锚索框架在高边坡防护加固工程中的应用

摘要：在公路、水利等基础设施建设中，高边坡稳定性问题日益突出，对工程安全以及周边环境产生重要影响。传统防护加固手段存在一定局限性，而锚索框架作为一种高效可行的方法，受到广泛关注。本研究旨在深入探究锚索框架应用于高边坡防护加固的途径，通过科学合理地设计锚索框架各项参数，针对钻孔、锚索安装、注浆与张拉锁定等施工环节实施严格的质量把控，以期为相关施工提供理论参考。

关键词：锚索框架；高边坡防护；加固工程

引言：高边坡稳定性与工程安全运营及周边环境安全紧密相连，当高边坡出现失稳状况，容易导致引发滑坡、坍塌等灾害，进而造成巨额经济损失与大量人员伤亡。复杂地质条件下，传统防护加固方式已然无法达到预期效果。而锚索框架作为新型且高效的防护加固方式，因其可提供强劲锚固力、切实有效控制边坡变形等显著优势，在高边坡防护加固工程领域逐渐获得广泛应用。因此，本文将深入探究锚索框架在此类工程中的实际具体应用情况。

一、锚索框架的基本组成与工作原理

（一）锚索框架的组成结构

锚头位于锚索外露端的连接部位，根据锚具、垫板等部件对锚索实施固定与张拉操作，进而锁定预应力。自由段能够实现拉力的有效传递，并且可以适应边坡土体产生的位移情况，其具体长度需根据实际工程状况来加以确定。锚固段深入至稳定的岩土体内部，凭借与岩土体之间产生的摩擦力来提供锚固力，通过灌注相应的胶结材料实现成型。框架梁作为锚索框架体系中的传力构件，通常情况下其采用钢筋混凝土结构形式，针对框架梁所使用材料的强度有着明确要求，框架梁的尺寸应根据边坡具体状况及锚索拉力大小等因素综合确定，其宽度需确保能够满足承载需求，高度应满足抗弯与抗剪的要求，并且梁间距需进行合理设计附属结构涵盖垫板与排水设施两个部分，垫板设置在锚头与框架梁之间，能够将锚索所承受的拉力进行均匀传递，从而有效防止框架梁混凝土出现局部破坏的情况[1]。具体结构如图1所示：

（二）锚索框架的工作机制

在具体施工过程中，锚索锚固段通过深入至稳定岩土体内，并结合其与岩土体之间的产生的，将拉力分散至深部稳定区域，当锚头经过张拉锁定操作施加预应力，自由段需负责传递拉力并适应边坡产生的位移情况，以此有效地抵御岩土体的下滑作用力，进而对岩土体的变形进行限制。框架梁能够将锚索所集中的拉力均匀地分散至岩土体表面，其作为一种刚性结构，框架梁与锚索协同发挥作用，促使岩土体的应力分布更加均匀，避免因局部应力集中而引发破坏现象，进而增强边坡表层的稳定性。垫板设置于锚头和框架梁之间，可均匀地分散锚索所承受的拉力，防止框架梁局部混凝土因受压而遭到破坏。

二、锚索框架的设计计算

（一）工程背景

某公路修筑期间，需穿越一处高边坡地段，该高边坡高度约30m，坡度为45°；通过针对地质情况进行分析得知，该边坡岩土体由强风化砂岩组成，其重度γ取值20kN/m³，粘聚力 为30kPa，内摩擦角 为25°。根据工程地质勘察报告以及周边环境具体要求，需运用锚索框架对高边坡实施防护加固举措，以此保障边坡稳定性。

（二）锚索设计计算

在具体施工过程中，需充分掌握锚索拉力、锚固段长度、自由段长度、锚索所采用材料与截面面积等关键性参数，使锚索能够切实有效地抵御边坡岩土体下滑作用力，确保边坡处于安全稳定状态。

