关键词：高速公路;高边坡防护;预应力锚索;三维植草网;
作者简介：白立波（1977—），男，河北平山人，工程师，研究方向道路桥梁工程。;
0 引言当前，山区高速公路建设项目越来越多，而在山区进行高速公路项目建设时往往面临着不同于常规高速公路项目的特点与难点，尤其是山区往往具备高边坡，山体存在不同程度的潜在安全隐患，如滑坡、泥石流等。为保证高边坡防护的安全与经济性，预应力锚索技术得到了广泛的推广与应用，其能在保证防护质量的前提下，降低经济成本，便于实践操作。其原理是将山体边坡所受的倾覆力通过锚索传递至深层稳定土体处并由其承担受力，充分发挥土体自承力，从而保证边坡滑移面的稳定性。与此同时，三维植草网工艺的辅助应用，有助于高边坡土体的局部稳定性，并将预应力锚索、植草网以及边坡土体形成一个受力整体，协同作业，最终达到高效进行边坡防护的目的。
锚索采用可回收式形式时，不仅可在临时支护完成后对其进行拆除并回收重复利用，更解决了边坡防护造成的地下空间及建筑垃圾污染问题，同时不影响后期高速公路的边坡开发，因而具有广阔的发展和应用前景，大量学者及工程技术人员对可回收预应力锚索开展了研究。如2012年，李兆平等[1]对深圳地铁3号线停车场工程深基坑支护的预应力锚索回收方案进行了优化，并通过数值模拟和基坑监测证明回收方案是可行的。2011年，刘卫铎[2]介绍了深圳市地铁福田枢纽可回收锚索施工技术及注意事项。2015年，翁其平[3]采用“整坑围护，分阶段实施”的设计方法对无锡火车站综合交通枢纽工程进行设计，并对其施工技术进行研究。
综上所述，可回收锚索具有较多的工程应用及研究，但均集中在地下基坑工程中，对在高速公路的高边坡防护中使用可回收预应力锚索进行的研究较少。因此，研究高边坡防护工程采用的可回收预应力锚索受力机理、施工关键技术具有重要的研究及应用价值，同时有利于促进其推广和应用。
2 高速公路项目概况2.1 工程概况某高速公路建设项目位于我国西南山区地带，路线里程情况为：全长左线18.915km，右线19.866km；其中，属于全部新建的线路长度为12.894km，右线11.731km；扩建左线6.871km，右线8.136km。在该高速公路某区间段左侧，路基形式采用为挖方路堑，呈现高边坡形式，最高处达32m。山体风化程度较高，边坡稳定性不足，极易发生顺层坍塌、滑层等病害，威胁高速公路的建设安全与使用功能。为保证边坡稳定，设计采用预应力锚索结合三维植草网进行边坡防护加固。
2.2 可回收预应力锚索简介本高速公路边坡防护工程中采取的可回收式锚索为高压旋喷锚索。该可回收锚索由钢绞线、波纹套管、锚板、注浆体和外锚头组成，其结构简图如图1。钢绞线一端固定在冠梁位置，一端固定在锚板上，锚板埋在灌浆体中，张拉钢绞线，钢绞线受力并将拉拔力传递给锚固段的钢绞线和锚板，钢绞线和锚板通过其与注浆体之间的机械咬合力和摩擦力将力传递给周围的注浆体，最后锚固段的注浆体通过剪应力将力传递给周围的土体。
本高速公路工程采用的可回收预应力锚索端部构造如图2所示。在高边坡结构施工完成后，在锚索末端施加一个较大的拉拔力，锚索末端的夹具失效，从而在对周围土体不产生较大的扰动的情况下，将锚索逐根抽出，实现锚索的回收。
图1 高边坡防护锚索结构示意图 下载原图
图2 可回收锚索端部实物图 下载原图
3 锚索数值模拟受力分析本高速公路工程所采用的可回收预应力锚索的锚固体传力机制为：在压力注浆阶段，通过挤压注浆体，使注浆体产生膨胀，注浆体产生膨胀挤压周围土体，使注浆体和土体均处于三向受力状态。锚固段的应力传递一般包括以下3种：①黏结作用，其主要由灌浆体与锚索之间的物理作用产生；②机械锁制作用，其主要由锚索表面的螺纹与灌浆体之间的机械咬合作用产生；③摩擦作用。
