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摘要：预应力锚索抗滑桩是上世纪80年代研究开发的一种新型抗滑桩结构形式，它是在普通抗滑桩的桩头部位设置一孔或多孔预应力锚索。目前，预应力锚索抗滑桩的受力机理尚不明确，本文结合预应力锚索抗滑桩的结构特点分析了不同工况条件下的桩身受力情况，为合理应用预应力锚索抗滑桩提供参考。
关键字：预应力 锚索 滑桩 载荷
随着我国公路建设事业的蓬勃发展，越来越多的公路将穿越地形地质复杂区域，加上线路设计对坡度、弯度要求严格，势必会产生大量的不稳定边坡，这给边坡治理提出了更高的要求。预应力锚索抗滑桩桩身受力状态更为合理，且造价相对较低、工程效果明显，在公路滑坡病害治理工程实践中获得了广泛的应用和发展。
1.预应力锚索抗滑桩的结构特点：
预应力锚索抗滑桩主要由预应力锚索、锚具、抗滑桩等组成，与普通抗滑桩的悬臂锚固梁柱结构不同，预应力锚索抗滑桩是一种近似弹性支座简支梁柱结构。与普通抗滑桩相比，预应力锚索抗滑桩优点有：
1）能充分发挥高强钢材、钢丝、钢绞线等材料的良好性能；
2）最大限度地利用岩土介质的内在强度和潜力，加强自承和自稳能力；
3）主动加载用以改善工程结构的应力状态，提高受加固体的强度；
4）确保工程施工的安全及岩土体的长期持续稳定，约束其变形。
2. 预应力锚索抗滑桩的工况条件
根据预应力锚索抗滑桩的施工构筑工序、预应力锚索的锁定步骤和滑坡推力的作用时步等桩身受力状态，分析预应力锚索抗滑桩的工况历时条件主要可以分为：
1）成桩工况条件
抗滑桩桩身灌筑完成之后，桩头锚索预应力施加之前，一般不考虑滑坡推力的作用(显著变形活动的滑坡体除外)，其桩身外荷载为桩身前后两侧的静止土压力荷载，如果桩身前后地面高差明显，则存在不平衡土压差，将产生桩体的小量变形和桩侧反力，严格地说，会影响下一时步的桩体变形和桩侧反力分布。由于考虑这种土压差较小，且基本已在桩身护壁施工期间通过护壁结构调整和承担，故通常视该成桩工况条件为空载条件。如图一所示。
图 一
2）前期滑坡推力作用工况
抗滑桩桩身灌筑完成之后，桩头锚索预应力施加之前，当滑坡病害存在显著的变形活动，必须考虑前期滑坡推力的作用，此时可根据相关工程经验或现场实测值确定外荷载。
在该时步工况条件下，其外荷载为前期滑坡推力，即前期桩后滑坡推力和桩前滑坡抗力，桩侧地基为滑面以下桩段范围内的线弹性地基支座。其中需要明确的是，前期滑坡推力作用仅当滑面以上桩后滑坡推力大于桩前滑坡总抗力时才能产生作用，即部分桩后滑坡推力用于平衡桩前滑坡抗力。如图二所示。
图 二
3）预应力锚索锁定工况
抗滑桩桩身灌筑完成并达到设计强度要求之后，即可对桩头锚索进行张拉，施加预应力，并按照设计锁定拉力值进行锁定。在该时步工况条件下，其外荷载包括桩头锁定预应力、桩前滑坡抗力和前期桩后滑坡推力；桩侧地基考虑为滑面上下全桩段范围内的线弹性地基支座。如图三所示。
图 三
4）后期滑坡推力作用工况
当预应力锚索锁定作业完成以后，预应力锚索抗滑桩还将承担后期滑坡推力直至设计滑坡推力状态，并与预应力锚索协调变形和共同作用。
在该时步工况条件下，其外荷载包括后期滑坡推力、桩头锁定预应力和前期滑坡推力与滑坡抗力，即全部荷载作用；桩侧地基为滑面以下桩段范围内的线弹性地基支座和预应力锚索等效线弹性支座。如图4所示。
其中需要明确的是，预应力锚索锁定工况条件下，在滑面以上产生的桩侧抗力部分是由后期滑坡推力平衡所包含；另外，预应力锚索与桩体的协调变形和耦合作用是通过在相应锚头处作用的等效弹性支座处理。
