曹 正，李 东

（1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610000；2.贵阳市交通集团项目管理公司，贵州 贵阳 550000）

在边坡治理工程中，锚杆框架梁具有较好的加固效果，锚杆能有效增加潜在滑移坡体的抗滑力，框架梁能有效增加坡体的整体性和护坡功能，两者的结合能有效提高边坡整体稳定性，降低滑移失稳的风险，该措施在边坡工程中应用较广泛。但在碎石土边坡中，虽然锚杆框架梁护坡对破碎岩体具有固结稳定作用，护坡效果也较好，但是在施工过程中，锚杆极易受土体裂隙、地下水层位、锚固深度、锚杆材料、注浆压力、外加荷载等因素影响，导致锚杆导致锚固力损失。基于以上问题，有待研究碎石土边坡中锚杆的锚固性能。

近年来，国内外不少学者针对上述问题也做了诸多研究。张文昌[1]从实际工程出发，对高切坡的挂网锚杆支护措施及工施工工序要点进行了仔细分析；王文涛等[2]以实际工程为依托，对框架梁变形、锚杆成孔工艺及注浆困难问题进行了相关概述及分析，并提出了具体的解决措施；蔡学智[3]以实际工程为例，对碎石土边坡锚索框架梁施工方法进行了研究探讨，提出了实施方案，解决了成孔难题；曾伟金[4]从土质高边坡实际工程出发，介绍了锚杆及框架梁联合支护结构的治理效果，总结了相关施工经验；夏长城[5]在考虑了碎石土边坡稳定性影响因素后，通过室内模拟试验研究了碎石土的力学特性，分析了碎石土的C值和φ值变化规律。而在加固边坡稳定性分析中，强度和变形特性一直是人们关注的焦点。在之前的研究中，如ZHOU 等[6]所讨论的预应力锚杆变形与边坡的变形是成对比的；HE 等[7]利用WINKLER 在1876 年提出的弹性基础梁模型，分析预应力锚固基础梁与基础之间的相互作用；ZENKOUR[8]采用简单和混合剪切变形理论，研究了弹性板的受力状态和位移状态；LIEW 等[9]研究了WINKLER 地基上Mindlin 板的微分求积方法。可见，虽然边坡的强度稳定性在许多工程边坡中得到了广泛的关注，但是对于带锚杆框架梁结构的变形还没有统一的分析方法，对带锚框架结构的变形计算方法只做了有限的研究。

鉴于以上分析可知，碎石土边坡中锚杆锚固性能的研究仍具有实际价值。本文将以贵阳市观潭大道在建项目为研究背景，以碎石土边坡工程特性为切入点，对粉砂质碎石土层中锚杆的锚固性能等方面进行研究，分析结论对碎石土边坡治理及类似工程施工具有重要指导意义和参考价值。

1 工程概况

本文以贵阳市观潭大道在建项目为研究背景，研究探讨锚杆支护对粉砂质碎石土及破碎岩体边坡稳定性的增强效果。建设项目所在场区路堑边坡覆盖层从上至下均为粉砂质碎石土、中风化泥岩、中风化钙质泥岩（局部含煤系地层）。粉砂质碎石土呈灰褐、红褐色，硬塑状为主，稍湿，偶含铁锰质结核，稍有光泽，干强度和韧性中等，碎石等硬质质量分数为20%～50%，碎石骨架以泥岩和泥灰岩为主。地勘揭露粉砂质碎石土强度中等，土体松散破碎。中风化泥岩或中风化钙质泥岩呈深灰色，薄至中厚层，局部夹深褐色页岩。岩体层间有夹层，局部岩体夹层光滑，有沿倾角滑动趋势，整体岩质破碎，稳定性较差，遇水后稳定性降低。