（1）下滑力计算

计算过程中，使用极限平衡法中瑞典条分法，明确参数后开展下滑力计算工作，设定滑动面呈现圆弧面形态，在此过程中需将滑动土体划分成多个土条，根据公式 ，其中 为安全系数并取值为1.3， 与 分别为第 个土条滑动面上粘聚力和内摩擦角， 为第 个土条滑动面长度， 为第 个土条滑动面上法向力， 为第 个土条滑动面上切向力。通过计算可知，边坡下滑力 为800kN/m。

（2）锚索拉力确定

结合锚索框架布置间距为3×3m，每一根锚索需承担下滑力为 。同时充分考虑安全储备方面因素，选取锚索安全系数 ，则锚索设计拉力为 。

（3）锚固段长度计算

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），锚索锚固段长度计算公式为 ，其中 为锚固段长度， 为锚索钻孔直径将其取值为150mm， 为锚固段土体与锚固体极限摩阻力标准值，针对强风化砂岩，将其取值为120kPa。经过计算可知， ，综合考虑施工以及安全等因素，实际选取锚固段长度 [2]。

（4）自由段长度确定

根据边坡实际状况，自由段长度需要考虑穿越潜在滑动面并且延伸长度，经过测量计算，选取自由段长度为 。

（5）锚索材料选择及截面面积计算

选用高强度低松弛钢绞线作为锚索材料，其抗拉强度标准值为 ，根据公式 ，其中 为锚索钢绞线截面面积， 为锚索材料分项系数，将其取值定为1.3。计算为 ，由此可知，在设计过程中可选用7根直径为15.2mm²的钢绞线，并且在施工中结合实际情况调整与复核操作，以确保满足设计相关要求。

（二）框架梁设计计算

（1）锚索布置与拉力确定

锚索框架的布置间距为水平方向3m、垂直方向3m，通过锚索设计计算，得出每根锚索的设计拉力 为3600kN。

（2）框架梁所受荷载计算

每根锚索的拉力作用于框架梁，因框架梁间距为3m，设计沿框架梁长度方向每米所承受的集中力 为 。

（3）弯矩计算

将框架梁假定为简支梁，根据简支梁在集中力作用下的弯矩公式 ，其中 为梁的计算跨度并取框架梁间距为3m，可计算得出 。

（4）剪力计算

根据简支梁在集中力作用下的剪力公式 ，可得出 。

（5）框架梁截面尺寸初步确定

根据工程实践经验以及构造要求，框架梁宽度 取值为400mm，高度 取值为600mm。

（6）纵向受拉钢筋计算

根据《预应力混凝土结构设计规范》（JGJ369-2016），运用单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算公式 ，其中 为系数，针对C30混凝土取值为1.0； 为混凝土轴心抗压强度设计值，针对C30混凝土取值为14.3N/mm²； 为受压区高度； 为截面有效高度，其计算为 。将数据代入 ，通过试算或使用求解工具求解该方程，得到受压区高度 为240mm，进而得出选用4根直径为22mm的HRB400钢筋。

三、锚索框架在高边坡防护加固工程中的施工技术

（一）锚索框架的施工工艺流程

经过前期设计计算，锚索框架布置间距为3×3m（水平×垂直），每根锚索设计拉力为3600kN[3]。具体施工工艺流程如图2所示：

（二）关键施工技术要点

（1）钻孔技术

使用潜孔钻机，将其移至设计孔位，通过调节钻机底座的水平调节装置与桅杆的垂直度调节装置，使钻头精准对准孔位中心，确保钻机稳固，防止在钻孔过程中出现晃动或位移情况。采用干钻法（特殊情况可采用湿钻法），根据强风化砂岩特性合理调整钻进参数，通常转速控制在100～150r/min之间，钻压维持在50～80kN。在钻进过程中，持续观察钻孔状况，详细记录钻孔深度、岩土体特征及钻孔时间等信息。使用高压水进行冲洗，水压控制在0.3～0.5MPa之间，直至孔口流出洁净的水且水中无明显岩粉颗粒为止。

