摘要：高边坡是道路工程施工的重要问题。分析了影响高边坡稳定的主要因素，总结预应力锚索对高边坡道路加固的力学机理和设计计算方法，剖析了采用预应力锚索加固的施工技术和关键要点，最后结合工程案例分析了预应力锚索在高边坡加固中的实施和有效性。
关键词：预应力锚索；高边坡；道路施工；技术分析
1概述
随着我国公路建设的推进，路网系统愈加完善，相关道路的建设等级和要求也越来越高，且相当一部分的公路建设面临复杂的地形和地质环境，这给设计和施工带来很大挑战。其中，高边坡就是道路建设中面临的普遍难题[1]。高边坡一般指公路建设中，路基两边的土质边坡高度大于20m或者岩质边坡高度大于30m的边坡，由于过大的坡度和高度，给高速公路的施工和运营带来普遍性的安全隐患，特别是在突发荷载（如地震、泥石流等）作用下，高边坡的稳定性备受关注。我国运营的部分道路工程出现高边坡的病害问题，例如边坡失稳导致的道路淹埋、流石流泥、滑坡、局部坍塌、落石和坍塌等[2]，这些病害问题很多是施工建造过程不重视引起的，没有设定有效的边坡稳定施工解决方案，导致对既有道路的交通安全和道路使用造成隐患，需要进行治理和加固以恢复道路的使用性能，增大道路管养的经济压力。高边坡稳定的施工解决措施包含表层防护和边坡加固两种，表层防护包括放缓坡度、植草灌浆固定等，主要适用稳定性较好的边坡；稳定性较差的需要采用预应力锚索、土钉、管桩等加固措施，才能彻底解决边坡失稳问题[3，4]。本文将研究预应力锚索在高边坡稳定加固中的技术措施，首先分析高边坡失稳的影响因素，然后分析预应力锚索加固的力学机理和计算方法，并给出采用预应力锚索加固的施工措施和注意事项，最后结合一工程案例，给出基于设计条件的预应力锚索加固设计方案和施工方案。
2高边坡稳定问题的影响因素分析
诸多因素可以影响到道路高边坡的稳定性，总结而言，岩土本身特性、地质构造和地下水特征是主要影响因素。2.1高边坡岩土自身特性岩土特性是高边坡稳定的重要内在因素。对于土质边坡，土质条件是边坡稳定的基本，砂土容易流沙滑坡而黏性土的黏聚力较大不易破坏。对于岩质边坡，情况则更为复杂，岩石自身的强度和岩质边坡特性是关键参数，如若岩石自身强度不高，岩石的形成不连续，存在破裂等软弱层，则受到环境作用时，其破坏往往是岩石最弱连接界面展开，当外界荷载大于岩层的强度时，便可能形成连续破坏从而导致边坡的坍塌。一般而言，块状和反坡向层状的岩层特性是稳定的，而顺坡向层状岩层容易产生剪切型破坏，碎裂散状岩层则易形成滑动型破坏。
2.2场地地质构造特性
高边坡可以是路基开挖形成，也可能是自然形成。如果是路基开挖形成，则会由于开挖的影响稳定性更差，受场地地质构造影响更显著。例如是否存在地震和震动、岩土风化状况及出露位置等。其中，地震和震动是高边坡最大的安全隐患，受地震作用的惯性力作用，边坡的失稳和破坏往往是瞬时的，因而需要根据场地地质状况基于地震破坏的可接受水准进行设计和施工加固。
2.3地下水分布特性
由于地下水影响岩土的基本物理特性和力学特性，因而对边坡稳定具有显著影响。随着地下水位的变化，岩土的剪切力和法向力在变化，相应的最弱破坏面也在不断变化，如果边坡中某些微裂缝存在，则地下水的存在严重削弱结构抗力，并形成静水压力增加裂缝的开展。如天气变冷，裂缝中的水尚未排出，则水分的冻结会导致裂缝膨胀，造成边坡失稳。
3预应力锚索的边坡加固原理
3.1预应力锚索加固机理
根据高边坡稳定的影响因素，预应力锚索加固就是让软弱的边坡通过预应力锚索固定到稳定的岩层中，从而使得其变形受到约束，整体保持稳定平衡。具体而言，如图1所示，预应力锚索通过高边坡中软弱的土层或岩层，穿过滑动面连接到稳定且坚硬的岩层中，在该侧进行预应力索张拉，张拉完成后注浆锚固，强大的预应力使得岩层整体性更好。同时，注浆一方面使得锚索稳定，另一方面浆体注入周边岩土缝隙，有效提高其摩擦阻力，加强边坡软弱层的黏结性和整体性。这样，整体边坡形成整体，并与受锚固的岩层共同受力变形，穿透滑动面的锚索极大降低边坡的整体失稳问题，提高了边坡的稳定性。
3.2预应力锚索设计计算方法
预应力锚索的设计需要根据实际边坡的稳定失效模式确定。高边坡的失效模式众多，包含溃屈破坏、水平错位破坏、顺层滑动、崩塌破坏、圆弧滑动等，其中滑动破坏是整体型破坏，影响最为严重，在高边坡中的发生频率也最高，预应力锚索的设计计算应以保证高边坡不发生整体滑动失效为根本。滑动失效的根本原因是边坡软弱层形成的潜在剪切面上，滑体所形成的向下滑动力大于其抗滑力，出现对应的剪切面破坏。而潜在剪切面对于岩层而言一般是裂隙、断层或者节理发达的软弱区域，对于土层而言则是对应土力学机理的圆弧滑动面。预应力锚索的设计就是以增加滑动面法向约束力的方式提高其切向摩擦力，可以采用有限条分法确定其锚固效率：式中：Li是第i条滑动面的长度；Ni是第i条滑动面上的法向力；Ti是第i条滑动面上的切向力；PN是锚索锚固所产生的法向分力；PT是锚索锚固所产生的沿滑动面的切向分力；Ci是第i条滑动面上的黏聚力；f是滑动面上的岩土摩擦系数；K是预应力锚索作用下高边坡稳定系数。各成分如图1所示。根据预应力锚索的设计计算模式，可以看到：为了充分发挥锚索的锚固效率，锚索的安放位置、间距、数量、倾角等，都应该根据可能滑动面进行设置，以锚索与滑动面呈大角度相交为宜，注意不要使得锚索的施加效果导致滑动概率增加。
