錨桿支護(hù)邊坡動(dòng)力響應(yīng)特性分析

1.傳統(tǒng)的邊坡防治技術(shù)
　　傳統(tǒng)的邊坡防治措施在治理工程地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)邊坡時(shí)總會(huì)暴露或多或少的局限性。護(hù)面墻主要適用于土質(zhì)邊坡的小型滑塌和水土流失的防治；擋土墻對(duì)于加固高度不超過(guò)10m的人工邊坡通常十分有效，它在地質(zhì)條件較為復(fù)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(hù)，并且要求巖土工程師準(zhǔn)確掌握滑坡體不同部位巖土的物理力學(xué)性質(zhì)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，然而原狀巖土試樣的選取并非易事，這將嚴(yán)格制約抗滑樁的應(yīng)用范疇。總之，傳統(tǒng)的被動(dòng)型支擋技術(shù)已經(jīng)受到越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。
　　 2.邊坡治理新技術(shù)
　　由于被動(dòng)型的邊坡支擋技術(shù)在治理工程地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的邊坡時(shí)常常效果不佳，因此探索和發(fā)現(xiàn)新型的邊坡治理措施成為巖土工程師們刻不容緩的職責(zé)。最終，掛網(wǎng)錨噴技術(shù)，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)和全粘結(jié)型錨桿技術(shù)等主動(dòng)型的邊坡治理措施應(yīng)運(yùn)而生。掛網(wǎng)錨噴技術(shù)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(hù)體系中來(lái)的，它對(duì)于加固表層風(fēng)化破碎的硬質(zhì)巖石邊坡非常有效，觀測(cè)資料和原位試驗(yàn)結(jié)果表明它同樣可以應(yīng)用到許多軟巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡中，其有效影響深度可達(dá)到3m。預(yù)應(yīng)力錨索可以有效地改善邊坡巖土體的力學(xué)指標(biāo)，同時(shí)利用預(yù)加應(yīng)力提高滑動(dòng)面的法向應(yīng)力，進(jìn)而提高抗滑力，改善剪應(yīng)力的分布狀況，其最大加固深度可達(dá)30m。全粘結(jié)型錨桿類似于預(yù)應(yīng)力錨索的工作原理，它可以抑制地表10m范圍內(nèi)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(guò)錨桿與砂漿之間的握裹力，砂漿與巖土體之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這可以從加固時(shí)的施工過(guò)程和施工完成后砂漿與錨桿共同發(fā)揮作用兩個(gè)階段來(lái)認(rèn)識(shí)，前者的主要功能在于提高巖土體的整體強(qiáng)度和剛度（c，φ值），后者在于增強(qiáng)巖土體的摩擦阻力和抑制巖土體的沉陷滑移[1]。
　　 3.全粘結(jié)型錨桿加固邊坡的作用機(jī)理分析
　　3.1提高巖土體整體強(qiáng)度和剛度的作用機(jī)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(kuò)散半徑順著巖土體節(jié)理裂隙或孔隙滲透擴(kuò)散，布置合理的錨桿孔距將使注漿擴(kuò)散范圍相互重疊，形成網(wǎng)狀膠結(jié)體，從而大大提高巖土體的強(qiáng)度和剛度，即巖土體的抗壓強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角，凝聚力有較大的提高，錨桿布置間距應(yīng)保證在注漿擴(kuò)散半徑范圍的兩倍之內(nèi)，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(nèi)摩擦角分別為φ，φ，單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的增大系數(shù)，即
　　c=ac,R=aR （1）
　　根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析，a、a可按下式計(jì)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(zhǎng)度（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果l=(0.6~0.8)l），R為錨桿抗拉強(qiáng)度，R為水泥砂漿抗壓強(qiáng)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(nèi)摩擦角和等效抗剪強(qiáng)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(jī)理
