全粘结型锚杆加固山区公路边坡的原理和方法
时间：2010-06-28 阅读：878
全粘结型锚杆加固山区公路边坡的原理和方法
邓长平 周长寿
（江西省高等级公路管理局 南昌 330046）
摘 要：全粘结型锚杆能提高边坡岩土体的整体强度和刚度、抑制岩土体沉陷和加固局部不稳
定块体，文章从这3个方面论述其作用机理，并举例说明其在山区高等级公路边坡支护中的广
泛应用与实际效果。
关键词：道路工程；全粘结型锚杆；加固；作用机理；
前 言
伴随着我国山区高等级公路的大量兴建，经常发生在施工期、营运期的公路边坡病害成为困扰公路建设、设计、监理和施工单位的棘手问题，同时也成为岩土工程界的探讨热点。有的公路边坡在施工期间几经变更，数次削坡，反复治理，仍然不能从根本上消除安全隐患。这种情况的出现至少反映了两个问题：其一，岩土边坡治理是一个相当复杂的过程；其二，岩土工程师没有掌握足够有效的地质数据从而导致选取的治理措施有失偏颇。
1 传统的边坡防治技术
传统的边坡防治措施在治理工程地质条件复杂的山区边坡时总会暴露或多或少的局限性。护面墙主要适用于土质边坡的小型滑塌和水土流失的防治；挡土墙对于加固高度不超过10m的人工边坡通常十分有效，它在地质条件较为复杂的自然边坡面前的作用将大大减弱；抗滑桩仅适用于主滑方向和滑床面已知的边坡防护，并且要求岩土工程师准确掌握滑坡体不同部位岩土的物理力学性质和抗剪强度指标，然而原状岩土试样的选取并非易事，这将严格制约抗滑桩的应用范畴。总之，传统的被动型支挡技术已经受到越来越多的挑战。
2 边坡治理新技术
由于被动型的边坡支挡技术在治理工程地质条件相对复杂的边坡时常常效果不佳，因此探索和发现新型的边坡治理措施成为岩土工程师们刻不容缓的职责。终，挂网锚喷技术，预应力锚索支护技术和全粘结型锚杆技术等主动型的边坡治理措施应运而生。挂网锚喷技术是一种基于铁路隧道施工“新奥法”（the New Austrian Tunelling method）原理而移植到公路边坡防护体系中来的，它对于加固表层风化破碎的硬质岩石边坡非常有效，观测资料和原位试验结果表明它同样可以应用到许多软岩质边坡和土质边坡中，其有效影响深度可达到3m。预应力锚索可以有效地改善边坡岩土体的力学指标，同时利用预加应力提高滑动面的法向应力，进而提高抗滑力，改善剪应力的分布状况，其大加固深度可达30m。全粘结型锚杆类似于预应力锚索的工作原理，它可以抑制地表10m范围内的浅层滑坡和崩塌，这种地表锚杆与砂浆共同组成锚固体，锚固作用是通过锚杆与砂浆之间的握裹力，砂浆与岩土体之间的摩擦力来实现的，这可以从加固时的施工过程和施工完成后砂浆与锚杆共同发挥作用两个阶段来认识，前者的主要功能在于提高岩土体的整体强度和刚度（，值），后者在于增强岩土体的摩擦阻力和抑制岩土体的沉陷滑移[1]。
3 全粘结型锚杆加固边坡的作用机理分析
3.1提高岩土体整体强度和刚度的作用机理与量化分析
首先往锚杆孔中灌注砂浆，砂浆压力使部分浆液以一定的扩散半径顺着岩土体节理裂隙或孔隙渗透扩散，布置合理的锚杆孔距将使注浆扩散范围相互重叠，形成网状胶结体，从而大大提高岩土体的强度和刚度，即岩土体的抗压强度，内摩擦角，凝聚力有较大的提高，锚杆布置间距应保证在注浆扩散半径范围的两倍之内，从而确保理想的加固效果。锚杆平面布置如图1所示：
图1