2 碎石土边坡工程特性及加固措施

根据定义，碎石土具有孔隙大、透水性强、变形小等特点，其力学性质一般与含石量、土质特性、土石胶结模式及含水量等因素有关。一般而言，碎石土边坡失稳破坏模式主要有滑移破坏、泥石流、崩塌破坏等。当碎石土边坡坡体中软弱结构面剪应力达到抗剪强度时，坡体将发生滑移破坏，受降雨、地震、施工开挖方式及自身性质的影响较大。当降雨量较大时，坡体同时具有一定的汇水面积及物源物质，水流与碎石土体一同流下形成泥石流灾害。崩塌破坏往往是由于岩土体承受的荷载超过了其极限抗拉强度或抗剪强度而失稳破坏。

对于碎石土边坡的治理措施，多采用“锚杆+框架梁”和“预应力锚索+框架梁”等支护形式，锚杆及预应力锚索可增加锚固力以提高边坡抗滑力，框架梁使得边坡完整性更强，应力分配更均匀。在锚杆框架梁加固的边坡支护结构中，锚杆是主要的受力构件和传力构件，即坡土自重和外荷载产生的侧压力通过锚杆与支护结构之间的连接传递到自由截面上。锚杆作为此类支护体系的主要受力和传力构件，其变形直接影响边坡支护体系的整体加固效果。

3 碎石土边坡锚固计算理论

3.1 锚杆锚固力计算理论

根据土层锚杆设计与施工规范，圆柱形锚杆锚固力（K·Nt）计算公式如下。

对于黏性土：

对于非黏性土：

式（1）（2）中：K为安全系数；Nt为土层锚杆的轴向拉力设计值；d2为锚固体直径；La为锚固段长度；σ为锚固体剪切面上法向应力；φ为土体内摩擦角。

而对于土层中锚杆锚固体与土体的粘结强度的计算公式为：

式（3）中，k0为锚杆锚固段土压力系数；γ为土体天然重度；h为锚固体中点埋深。

3.2 锚杆拉拔力计算模型

锚杆拉拔力计算模型可用Burgers 模型表达[10]，它与蠕变位移的关系为：

式（4）中：u为蠕变位移；F0为恒定轴向拉拔力；K1、K2为弹簧元件的刚度；η1、η2为粘滞系数。

根据大量试验，砂浆-岩土界面之间的摩擦力大于锚杆与砂浆界面之间的摩擦力。因此，砂浆-岩土界面之间的摩擦力主要用于抵抗施加在锚杆系统中锚杆端部的上拔力，锚杆抗拔承载力的计算公式为：

Fu=πdLaτ（5）

式（5）中：Fu为对锚杆施加得极限拉拔荷载；d为锚杆直径；τ为锚杆-砂浆界面的粘结应力。

3.3 框架结构内力及变形计算

对于框架梁结构内力的计算，在确定锚杆设计锚固力后，将2 个锚固点之间框架梁简化为简支梁计算内力，采取最不利原则，用锚杆的最大设计荷载T近似计算分布荷载P，即：

式（6）（7）中：T1、T2为框架梁两端锚杆的设计荷载；L为两锚杆之间的框架梁长度。

如果T1=T2=T，此时框架梁上所受荷载为均布荷载，则有：

为保证锚杆边坡变形时框架梁的安全，在设计计算中，常将系数乘以1.5 或锚杆极限荷载纳入上述公式进行计算。对于框架梁的结构变形计算方法，经典的方法是将框架横梁、竖梁划分为横梁单元、竖梁单元，视为连续梁，并用结构力学中的方法进行计算。

4 碎石土边坡锚杆抗拔力影响因素

4.1 岩土工程条件

各场区地质应力的不同导致岩土体力学性质存在各向异性，该差异将导致不同边坡存在不同的破坏模式，也将造成支护结构以不同的形式失效。对于锚杆框架梁加固碎石土边坡，岩土体力学性质的不同将导致锚杆破坏模式、极限拉拔承载力及失效机理等均有所差异。在强降雨时，雨水会渗透到岩体中，降低岩体的抗剪强度，这些环境因素都会引起锚杆锚固力的变化。当土体较软时，黏结摩擦强度最大值较小，应力分布范围大且均匀。当锚杆通过岩体内部结构面，岩体内部裂隙在锚固力作用下受到压缩，这也会造成锚杆锚固力的损失。

