高強錨桿在路基邊坡支護中的支護效果研究

鄧躍華

（中國鐵建十六局集團第二工程有限公司 天津 300162）

1 引言

高強鋼筋［1－3］通常是指屈服強度不小于400 MPa的普通熱軋、細晶粒和余熱處理鋼筋，與普通鋼筋相比具有強度高、綜合性能優良、節約環保、使用壽命長、安全性高等優點。其優異的力學性能能夠有效降低工程中鋼筋用量、提高工程施工質量。當前，隨著工程建設規模不斷擴大，面對能源、資源不足，環境污染加重的形勢，高強鋼筋的應用與推廣，在節材方面可取得顯著成效，對建設節約型社會具有重大意義［4－5］。

然而目前我國高強鋼筋只是成功應用于建筑樓房、煤礦巷道、風能基礎、重載公路、地鐵車站等領域，在工程建設等領域并未得到廣泛推廣，尤其是鐵路工程中還沒有應用先例。因此，推廣高強鋼筋在鐵路工程中的應用，為高強鋼筋在鐵路工程中的全面推廣提供理論技術支撐，研究高強錨桿在鐵路路基邊坡支護中的適用性十分必要［6］。

2 工程背景

新建成蘭鐵路CLZQ-4標位于成都平原北部，沿線多為水田及旱地，灌溉溝渠縱橫交錯。工程區域表覆第四系全新人工填筑土，下伏松軟土、粗圓礫土、卵石土。地層巖性主要以千枚巖、板巖為主，局部段落夾砂巖、灰巖，零星分布花崗巖。受構造影響，多表現出強烈的揉皺變形和擠壓破碎，軟巖和破碎巖巖性條件極差。

區域內地下水類型主要有第四系松散層孔隙潛水、碎屑巖類裂隙孔隙水、基巖裂隙水。第四系松散層孔隙潛水主要分布于區內河流兩岸第四系松散堆積層內，賦存孔隙水，富水性較好。

路基高邊坡采用錨桿框架梁支護，JK0＋970～JK1＋030區段位于安縣貨場，基線右側挖方邊坡較高，最大高度為18 m，主要位于泥巖弱風化層中，化學環境類型為化學侵蝕環境及氯鹽環境，地表水對混凝土結構構件無侵蝕作用。該邊坡區域露出層主要是由粉質黏土、灰巖、泥巖風化碎屑構成，露出層厚度在2～3 m之間，露出層以下為6 m厚強風化泥巖、中風化泥巖和弱風化泥巖。將JK0＋970～JK1＋030路基高邊坡錨桿框架梁支護段落作為對比試驗段，該段邊坡地質分布均勻，參數基本類似，試驗的可比性能夠保證。

3 錨桿強度對比

JK0＋970～JK1＋030區段錨桿框架梁采用矩形布置，開挖后邊坡為一級邊坡和二級邊坡，一級邊坡高度為8 m，坡度為1∶1.25；二級邊坡高度為5.2 m，坡度為1∶1.25，一級邊坡與二級邊坡之間有一2 m寬平臺?？蚣芰夯炷翉姸鹊燃墳镃35，框架梁間距3.0 m。錨桿體一般垂直于坡面布置，錨桿布點位置位于每兩段框架梁交接的節點上。錨桿注漿壓力為0.2～0.4 MPa，注漿材料選用水灰比0.45～0.5、灰砂比為1∶1的M35水泥砂漿。錨桿參數如表1所示。

表1 錨桿參數對比

4 試驗方案

選取JK0＋970～JK1＋000為高強錨桿支護試驗區間，采用熱處理高強螺紋鋼筋錨桿支護，錨桿總數約40根，直徑為22 mm，長8 m／根。

選取JK1＋000～JK1＋030為普通錨桿支護試驗區段，采用普通螺紋鋼筋錨桿支護，錨桿總數約40根，直徑32 mm，長8 m／根。每個試驗區段布設兩個測試斷面，每個測試斷面布設4根測力錨桿，每根錨桿布設3個鋼筋軸力測點，在測力錨桿附近位置布置邊坡位移測點。錨桿軸力采用鋼筋計進行測試，邊坡位移采用全站儀測試。

（1）鋼筋計布設

鋼筋計安裝時，將每根8 m長錨桿截斷成4節，3個截斷點處采用與錨桿粗細相同的鋼筋計滿焊焊接牢固；焊接完成后檢查是否有缺陷，排除漏焊、半焊等焊接不合格區域，保證試驗成功。

（2）邊坡位移監測

每個試驗區段內設置兩個監測斷面，其中JK0＋985與JK0＋988為高強錨桿監測斷面，每個監測斷面埋設4個監測錨桿；JK1＋015與JK1＋018為普通錨桿監測斷面，每個監測斷面埋設4個監測錨桿。在一級邊坡與二級邊坡之間平臺處，22 mm高強錨桿與32 mm普通錨桿監測斷面各埋設一個邊坡位移觀測樁。位移觀測樁采用混凝土樁，樁中心為φ14 mm鋼筋，刻畫十字線，外露5 mm，采用全站儀進行觀測。

5 監測結果及對比分析

錨桿與儀器埋設完成后，取第一時間采集的數據為初始值，初始幾天無特殊情況堅持每天進行數據采集，后期數據采集頻率可適當下降。本次錨桿軸力監測期為100 d，位移監測期為20 d。由于路基邊坡工程露天，無遮雨設施，數據采集時為保護儀器應避免在雨天進行［7－10］。