岩土加固前后的凝聚力分别为，，内摩擦角分别为，，单轴抗压强度分别为，，并令，分别表示等效凝聚力和单轴抗压强度的增大系数，即
（1）
根据理论分析和试验结果的回归分析，、可按下式计算:
（2）
（3）
其中，，，，，，为岩土类别，dw为锚杆直径，
为有效锚固长度（现场测试结果），为锚杆抗拉强度，为水泥砂浆抗压强度，为地表大容许沉陷宽度，为大容许沉陷深度。等效内摩擦角和等效抗剪强度则为[2]
（4）
（5）
3.2抑制岩土体沉陷的作用机理
全粘结型锚杆通过砂浆对锚杆的剪力传递而使锚杆处于受拉状态，对一般软岩可以认为锚杆与围岩具有相同位移从而略去它们之间相对变形。锚杆轴力沿全长并非均布的，锚杆中存在一中性点，该点剪应力为零，两端锚杆受有不同方向的剪力，中性点上锚杆拉应力（轴力）大，在两端点处为零。通常认为锚杆应变与位移沿方向的变化梯度成正比
（6）
为锚固孔与周围岩土体的剪移刚度系数
），故锚杆上任意点的位移为：
（7）
其中为塑性区半径，为锚固前边坡面位移值，为单孔砂浆扩散半径，为垂直坡面进入岩土体的锚杆长度。
3.3加固不稳定块体
利用锚杆的抗剪作用阻止局部不稳定块体的滑落，锚杆作用形成开挖面的受力环区并将开挖面的高应力延伸到边坡面深处，改善“岩石-混凝土结构体系”的承重效果，起到锁定岩石共同受力的作用。锚杆的这种作用效果类似于悬臂梁结构，但它的发挥程度与不稳定块体的动力势密切相关。单位体积的孤立块体密度大，质量大，向下滑落的潜在势能就大，锚杆的抗剪功能无疑就会得到削弱，充分利用它的抗剪功能依赖于锚杆的表面分布，由于边坡面的锚杆排布形式与间距是一定的，这在某种意义上抑制了抗剪作用的*发挥。
4 应用实例
|
|
图2
取 =210Mpa，C30砂浆，锚孔直径0.11m，锚杆长度 =9m， =30Mpa，将这些数据代入以上公式得全粘结型锚杆加固边坡前后的力学参数比较如表1所示，岩土体的抗剪强度显著提高，增加近1.5倍。
表1 锚杆加固前后岩土力学指标变化
| 比较项 | C（MPa） | φ （°） | Rb（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% |
施工过程中可以采用全粘结型锚杆加钢筋砼框格架（如图3）的方法。具体的作法是：
图3
1、按照设计坡率开挖坡面，注重边坡清理与修整；2、采用风钻或钻机无水钻孔，清孔；3、设置锚杆并加压（0.4MPa）注浆，必须保证锚杆嵌入岩面以下至少5m，各级防护中的锚杆A与B为两种不同杆长交替设置；4、在砂浆充分凝固后扎网，现浇钢筋砼框格，锚杆端部弯托并与纵横梁骨架筋间逐点绑扎；5、在框格内培土植草。当路堑为可植草土质时，采用挖槽浇注框格，坡面直接喷播草籽的办法。
5 结 语
经过一年的通车营运表明，用全粘结型锚杆治理的公路边坡的稳定性非常好，没有发现任何局部失稳迹象。相对其它边坡支挡技术来说，全粘结型锚杆技术具有以下特点：技术要求不高，适用面广泛，材料搬运量小，消耗人工少而且兼顾环境美化的要求。故值得我们在山区高等级公路建设中推广和应用。
参考文献：
[1] GB50086-2001.锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].
[2] 刘佰莹,姚祖康主编.公路设计工程师手册[Z].北京:人民交通出版社.