中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055
Design and Application of anchor bolt frame for slope protection
WANG XIU
摘要：南方某新建铁路沿线工程地质条件较复杂，涉及不同性质岩土体较多，给路基、桥梁、隧道的边坡防护工程带来很大的困难。合理选取边坡防护措施则成了该铁路设计的重点问题，直接影响着工程的稳定性、安全性及工程造价。大型边坡防护，通过现场的地质测绘调查以及室内试验，在了解掌握了所涉及的岩土体的工程性质之后，选择合适断面进行岩土体稳定性检算得出滑坡推力，一般首先考虑锚固桩或挡墙支护，再结合锚杆框架或锚索进行稳定性检算，最终结合工程造价综合分析后进行边坡防护结构设计。该线边坡防护设计中，采用锚杆框架措施对边坡起到了主要的加强支护作用，也节约了工程投资。
关键词：锚杆框架、锚固桩、挡墙、边坡防护
锚杆框架在边坡防护中考虑了锚杆与加固边坡的相互作用。它通过钢筋混凝土框架梁将锚杆的锚固力传递给边坡岩土体，改变岩土的应力状态,以提高岩土自身的强度和自稳能力。因此框架锚固是一种兼顾深层抗滑与浅层护坡的复合支护体系，是一种主动加固方法。锚杆框架边坡支护在施工过程中对边坡的扰动较小，且锚杆可以有效控制边坡的变形，框架锚梁内还能设置绿色边坡防护措施，且工程造价低，比较符合公路、铁路边坡的生态支护理念，因此锚杆框架在目前边坡防护工程中得到广泛应用。
1 工程概况
南方某新建铁路沿线经过冲积平原、河流阶地、丘陵、中低山区等多种地貌单元，地层岩性复杂多变，不良地质和特殊岩土广泛分布，且沿线深挖高填路基工点较多，因此沿线边坡防护为该铁路工程的一个重要组成部分。
2 边坡加固防护措施的选取
以南方某新建铁路IDK296+610～IDK296+685段路基工程为例，对其左侧边坡防护设计措施的选取进行分析。
2.1 边坡岩土体工程性质特征
（1）顺层性质的判断
该段路基位于两山谷间，右侧为路堤边坡，左侧傍山而行，以路堑型式通过，路堑边坡贴近原自然坡面，测区内边坡地层岩性为全～强风化砂岩，通过现场地质测绘调查及钻孔勘探，该地层风化严重，节理裂隙发育，岩质较为软弱，表层全风化层厚3.5～5.3m，并夹有强风化岩层，其下强风化岩层钻孔取样呈碎块状，岩层产状155°∠45°，线路走向92°，岩层走向与线路走向的夹角为27°，得其垂直线路视倾角41.7°，线路左侧挖方边坡存在顺层，边坡开挖时，岩土体具有沿岩层面滑动的危险[1]。
（2）选择合理代表性断面进行结构设计
该段均为陡坡路基，左侧路堑边坡陡峭，应选择全风化层相对较厚及原地面线相对危险性较大断面进行结构设计计算。
（3）地层物理力学参数
以岩层分界为滑动面，滑面指标根据室内试验和滑体剖面进行反演法确定[1][2]，最后确定滑面物理力学参数取值为粘聚力C=8kPa，墙背岩土体内摩擦角反算得Φ=15.2°。
（4）滑坡推力计算
滑坡推力可采用传递系数法按下式[3]计算：
图1 滑坡推力计算图
F=KWisinαi+ΨTｉ-1-WｉcosαｉtanΦｉ-cｉLｉ
Ψ＝cos(αｉ-1-αｉ)-sin(αｉ-1-αｉ)tanΦｉ
当安全系数K取1.25时，算得下滑力F＝343.5kN。
2.2 边坡加固措施选取