3.1 数值模型的建立为研究高速公路边坡中应用可回收预应力锚索的可行性与操作性，分析其具体的受力机制与力学行为，本文采用有限元软件对高速公路工程中采用的预应力锚索进行模拟分析。在高速公路工程使用的预应力锚索中，对其自由端采用波纹管将注浆体与锚索隔离开，因此，只考虑锚接触面破坏。采用弹簧单元模型模拟接触关系，接触面的法向刚度和切向刚度取其值为1 010Pa/m。
边界条件：在岩土体模型底部及顶部施加Z方向的位移约束，在模型侧面施加X、Y两个方向的约束。
数值模型：取锚固体的长度为6m，岩土体的长度取锚固体长度的1.2倍，岩土体取底面半径为3m的圆，锚固体半径取300mm，具体模型及网格划分见图3。
3.2 结果分析基于上述数值模型进行模拟，通过计算分析锚固体轴向应力与剪应力分布，结果如下：
(1）对比本文与文献[4]中的计算结果可知：本文中锚固体的应力分布、轴向应力和剪应力的数值及变化趋势与文献[4]中接近，表明本文建立的模型准确可靠，可用于研究锚固体及岩土体的应力分布规律。
图3 网格划分后的1/4有限元模型 下载原图
(2）由模拟结果可发现，锚固体的轴向应力和剪应力分布是不均匀的，随着深度增加而减小，在锚固远端一定范围内，锚固体的应力几乎为零。表明当锚固体的长度超过一定值时，再通过增加锚固体长度对提高锚索承载力非常有限。
(3）锚固体应力较大的区域集中在锚固体端部的一段范围内，该范围以外的锚固体应力均较小。锚固体端部存在严重的应力集中现象。因此，在现场施工中需密切关注锚固体端部一定范围内灌浆的施工质量。
4 预应力锚索施工关键技术预应力锚索采用跳打法进行施工。即先打第一组的两根锚索，然后隔两根锚索打第二组的两根锚索，后期打中间的第三组锚索，以此类推进行其他区域的锚索施工。预应力锚索在实际施工时，按照下面的施工工艺进行施工：放点和复核点位→移动机器到指定位置→调整钻机的角度→锚索的套管清洗→锚索制作→带锚索喷浆下沉→下沉至设计底标高→锚固段位置喷浆提升→自由段位置直接提升→桩体养护。
4.1 场地条件护坡桩施工完毕，桩体混凝土强度达到10MPa以上；锚杆施工前，四周挖土至锚杆位置以下0.5m，并保证离护坡桩10m范围内平坦。
4.2 设备选择及成孔方式根据每道锚杆地层条件，锚杆施工需选用普通螺旋锚杆钻机、气泵风钻钻机、水钻钻机其中一种或多种钻机组合施工，且三种钻机均具备带套管跟进成孔功能。根据土层性质确定干、湿作业，钻孔直径150mm，孔深24m/20m/17m，成孔角度为10°。如遇中细砂、卵石等易塌孔土层，安装护壁套管设备钻进。
4.3 锚杆杆体加工与安装在本高速公路的边坡防护实践中，采用的预应力锚索为钢绞线制作，型号为7股5丝，抗拔力为1 860MPa。在现场场地充裕地带进行锚杆体下料，自由段相应地涂抹黄油，再采取塑料管防护。锚杆体两端用胶带密封，底部为方便钻孔时进入，应将其束紧牢靠。杆体放置时，同步将注浆管跟随杆体放入，注浆管一般固定于锚杆孔定位架的中心处，以保证不被破坏。锚索杆体放入成孔过程应保持缓慢匀速，尽量避免孔壁坍塌或发生缠绕。
4.4 注浆预应力锚索放置完成后，应及时采取合适型号的注浆泵实施注浆工作，使其产生作用力。本次锚杆的锚固段设计强度为20MPa。锚杆注浆分2次实施，第一次注浆压力约0.4MPa，以钻孔洞口出浆为停注标志。完成第1次注浆后，待静置约1h后，实施第2次注浆，此时采取重力式灌浆法，并再次注浆至孔口出浆。需要注意的是，第1次注浆过程中需要同步将护壁套管缓慢拔出孔洞，并将注浆情况实时记录。
