錨桿支護邊坡動力響應特性分析

1.傳統的邊坡防治技術
　　傳統的邊坡防治措施在治理工程地質條件復雜的山區邊坡時總會暴露或多或少的局限性。護面墻主要適用于土質邊坡的小型滑塌和水土流失的防治；擋土墻對于加固高度不超過10m的人工邊坡通常十分有效，它在地質條件較為復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，并且要求巖土工程師準確掌握滑坡體不同部位巖土的物理力學性質和抗剪強度指標，然而原狀巖土試樣的選取并非易事，這將嚴格制約抗滑樁的應用范疇。總之，傳統的被動型支擋技術已經受到越來越多的挑戰。
　　 2.邊坡治理新技術
　　由于被動型的邊坡支擋技術在治理工程地質條件相對復雜的邊坡時常常效果不佳，因此探索和發現新型的邊坡治理措施成為巖土工程師們刻不容緩的職責。最終，掛網錨噴技術，預應力錨索支護技術和全粘結型錨桿技術等主動型的邊坡治理措施應運而生。掛網錨噴技術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體系中來的，它對于加固表層風化破碎的硬質巖石邊坡非常有效，觀測資料和原位試驗結果表明它同樣可以應用到許多軟巖質邊坡和土質邊坡中，其有效影響深度可達到3m。預應力錨索可以有效地改善邊坡巖土體的力學指標，同時利用預加應力提高滑動面的法向應力，進而提高抗滑力，改善剪應力的分布狀況，其最大加固深度可達30m。全粘結型錨桿類似于預應力錨索的工作原理，它可以抑制地表10m范圍內的淺層滑坡和崩塌，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現的，這可以從加固時的施工過程和施工完成后砂漿與錨桿共同發揮作用兩個階段來認識，前者的主要功能在于提高巖土體的整體強度和剛度（c，φ值），后者在于增強巖土體的摩擦阻力和抑制巖土體的沉陷滑移[1]。
　　 3.全粘結型錨桿加固邊坡的作用機理分析
　　3.1提高巖土體整體強度和剛度的作用機理與量化分析
　　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散半徑順著巖土體節理裂隙或孔隙滲透擴散，布置合理的錨桿孔距將使注漿擴散范圍相互重疊，形成網狀膠結體，從而大大提高巖土體的強度和剛度，即巖土體的抗壓強度，內摩擦角，凝聚力有較大的提高，錨桿布置間距應保證在注漿擴散半徑范圍的兩倍之內，從而確保理想的加固效果。巖土加固前后的凝聚力分別為C，C，內摩擦角分別為φ，φ，單軸抗壓強度分別為R，R，并令a，a分別表示等效凝聚力和單軸抗壓強度的增大系數，即
　　c=ac,R=aR （1）
　　根據理論分析和試驗結果的回歸分析，a、a可按下式計算:
　　a=(1+2e)(1+ηηξξ) （2）
　　a=(1+2e)1+[ηη+(η-η)(ξ-1) （3）
　　其中η=，η=，η=，η=，ξ=，ξ=，f為巖土類別，d為錨桿直徑，l為有效錨固長度（現場測試結果l=(0.6~0.8)l），R為錨桿抗拉強度，R為水泥砂漿抗壓強度，B為地表最大容許沉陷寬度，h為最大容許沉陷深度。等效內摩擦角和等效抗剪強度則為[2]
　　φ=2(arctg-45°) （4）
　　τ=Rtgφ+c （5）
　　3.2抑制巖土體沉陷的作用機理
　　全粘結型錨桿通過砂漿對錨桿的剪力傳遞而使錨桿處于受拉狀態，對一般軟巖可以認為錨桿與圍巖具有相同位移從而略去它們之間相對變形。錨桿軸力沿全長并非均布的，錨桿中存在一中性點，該點剪應力為零，兩端錨桿受有不同方向的剪力，中性點上錨桿拉應力（軸力）最大，在兩端點處為零。通常認為錨桿應變與位移w(x,y)沿y方向的變化梯度成正比
　　ε=k （6）
　　k為錨固孔與周圍巖土體的剪移剛度系數k=），故錨桿上任意點的位移為：
　　u=-ru （7）
　　其中R為塑性區半徑，u為錨固前邊坡面位移值，r為單孔砂漿擴散半徑，r為垂直坡面進入巖土體的錨桿長度。
　　3.3加固不穩定塊體
　　利用錨桿的抗剪作用阻止局部不穩定塊體的滑落，錨桿作用形成開挖面的受力環區并將開挖面的高應力延伸到邊坡面深處，改善“巖石-混凝土結構體系”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構，但它的發揮程度與不穩定塊體的動力勢密切相關。單位體積的孤立塊體密度大，質量大，向下滑落的潛在勢能就大，錨桿的抗剪功能無疑就會得到削弱，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完全發揮。
　　 4.實例
　　某省高速公路C7標K236+830-K237+020左側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，節理裂隙比較發育，巖性軟弱，抗風化能力差，自穩能力相當差，邊開挖邊掉塊。設計文件的錨索施工已經完成90%，只剩下第一級的部分錨索未施工，此時在第三級坡面以上發現多處裂縫及局部坍塌，業主、設計、施工和監理四方共同討論決定拆除第一級錨索，保留第二和第三兩級錨索，對第三級錨索以上山體削方減載并采用直徑25mm，間距2.0m的錨桿進行加固。
　　取Rt=210Mpa，C30砂漿，錨孔直徑0.11m，錨桿長度l=9m，Rc=30Mpa，將這些數據代入以上公式得全粘結型錨桿加固邊坡前后的力學參數比較如表1所示，巖土體的抗剪強度顯著提高，增加近1.5倍。
　　表1錨桿加固前后巖土力學指標變化
　　施工過程中可以采用全粘結型錨桿加鋼筋混凝土框格架的方法。具體的作法是：
　　(1)按照設計坡率開挖坡面，注重邊坡清理與修整；(2)采用風鉆或鉆機無水鉆孔，清孔；(3)設置錨桿并加壓(0.4MPa)注漿，必須保證錨桿嵌入巖面以下至少5m，各級防護中的錨桿A與B為兩種不同桿長交替設置；(4)在砂漿充分凝固后扎網，現澆鋼筋混凝土框格，錨桿端部彎托并與縱橫梁骨架筋間逐點綁扎；(5)在框格內培土植草。當路塹為可植草土質時，采用挖槽澆注框格，坡面直接噴播草籽的辦法。
　　 5.結語
　　經過一年的通車營運表明，用全粘結型錨桿治理的公路邊坡的穩定性非常好，沒有發現任何局部失穩跡象。相對其它邊坡支擋技術來說，全粘結型錨桿技術具有以下特點：技術要求不高，適用面廣泛，材料搬運量小，消耗人工少而且兼顧環境美化的要求。故值得我們在山區高等級公路建設中推廣和應用。