一般抗滑桩和挡墙及锚索是治理顺层边坡的主要工程措施，但由于抗滑桩、框架锚索工程造价较高，不适用于这类滑坡推力小的顺层边坡的治理。若光靠抗滑挡墙来支挡，经验算墙顶宽度较宽，影响边坡造型美观，也无法起到较好的边坡稳定抗滑作用，而挡墙结合锚杆框架既可以很好的控制边坡稳定性，也能满足工程美观、经济的需求，适用于本工点左侧顺层边坡的治理。
3 结构设计
锚杆作用的基本原理就是利用锚杆周围岩土抗剪强度来传递结构物的拉力，以保持地层开挖面的自身稳定。锚杆的使用使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用, 同时使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的复合体，增强了地层的强度，改善了地层的力学性能，使其能有效地承受拉力和剪力。
根据选择的代表性横断面及选取的边坡加固措施进行路基边坡结构设计，下图为代表性断面边坡结构设计图。
图2 结构设计横断面图
3.1 挡墙设计
根据挡墙高度及墙背岩土体工程性质，结合设计经验墙背岩土容重取值γ=21kN/m3，墙背岩土体综合内摩擦角取值φ＝40°，根据库仑理论力[4]采用理正软件计算6m高挡墙承受主动土压力Ea＝174.8kN，利用该截面尺寸，推算挡墙能承受的滑坡推力F1约180kN，则剩余滑坡推力考虑由预应力锚杆承担。
3.2 锚杆受力计算
锚杆抗拔力的确定是锚杆设计的基础，它与锚杆锚固的形式、地层的性质、锚孔的直径及填筑材料（钢筋型号及根数）、有效锚固段长度以及施工方法等因素有关。因此，从理论上确定锚杆抗拔力比较困难，至今尚未有理想的方法。目前普遍采用的方法是根据以往的施工经验、理论计算值与拉拔试验结果综合确定。
一般所用锚杆为磨擦型灌浆锚杆，锚杆设计原理是抗拉受力，先通过计算得出锚杆设计锚固力。设计锚固力可按下式[3]计算：
Pt＝F/(λ(sin(α+β)tanφ+cos(α+β)))
式中 Pt－设计锚固力（kN）；
F－滑坡推力（kN）；
φ－滑动面内摩擦角(°)；
α－锚杆与滑动面相交处的滑动面倾角(°) ；
β－锚杆与水平面的夹角，以下倾为宜，不应大于45°，宜为15°～30°；
λ－折减系数，对土质边坡及松散破碎的岩质边坡，应进行折减。
α即为岩层垂直线路视倾角41.7°，β取15°，滑动面内摩擦角φ＝40°，折减系数λ取0.8，锚杆承担滑坡推力F＝343.5-180/cos41.7°＝102.9kN，该段边坡加固经计算锚杆设计锚固力Pt＝102.9/（0.8*（sin（41.7°+15°）*tan40°+cos（41.7°+15°）））＝141.3kN。
3.3 锚杆钢筋强度计算
锚杆应按轴心受拉构件设计，其钢筋截面面积按下式〔3〕计算：
As＝K×Nt/fy
式中 As－钢筋的截面面积（mm2）；
Nt－锚杆轴向承载力设计值（N）；
K－荷载安全系数，可采用2.0～2.2；
fy－钢筋的抗拉设计强度(N/mm2)。
该段边坡设计锚杆沿线路及坡面方向间距均为3.0m，坡面方向设置锚杆4根，锚杆轴向承载力设计值Nt根据锚杆布置间距及每坡面设锚杆孔数、Pt计算得Nt＝Pt*3/4＝106kN，取值110 kN；南方某新建铁路大样图一般锚杆设计采用φ25螺纹钢筋，据相关规范〔5〕φ25螺纹钢筋的抗拉设计强度取值300N/mm2，安全系数取2.2，计算得钢筋的截面面积As=807 mm2，并据此推算出每孔锚杆钢筋根数为2根。
3.4 锚杆锚固长度计算
锚固长度包括非锚固长度和有效锚固长度，非锚固长度根据土体与滑动面的距离确定，有效锚固长度应按下式〔3〕计算：
La＝KNt/（πDfrb）