4.2 人为控制因素

在碎石土边坡工程治理中，锚杆锚固性能发挥程度取决于锚杆的设计与施工工艺。在碎石土体中，施工锚杆极易受土体裂隙、地下水层位、锚固深度、锚杆材料、注浆压力、外加荷载等因素影响，导致锚杆抗拔力损失，从而达不到设计要求。在锚固段注入的砂浆在碎石土中扩散是很不均匀的，这将导致锚固段锚固强度分布不均，拉拔时会沿薄弱部位优先启动拔出，从而失去承载力。锚杆拉拔完成后，锚固处的回弹变形与锚杆松弛会造成锚固力的损失。这种损失是不可避免的，但可以通过改进施工方法和施工质量来控制。除此，施工扰动对其抗拔力也会产生一定程度影响。

5 碎石土边坡锚杆抗拔力增强方法

5.1 采用合适的注浆方式

高压注浆能增加砂浆在碎石土层中的扩散半径，相当于扩大了砂浆与碎石土层的有效接触面积。高压注浆对碎石土、粗砂及渗透系数较大的中砂有显著效果，而对于渗透系数较小的中砂及细砂，效果并不明显。当淤泥质土、黏土、碎石土的抗剪强度小或流砂等原因导致钻孔达不到设计孔深时，可采用二次高压灌浆处理，二次注浆形成的异形体能改善锚杆周围土体和粘结灌浆体的力学性能。

5.2 提高锚杆摩阻力

一般来说，随着锚杆的连续拉拔，锚杆末端首先与地面发生较大的剪切，产生一定的塑性变形，端面摩擦阻力降低，摩擦阻力将向后传递。为了增加摩擦阻力，可采取延长锚杆头的措施，增加摩擦面积及增加摩擦阻力。对于砂浆锚杆，其拉拔阻力主要来自固体锚柱与地下层、锚柱与泥浆之间的摩擦力，提高摩擦阻力能有效提高锚杆的极限拉拔能力。

5.3 优化施工工艺

优化锚杆成孔工艺：可优化钻头、钻杆及钻进方式等来解决锚孔成孔进尺慢、效率低的技术难题。若在成孔过程中进行注浆工作，可有效提高锚杆抗拔力，但这一难题仍需要做大量的研究工作以寻求一套完备的一体化施工设备和技术。

优化锚杆注浆工艺：由于碎石土层土质松散，成孔完成后由于土层自持力较差易发生塌孔现象，针对这一问题可采用套管跟进技术。在注浆注满时应保持注浆压力3～5 min，注浆时加入适量膨胀剂和速凝剂以促使浆体膨张、早凝及控制泌水。

优化框架梁施工工艺：框架梁在现场施工中会出现滑塌现象，针对这一难题可减小浇筑混凝土坍落度加以解决，并严格检查各环节的施工质量，以达到设计效果。

6 结束语

综上所述，本文从碎石土边坡工程特性出发，引入了锚杆框架梁锚固计算理论与模型，分析了碎石土边坡中锚杆锚固力损失的影响因素，概述了碎石土边坡锚杆抗拔力的提升方法，总结如下：①锚杆框架梁护坡对粉砂质碎石土体、破碎岩体具有固结稳定作用，护坡效果较好，但锚杆极易受土体裂隙、地下水层位、锚固深度、锚杆材料、注浆压力、外加荷载等因素影响；②对锚杆施加拉拔力时，锚固区剪应力取决于界面间的耦合机制，而锚固长度越大，锚固区内对外荷载的响应范围越大；③碎石土边坡锚杆抗拔力增强方法可以从注浆方式、提高锚杆摩阻力及施工工艺等方面考虑。