5.1 錨桿受力監測分析

22 mm高強錨桿試驗段8個監測錨桿（MG1～MG8）的錨桿受力時程監測結果如圖1～圖3所示，其中每根錨桿上設置3個受力監測點，以里側監測點、中間監測點、外側監測點進行標記。

圖1 高強錨桿里側軸力時程曲線

圖2 高強錨桿中間軸力時程曲線

圖3 高強錨桿外側軸力時程曲線

通過整理不同坡高處、不同埋深位置的軸力值，22 mm高強錨桿軸力空間分布如圖4所示。

圖4 高強錨桿軸力空間分布

32 mm普通錨桿試驗段8個監測錨桿（MP1～MP8）的錨桿受力時程監測結果如圖5～圖7所示，其中每根錨桿上有3個受力監測點，以里側監測點、中間監測點、外側監測點進行標記。

圖5 普通錨桿內側軸力時程曲線

圖6 普通錨桿中間軸力時程曲線

圖7 普通錨桿外側軸力時程曲線

通過整理不同坡高處、不同埋深位置的軸力值，32 mm普通錨桿軸力空間分布如圖8所示。

圖8 普通錨桿軸力空間分布

（1）22 mm高強錨桿與32 mm普通錨桿的軸力時程發展規律基本一致，同一錨桿上里側、中間、外側3點軸力發展大體上呈現出一致性，先小幅度增加，隨后呈現出短暫受壓狀態，然后緩慢向受拉趨勢發展。從錨桿不同埋深部位所受軸力時程發展曲線而言，越靠近里側，錨桿軸力發展越穩定，受外界因素干擾程度越??；而外側部位所受軸力發展起伏較大，更容易受到外部因素干擾。按照趨勢而言，外側部位所受軸力總體最大，且相同部位采用22 mm高強錨桿的軸力發展穩定程度要優于32 mm普通錨桿。

（2）從同一根錨桿不同部位軸力空間分布大小來看，22 mm高強錨桿與32 mm普通錨桿的空間分布規律基本一致，呈現出“外大內小”的分布特點，外側部位所受軸力要大于內側部位，且越靠近坡腳位置越明顯。

（3）從監測斷面不同高度錨桿軸力分布來看，同一斷面處錨桿軸力分布呈現出“上大下小”的特點，高處的錨桿所受軸力整體上要小于低處錨桿，坡腳位置處錨桿所受軸力要大于其他部位。

（4）對比軸力大小，采用22 mm高強錨桿所受最大軸力為5.74 kN，所受軸力監測平均值為2.36 kN；而采用32 mm普通錨桿所受最大軸力為6.68 kN，為高強錨桿的1.16倍，所受軸力監測平均值為2.91 kN，為高強錨桿的1.23倍。對比可見，采用22 mm高強錨桿各點所受軸力普遍小于32 mm普通錨桿。

（5）錨桿軸力發展受降水影響較大，如監測后第13天出現大規模降水，錨桿軸力明顯出現增大，因此，邊坡支護設計時應充分考慮降水因素。

5.2 邊坡位移監測分析

采用全站儀對監測斷面處埋設的邊坡位移觀測樁進行位移監測［11］，整理監測數據如圖9、圖10所示。

圖9 邊坡水平位移發展曲線

圖10 邊坡豎直位移發展曲線

（1）采用22 mm高強錨桿與采用32 mm普通錨桿邊坡支護斷面邊坡位移發展趨勢基本一致，早期邊坡位移發展迅速，一周后邊坡位移發展趨緩。同邊坡錨桿受力類似，邊坡位移也受降水影響，降水期間邊坡位移增幅加大，因此邊坡支護設計要充分考慮降水因素的不利影響。

（2）22 mm高強錨桿支護斷面邊坡水平位移達到16.4 mm，豎直位移為10.9 mm；32 mm普通錨桿支護斷面邊坡水平位移達18.3 mm，豎直位移為13.1 mm，同一支護斷面邊坡水平位移要大于豎直位移。

（3）采用22 mm高強錨桿支護斷面邊坡水平位移為32 mm普通錨桿支護斷面的89.6%，采用22 mm高強錨桿支護斷面邊坡豎直位移為32 mm普通錨桿支護斷面的83.2%，可見采用22 mm高強錨桿支護斷面邊坡位移要小于32 mm普通錨桿支護斷面，采用22 mm高強錨桿具有較好的控制邊坡位移能力。

6 結論

22 mm高強錨桿和32 mm普通錨桿支護下邊坡安全系數、邊坡位移、塑型區分布、錨桿受力分布特點基本一致。22 mm高強錨桿的安全系數、受力均要略優于32 mm普通錨桿，采用22 mm高強錨桿軸力發展穩定程度略好于32 mm普通錨桿，各位置單根錨桿相同部位的軸力也普遍小于32 mm普通錨桿。采用22 mm高強錨桿支護斷面邊坡位移要小于32 mm支護斷面，采用22 mm高強錨桿顯示出較好的控制邊坡位移能力。就邊坡穩定性分析而言，22 mm高強錨桿可以替代32 mm普通錨桿。

與32 mm普通錨桿相比，22 mm高強錨桿每根鋼材耗費節約53%，直接費用節約46%。路基邊坡錨桿采用高強鋼筋相對于普通鋼筋結構輕便，便于安裝與運輸，能夠節約運輸成本，且有利于提高施工效率、加快施工進度、降低施工難度、提高施工安全性，具有可觀的間接經濟效益。實際工程中可用22 mm高強錨桿代替32 mm普通錨桿，從而提高工程質量及工程安全性、降低用鋼量，達到經濟、高效的效果，同時提高我國鐵路工程綠色施工水平［12］。