图 四
3.主要应用计算方法及分类
对于预应力锚索抗滑桩结构的分析计算，在工程实践中常用的方法可分为三类。
第一类计算方法，即简化工况法。简化工况法是直接将锚索预应力作为外荷载施加在桩头上，与滑坡推力一起按静力问题计算滑面以上桩身内力及滑面处的剪力和弯矩，而滑面以下桩体内力计算与普通抗滑桩有关计算相同。
第二类计算方法，即时步工况法。这类计算方法没有考虑锚索与桩体的变形协调及其历时工况条件，认为锚索的拉力就是所施加的预应力在工作过程中其值保持不变或最终设计拉力状态。
第三类计算方法，即实时工况法。这种方法计算较简单，但由于在滑坡推力作用下未考虑锚索与桩的协调变形以及历时荷载作用过程，必将存在工程经济或风险问题。
4.预应力锚索抗滑桩应用注意事项
1）确定滑动面的强度指标及滑坡下滑力
滑动面的强度指标可直接通过现场的滑动面大剪试验获取。但少量大剪试验往往离散性较大，大量大剪试验费钱费工又不现实，因此往往根据滑坡主轴断面采用反算法来确定，即根据当前的滑坡状态，据经验确定其稳定系数，再反算c、Φ值指标。对滑坡体所处稳定状态的评估带有很大的经验性，应据滑体变形现状来厘定。当滑坡处于蠕动阶段、滑动阶段时，现状稳定系数可分别在1.10-1.00、1.00-0.95范围内取值。当滑坡未明显变形或己剧滑时，现状稳定系数无法确定，不适于反算。
2）预应力损失与张拉值
为减少锚索锁定后的预应力损失，可通过以下三种途径：
（1）加大垫墩尺寸，减小锚墩底面对岩土体的压力水平。
（2）采用小吨位锚索，如500kN、750kN级锚索。
（3）多次张拉与超张拉。后一次张拉可补偿前一次张拉后的预应力损失；按超过设计预应力进行锁定前的超张拉，可弥补地层压缩徐变所致预应力损失。超张拉值根据测试和经验而确定，一般土体控制在25%以内，岩体则控制在10%以内。
3）钢绞线根数的确定
根据单根锚索要求承受的锚固力和钢绞线的最小破断载荷，加一定的安全系数来确定锚索的钢绞线根数。
一般采用的美国标准ASTMA416-94钢绞线，用7丝拧成，φ15.24mm，截面面积140mm2，张拉强度1860N/mm2，最小破断载荷260.7kN。500kN锚索用4根钢绞线组成，750kN锚索用6根钢绞线组成，超张拉25%时安全系数K为1.6。研究现有规范认为K取1.50已足够。
4）锚索体结构的确定
对拉力型锚索，钢绞线呈同心状环列，中心全长插灌浆管。锚固段用扩张环和定位片束张呈藕节状；自由段各根钢绞线防锈防腐后，分别套上塑料管，再用箍环紧束成索；塑料管末端用胶带扎成止浆塞。
5）锚孔直径的确定
锚孔直径据索体直径，并考虑砂浆体的空间来确定。4-8根钢绞线的锚索，锚孔孔径一般设计为90~115mm；9-15根钢绞线的大吨位锚索，锚孔孔径一般设计为115~135mm。据成孔机具，一般设计为110mm。
6）锚索吨位的确定
当失稳坡面较大时，宜尽量采用小吨位锚索来加固。虽然小吨位锚索比大吨位锚索的根数要多，因而造孔费用略高，但增大了加固面积，可减少未加固区滑体的残余变形，效果更好。
结论：
预应力锚索抗滑桩作为一种新型的支护形式，在公路路基边坡加固中得到了广泛应用，但其受力机理尚不明确，理论已落后于工程实践。本文对预应力锚索抗滑桩的一些问题进行了探讨。
参考文献：
[1] 高大釗. 岩土工程标准规范实施手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1999.