　　全粘結(jié)型錨桿通過(guò)砂漿對(duì)錨桿的剪力傳遞而使錨桿處于受拉狀態(tài)，對(duì)一般軟巖可以認(rèn)為錨桿與圍巖具有相同位移從而略去它們之間相對(duì)變形。錨桿軸力沿全長(zhǎng)并非均布的，錨桿中存在一中性點(diǎn)，該點(diǎn)剪應(yīng)力為零，兩端錨桿受有不同方向的剪力，中性點(diǎn)上錨桿拉應(yīng)力（軸力）最大，在兩端點(diǎn)處為零。通常認(rèn)為錨桿應(yīng)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(shù)k=），故錨桿上任意點(diǎn)的位移為：
　　u=-ru （7）
　　其中R為塑性區(qū)半徑，u為錨固前邊坡面位移值，r為單孔砂漿擴(kuò)散半徑，r為垂直坡面進(jìn)入巖土體的錨桿長(zhǎng)度。
　　3.3加固不穩(wěn)定塊體
　　利用錨桿的抗剪作用阻止局部不穩(wěn)定塊體的滑落，錨桿作用形成開(kāi)挖面的受力環(huán)區(qū)并將開(kāi)挖面的高應(yīng)力延伸到邊坡面深處，改善“巖石-混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，但它的發(fā)揮程度與不穩(wěn)定塊體的動(dòng)力勢(shì)密切相關(guān)。單位體積的孤立塊體密度大，質(zhì)量大，向下滑落的潛在勢(shì)能就大，錨桿的抗剪功能無(wú)疑就會(huì)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(fā)揮。
　　 4.實(shí)例
　　某省高速公路C7標(biāo)K236+830-K237+020左側(cè)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(jié)理裂隙比較發(fā)育，巖性軟弱，抗風(fēng)化能力差，自穩(wěn)能力相當(dāng)差，邊開(kāi)挖邊掉塊。設(shè)計(jì)文件的錨索施工已經(jīng)完成90%，只剩下第一級(jí)的部分錨索未施工，此時(shí)在第三級(jí)坡面以上發(fā)現(xiàn)多處裂縫及局部坍塌，業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理四方共同討論決定拆除第一級(jí)錨索，保留第二和第三兩級(jí)錨索，對(duì)第三級(jí)錨索以上山體削方減載并采用直徑25mm，間距2.0m的錨桿進(jìn)行加固。
　　取Rt=210Mpa，C30砂漿，錨孔直徑0.11m，錨桿長(zhǎng)度l=9m，Rc=30Mpa，將這些數(shù)據(jù)代入以上公式得全粘結(jié)型錨桿加固邊坡前后的力學(xué)參數(shù)比較如表1所示，巖土體的抗剪強(qiáng)度顯著提高，增加近1.5倍。
　　表1錨桿加固前后巖土力學(xué)指標(biāo)變化
　　施工過(guò)程中可以采用全粘結(jié)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(shè)計(jì)坡率開(kāi)挖坡面，注重邊坡清理與修整；(2)采用風(fēng)鉆或鉆機(jī)無(wú)水鉆孔，清孔；(3)設(shè)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(jí)防護(hù)中的錨桿A與B為兩種不同桿長(zhǎng)交替設(shè)置；(4)在砂漿充分凝固后扎網(wǎng)，現(xiàn)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(diǎn)綁扎；(5)在框格內(nèi)培土植草。當(dāng)路塹為可植草土質(zhì)時(shí)，采用挖槽澆注框格，坡面直接噴播草籽的辦法。
　　 5.結(jié)語(yǔ)
　　經(jīng)過(guò)一年的通車營(yíng)運(yùn)表明，用全粘結(jié)型錨桿治理的公路邊坡的穩(wěn)定性非常好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何局部失穩(wěn)跡象。相對(duì)其它邊坡支擋技術(shù)來(lái)說(shuō)，全粘結(jié)型錨桿技術(shù)具有以下特點(diǎn)：技術(shù)要求不高，適用面廣泛，材料搬運(yùn)量小，消耗人工少而且兼顧環(huán)境美化的要求。故值得我們?cè)谏絽^(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中推廣和應(yīng)用。