4.5 安装锚具、张拉预应力锚索注浆完成后，即进行锚具安装及预应力施加操作。施加预应力能保证锚索产生预拉力，能够抵消高速公路边坡土体产生的主动土压力，提升防护效果。锚具以及夹片等安装流程与常规工艺相同，不再赘述。需要注意的是，锚杆张拉的前提是锚索锚固段的强度达到设计强度的75%以上方能进行，不可提前进行张拉操作。正式张拉前进行1～2次的试张拉，消除非弹性变形，并使各部件连接紧密，杆体顺直。张拉过程采取间隔进行，减少张拉施工对邻近锚索的影响。每个锚索张拉时采取分级施加拉力的方式，其逐级加载次序如表1。
表1 张拉加载次序 下载原图
4.6 锚杆验收试验
为检查锚杆施工质量是否达到设计要求，锚杆施工完毕后，请第三方检测单位现场随机抽取每种锚杆总数的3%进行验收试验。
5 三维植草网喷播技术该技术是目前常用边坡坡面复绿与防护技术之一，其能起到有效的高边坡防护功能。该技术主要是在高陡岩质边坡构建适合植被生长的环境，喷洒播种土工合成和人工活性植物种子的混合物，然后利用生长起来植物的根系加筋对坡面进行加固和保护，具体见图4。
该技术传入我国后，已有许多专家学者对其进行研究和实践，并取得了一定的成果，如罗艺伟等[5]、刘晓鹏[6]等主要探讨研究了该技术在使用过程中的程序和工作要领；徐一斐等[7]通过研究和实践发现，利用三维植被网喷播技术能够有效地减少水土流失，增加高岩质边坡的植被覆盖率。由此可知，在高速公路高边坡防护工程中，应用三维植被网喷播技术能从生态环境角度增强土体自稳定性，降低土体滑坡的概率，从而提高高速公路高边坡的防护效果。
图4 三维植被网喷播护坡示意 下载原图
6 结论本文结合我国西南山区地带某高速公路建设项目的高边坡防护工程实践，阐述了基于预应力锚索与三维网植草的高速公路高边坡防护，得出以下结论：
(1）在高速公路边坡防护工程中采取的可回收式锚索为高压旋喷锚索，具有较好的综合效益，能达到边坡防护目的。
(2）当锚固体长度超过一定值时，增加锚固体长度对提高锚索承载力非常有限；在现场施工中需密切关注锚固体端部一定范围内灌浆的施工质量。
(3）在高速公路高边坡防护工程中，应用三维植被网喷播技术能从生态环境角度增强土体自稳定性，降低土体滑坡的概率，从而加强高边坡防护效果。
参考文献[1] 李兆平，黄明利，王建，等.地铁深基坑采用可回收锚索支护方案优化设计[J].地下空间与工程学报，2012,8(1):154-160.
[2] 刘卫铎.可回收锚索工艺在城市地铁施工中的应用[J].铁道工程学报，2011,28(3):105-108,114.
[3] 翁其平.无锡火车站综合交通枢纽超大面积基坑工程设计与实践[J].土木工程学报，2015, 48(S2):103-107.
[4] 唐士鑫.可回收式锚杆的锚固力学特性研究[D].重庆：重庆大学，2017.
[5] 罗艺伟，罗建军，龙文强.花岗岩的三维网植被护坡技术与工程实践[J].公路工程，2014,39(3):238-240.
[6] 刘晓鹏.三维植被网喷播植草技术在边坡植被恢复上的运用[J].四川水利，2013,34(4):84-85.
[7] 徐一斐，陈盛彬，邓阿琴.三维植被网生态防护施工技术的研究[J].安徽农业科学，2012, 40(34):16786-16787,16811.
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