[2] 田士军. 预应力锚索抗滑桩在黄泥包滑坡整治中的应用[J]. 路基工程,2005,23(4):17～20
[3] 刘小丽,张占民,周德培. 预应力锚索抗滑桩的改进计算方法[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2568～2572
[4] 魏宁,傅旭东,皱勇. 预应力锚索抗滑桩的有限元计算与应用[J].武汉大学学报,2004,37(5):73～76
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键字：预应力 锚索 滑桩 载荷
随着我国公路建设事业的蓬勃发展，越来越多的公路将穿越地形地质复杂区域，加上线路设计对坡度、弯度要求严格，势必会产生大量的不稳定边坡，这给边坡治理提出了更高的要求。预应力锚索抗滑桩桩身受力状态更为合理，且造价相对较低、工程效果明显，在公路滑坡病害治理工程实践中获得了广泛的应用和发展。
1.预应力锚索抗滑桩的结构特点：
预应力锚索抗滑桩主要由预应力锚索、锚具、抗滑桩等组成，与普通抗滑桩的悬臂锚固梁柱结构不同，预应力锚索抗滑桩是一种近似弹性支座简支梁柱结构。与普通抗滑桩相比，预应力锚索抗滑桩优点有：
1）能充分发挥高强钢材、钢丝、钢绞线等材料的良好性能；
2）最大限度地利用岩土介质的内在强度和潜力，加强自承和自稳能力；
3）主动加载用以改善工程结构的应力状态，提高受加固体的强度；
4）确保工程施工的安全及岩土体的长期持续稳定，约束其变形。
2. 预应力锚索抗滑桩的工况条件
根据预应力锚索抗滑桩的施工构筑工序、预应力锚索的锁定步骤和滑坡推力的作用时步等桩身受力状态，分析预应力锚索抗滑桩的工况历时条件主要可以分为：
1）成桩工况条件
抗滑桩桩身灌筑完成之后，桩头锚索预应力施加之前，一般不考虑滑坡推力的作用(显著变形活动的滑坡体除外)，其桩身外荷载为桩身前后两侧的静止土压力荷载，如果桩身前后地面高差明显，则存在不平衡土压差，将产生桩体的小量变形和桩侧反力，严格地说，会影响下一时步的桩体变形和桩侧反力分布。由于考虑这种土压差较小，且基本已在桩身护壁施工期间通过护壁结构调整和承担，故通常视该成桩工况条件为空载条件。如图一所示。
图 一
2）前期滑坡推力作用工况
抗滑桩桩身灌筑完成之后，桩头锚索预应力施加之前，当滑坡病害存在显著的变形活动，必须考虑前期滑坡推力的作用，此时可根据相关工程经验或现场实测值确定外荷载。
在该时步工况条件下，其外荷载为前期滑坡推力，即前期桩后滑坡推力和桩前滑坡抗力，桩侧地基为滑面以下桩段范围内的线弹性地基支座。其中需要明确的是，前期滑坡推力作用仅当滑面以上桩后滑坡推力大于桩前滑坡总抗力时才能产生作用，即部分桩后滑坡推力用于平衡桩前滑坡抗力。如图二所示。
图 二
3）预应力锚索锁定工况
抗滑桩桩身灌筑完成并达到设计强度要求之后，即可对桩头锚索进行张拉，施加预应力，并按照设计锁定拉力值进行锁定。在该时步工况条件下，其外荷载包括桩头锁定预应力、桩前滑坡抗力和前期桩后滑坡推力；桩侧地基考虑为滑面上下全桩段范围内的线弹性地基支座。如图三所示。
图 三
4）后期滑坡推力作用工况
当预应力锚索锁定作业完成以后，预应力锚索抗滑桩还将承担后期滑坡推力直至设计滑坡推力状态，并与预应力锚索协调变形和共同作用。
在该时步工况条件下，其外荷载包括后期滑坡推力、桩头锁定预应力和前期滑坡推力与滑坡抗力，即全部荷载作用；桩侧地基为滑面以下桩段范围内的线弹性地基支座和预应力锚索等效线弹性支座。如图4所示。
其中需要明确的是，预应力锚索锁定工况条件下，在滑面以上产生的桩侧抗力部分是由后期滑坡推力平衡所包含；另外，预应力锚索与桩体的协调变形和耦合作用是通过在相应锚头处作用的等效弹性支座处理。
图 四
3.主要应用计算方法及分类
对于预应力锚索抗滑桩结构的分析计算，在工程实践中常用的方法可分为三类。