经计算La＝2.4*110/（3.14*90*0.4）＝3.1m，取值4.0m。
结合得出的锚杆锚固段长度，锚杆与砂浆之间的粘结力可按下式〔3〕验算：
La＝KNt/（nπdξfb）
得出锚杆与砂浆之间的粘结力N＝4/2.4*（2*3.14*25*0.7*2.4）＝439.6kN＞110kN，满足要求。
式中 La－锚固段长度（mm）；
K－安全系数，取2.0～2.5；
D－锚固体直径（mm）；
d－单根钢筋直径（mm）；
n－钢筋根数；
frb－水泥砂浆与岩石孔壁间的粘结强度设计值；
fb－水泥砂浆与钢筋间的粘结强度设计值；
ξ－采用两根或两根以上钢筋时，介面粘结强度降低系数，取0.60～0.85。
最终该段顺层边坡加固采用挡墙结合锚杆框架防护，锚杆沿线路及坡面方向间距均为3.0m，锚杆长8.0m，其中锚固段长4.0m，每孔锚杆设置2根φ25mm螺纹钢筋并联焊接，孔内注浆为一次注浆，灌注M30水泥砂浆。框架内设置草灌等绿色防护。
4 施工注意事项
（1）锚杆施工质量的好坏直接影响锚杆的承载能力和边坡稳定安全，应严格按如下顺序施工：路堑边坡自上而下分层开挖，分层高度2～3m，每一分层开挖完毕后，立即施工坡面锚杆（定位、造孔、锚杆安装、灌浆），然后进行下一分层施工；每一级坡面开挖完毕后，再绑扎制作钢筋笼，现浇框架梁，封闭锚杆锚头；每一级框架锚杆全部施工完毕并达到设计强度后，再进入下一分级循环。
（2） 锚杆钻孔作业前要认真检查钻杆角度是否正确，钻机架安装要稳定、牢固，同一孔不得改变角度。造孔时必须注水冷却钻头，但流量不宜太大，防止影响边坡稳定。
（3）锚杆注浆是锚杆施工中最为关健的工序之一，其效果的好坏直接影响到锚杆的锚固体质量和永久性。锚孔注浆前，孔内应干燥干净，为保证锚杆位置正确和居中，杆身每隔1.5m设一个对中支架。
（4）锚杆入孔前应保证平直, 并消除其表面的油渍、铁锈或其他污物, 以保证锚杆与浆液的粘结力。
（5）安装锚杆时, 沿杆体轴线方向, 每隔1～2m设置一个对中支架, 使锚杆在锚孔中基本居中,以保证注浆体对锚杆的握裹及保护锚杆不受外界水汽侵蚀。杆体安放时, 避免与孔壁直接接触, 特别是位于锚固体的杆体。
5 结束语
该段边坡锚杆框架防护工程施工完毕到现在，2年多来该段边坡稳定、无明显变形，证明锚杆框架梁对边坡的防护实际效果良好。虽然锚杆框架施工过程较复杂，但其可以有效的增加边坡的整体稳定性，同时在框架间培土后种草，即对施工中破坏的生态加以恢复，从而保护和美化了环境。故近些年锚杆框架锚固工程在国内外被大量成功应用于边坡加固防护，以确保边坡稳定和结构安全。
参考文献
[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，2007.
[2]铁道第一勘察设计院.铁路工程设计技术手册《路基》.北京：中国铁道出版社，1995.
[3]TB10025－2006，铁路路基支挡结构设计规范[S].
[4][作者不详].铁路工程设计技术手册（隧道）[M].北京：中国铁道出版社，1999.
[5]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].
论文作者:汪秀
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/15
标签：锚杆论文; 锚固论文; 岩土论文; 挡墙论文; 框架论文; 钢筋论文; 防护论文; 《防护工程》2017年第24期论文;