4预应力锚索加固的施工技术
预应力锚索施工的基本规程是边坡修整、测量定位、钻孔、孔道清理与检测、锚索安装、注浆、张拉，这其中，边坡修正、钻孔、孔道清理与检验、锚索注浆和锚索张拉是关键环节。
4.1高边坡的修整
高边坡表层影响整体的边坡稳定，因此在安装预应力锚索前需要将表层进行修整和清理，对于破碎岩层和岩渣，需要进行平整，保证边坡平缓性；对于土质边坡，由于雨水对边坡稳定影响很大，需要进行表层排水及表层植被固定处理，维持表层岩土的稳定性。
4.2钻孔施工
钻孔是预应力锚索施工的关键环节，在钻孔前需要根据岩土特性选择钻孔机械设备。一般而言，岩石需要采用潜孔冲击钻孔的方法，在岩石破碎后可以采用跟管钻进的方式，稳定岩层结构。另外，钻孔过程还需要搭设一定的脚手架，并在钻进过程中及时清除残渣，确保钻进按照预期位置进行，钻孔的孔径误差和垂直度误差保持在可接受范围。钻进可能遇到塌方问题，因此需要事前做好预控方案。钻孔孔径需要保证不低于设计预应力索的索径。
4.3孔道清理及检验
钻孔完成后需要对孔道内的粉尘和残渣进行彻底清除，注意到不清楚残渣就进行预应力锚索安装和注浆，注浆后岩土受到泥土影响黏性降低，并不能形成很好的整体受力，因此锚索的有效性将大打折扣。孔道清理可以采用高压水或者高压空气进行清理，直到钻孔检验合格后才能进行下一步的施工工作。
4.4锚索安装和注浆
预应力锚索的基本构造如图2所示，进行注浆时需要确保砂浆配合比符合标准，并事前搅拌均匀，保证在初凝前注浆完毕。注浆一般分为两个过程———锚固段的注浆和自由锚索段与孔壁中缝隙的注浆填充。
4.5预应力锚索张拉施工
预应力锚索应分级张拉，保证各个锚索的都能达到预期张拉力，张拉中采用张拉力和伸长值双控方法控制张拉吨位，同时预应力锚索在高边坡侧一般配合框架梁进行协同联合，使得所有预应力锚索发挥对整体边坡的防护加固效果，如图3所示。
5工程案例解析
5.1工程背景
广东省龙川至怀集公路工程TJ2标段K10段线路以深挖方的形式通过，开挖方量大，形成了平均10m的高路堑边坡，坡体开挖后地应力调整较大，形成了较大的松弛区,此外坡体存在基岩裂隙水，风化程度高，地下水较易在层面上积聚，因此此类边坡较易产生沿层面的滑移破坏。另外，强降雨的作用，雨水沿陡倾的节理或层面下渗，较易产生渗透压力及静水压力，往往成为触发边坡失稳的因素。根据对该区域岩土状况和地质条件的调查，采用预应力锚索进行高边坡防护加固效果较好，因此首先对沿岩层面滑动稳定性进行检算，检算结果显示，边坡稳定性以岩层面控制，在拟定的坡形坡率下，正常工况稳定系数为1.139，暴雨工况边坡稳定系数为0.979，属欠稳定边坡施工采用锚杆和锚索双重加固。
5.2预应力锚索加固施工
根据设计检算，采用锚索框架，锚索设3排，长20m；锚索采用普通拉力型预应力锚索，锚索体直径150mm，注M30水泥砂浆；锚索主筋采用15.24、强度1860MPa的6束高强、低松弛预应力钢绞线，设计吨位600kN。锚索框梁截面尺寸为0.5m×0.5m，嵌入深度为0.40m，C30混凝土灌注，配合高边坡的整体防护。施工结果显示，锚索就能按照施工方法达到预设锚固吨位，注浆效果良好，边坡稳定性良好，大雨条件下均稳定性好。
6结语
保障道路运营安全和长期性能具有重要意义，道路高边坡的稳定性能是需要关注的重点之一。论文探讨了影响高边坡稳定的主要因素，并提出采用预应力锚索的边坡加固机理和设计计算方法，从而总结预应力锚索加固的施工技术。最后结合工程案例分析了预应力锚索在高边坡防护加固中的有效性和方法，为公路高边坡防护提供参考。
参考文献：
[1]饶运章,朱为民.我国道路边坡防护现状及发展方向[J].华东公路,2011（1）:46-48.
[2]欧小祥,韩红桂,贺威.某高速公路边坡稳定性评价[J].公路工检验医学期刊程,2009,34（1）:120-124.
[3]吴琳生.预应力锚索施工技术在高边坡防护工程中的应用[J].公路交通科技（应用技术版）,2007（3）:100-103.
[4]高志兵.预应力锚索技术在公路高边坡施工中的应用[J].山西建筑,2016,42（14）:142-143.
作者：陈玥 单位：中设设计集团股份有限公司
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