第一类计算方法，即简化工况法。简化工况法是直接将锚索预应力作为外荷载施加在桩头上，与滑坡推力一起按静力问题计算滑面以上桩身内力及滑面处的剪力和弯矩，而滑面以下桩体内力计算与普通抗滑桩有关计算相同。
第二类计算方法，即时步工况法。这类计算方法没有考虑锚索与桩体的变形协调及其历时工况条件，认为锚索的拉力就是所施加的预应力在工作过程中其值保持不变或最终设计拉力状态。
第三类计算方法，即实时工况法。这种方法计算较简单，但由于在滑坡推力作用下未考虑锚索与桩的协调变形以及历时荷载作用过程，必将存在工程经济或风险问题。
4.预应力锚索抗滑桩应用注意事项
1）确定滑动面的强度指标及滑坡下滑力
滑动面的强度指标可直接通过现场的滑动面大剪试验获取。但少量大剪试验往往离散性较大，大量大剪试验费钱费工又不现实，因此往往根据滑坡主轴断面采用反算法来确定，即根据当前的滑坡状态，据经验确定其稳定系数，再反算c、Φ值指标。对滑坡体所处稳定状态的评估带有很大的经验性，应据滑体变形现状来厘定。当滑坡处于蠕动阶段、滑动阶段时，现状稳定系数可分别在1.10-1.00、1.00-0.95范围内取值。当滑坡未明显变形或己剧滑时，现状稳定系数无法确定，不适于反算。
2）预应力损失与张拉值
为减少锚索锁定后的预应力损失，可通过以下三种途径：
（1）加大垫墩尺寸，减小锚墩底面对岩土体的压力水平。
（2）采用小吨位锚索，如500kN、750kN级锚索。
（3）多次张拉与超张拉。后一次张拉可补偿前一次张拉后的预应力损失；按超过设计预应力进行锁定前的超张拉，可弥补地层压缩徐变所致预应力损失。超张拉值根据测试和经验而确定，一般土体控制在25%以内，岩体则控制在10%以内。
3）钢绞线根数的确定
根据单根锚索要求承受的锚固力和钢绞线的最小破断载荷，加一定的安全系数来确定锚索的钢绞线根数。
一般采用的美国标准ASTMA416-94钢绞线，用7丝拧成，φ15.24mm，截面面积140mm2，张拉强度1860N/mm2，最小破断载荷260.7kN。500kN锚索用4根钢绞线组成，750kN锚索用6根钢绞线组成，超张拉25%时安全系数K为1.6。研究现有规范认为K取1.50已足够。
4）锚索体结构的确定
对拉力型锚索，钢绞线呈同心状环列，中心全长插灌浆管。锚固段用扩张环和定位片束张呈藕节状；自由段各根钢绞线防锈防腐后，分别套上塑料管，再用箍环紧束成索；塑料管末端用胶带扎成止浆塞。
5）锚孔直径的确定
锚孔直径据索体直径，并考虑砂浆体的空间来确定。4-8根钢绞线的锚索，锚孔孔径一般设计为90~115mm；9-15根钢绞线的大吨位锚索，锚孔孔径一般设计为115~135mm。据成孔机具，一般设计为110mm。
6）锚索吨位的确定
当失稳坡面较大时，宜尽量采用小吨位锚索来加固。虽然小吨位锚索比大吨位锚索的根数要多，因而造孔费用略高，但增大了加固面积，可减少未加固区滑体的残余变形，效果更好。
结论：
预应力锚索抗滑桩作为一种新型的支护形式，在公路路基边坡加固中得到了广泛应用，但其受力机理尚不明确，理论已落后于工程实践。本文对预应力锚索抗滑桩的一些问题进行了探讨。
参考文献：
[1] 高大釗. 岩土工程标准规范实施手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1999.
[2] 田士军. 预应力锚索抗滑桩在黄泥包滑坡整治中的应用[J]. 路基工程,2005,23(4):17～20
[3] 刘小丽,张占民,周德培. 预应力锚索抗滑桩的改进计算方法[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2568～2572
[4] 魏宁,傅旭东,皱勇. 预应力锚索抗滑桩的有限元计算与应用[J].武汉大学学报,2004,37(5):73～76
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。