他类似工程借鉴。