（2）锚索制作与安装技术

根据设计要求，选用高强度低松弛钢绞线并按长度截断，自由段长度为12m，在自由段涂抹足量防腐油脂，油脂厚度不小于5mm，而后套上内径比钢绞线直径大10～15mm的塑料管加以保护，两端用密封胶带密封严实。在锚固段每隔1.2米设置一个对中支架，对中支架用钢筋制作，直径比钻孔直径小20～30mm，以保证钢绞线在孔中处于居中位置。将制作好的锚索缓慢放入钻孔内，采用人工推送与机械牵引相结合的方式，规避锚索出现扭曲、弯折或损伤。锚索安装深度应符合设计要求，当安装完毕后检查锚索外露长度，外露长度控制在0.8～1.0米之间，以便后续进行张拉与锁定操作[4]。

（3）框架梁施工技术

根据测量放线位置安装框架梁模板，模板采用钢模板，其强度、刚度与稳定性需满足要求，同时要求模板接缝处用海绵条或密封胶条密封，防止漏浆。当模板安装完成后，应检查其尺寸和垂直度，框架梁宽度误差控制在±5mm以内，高度误差控制在±10mm以内，垂直度误差控制在±0.5%以内。

结合设计要求，将加工好的钢筋运至现场进行绑扎，绑扎框架梁纵向钢筋，采用焊接连接，焊缝长度不小于10倍钢筋直径。而后绑扎箍筋，箍筋与纵向钢筋应绑扎牢固，钢筋的数量、规格、间距应符合设计要求，钢筋保护层厚度控制在40mm左右，误差控制在±5mm以内。

混凝土采用C30商品混凝土，由混凝土搅拌车运至现场，浇筑前应检查混凝土坍落度，将坍落度控制在140mm左右，误差控制在±20mm以内。而后采用插入式振捣器振捣，振捣间距不大于300mm，振捣时间以混凝土表面不再下沉、不再出现气泡、表面泛浆为准，通常为20～30s。

（4）锚索张拉与锁定技术

完成千斤顶、锚具等关键设备精准安装后，率先开展初始张拉操作，施加的初始张拉力通常处于设计张拉力的10～20%区间。例如，针对设计张拉力为800kN的锚索，初始张拉力设为120kN。该步骤核心目的在于促使锚索各组件紧密贴合，理顺钢绞线走向，消除潜在松弛隐患，同时同步检查整套张拉设备运行状态与锚索初始工况。维持该张拉力5～10分钟，详细记录此时钢绞线初始伸长量L0[5]。

严格根据设计规划，有序开展分级张拉作业，通常情况下可将整个张拉过程细分为4～6个等级，每级加载幅度控制在设计张拉力的15～25%。以800kN设计张拉力为例，分级加载数值可依次设为160kN、320kN、480kN、640kN、800kN。每完成一级加载，需稳定持荷10～15分钟，期间运用高精度测量工具，实时监测并详实记录钢绞线伸长量。针对张拉全过程，需密切关注锚索受力表现、锚具工作稳定性以及周边岩体细微变化。实际伸长量与理论伸长量偏差需严格控制在±6%以内，当出现偏差超出限定范围的情况时，需立即暂停张拉作业，深入排查原因，精准采取有效纠偏措施。

张拉作业顺利达到设计张拉力后，进一步实施超张拉工序，超张拉数值设定为设计张拉力的5～10%区间，即针对800kN设计张拉力的锚索，超张拉值控制在840kN-880kN。超张拉操作旨在有效克服锚索长期服役过程中可能出现的松弛现象，最大程度确保锚索在整个使用周期内稳定维持有效预应力。超张拉阶段需稳定持荷15～20分钟，期间应不断精准测量钢绞线伸长量并妥善留存记录。

张拉工序完成后，需采用锚具将锚索锁定在框架梁上，待锁定后检查锚索锁定拉力，其值应不小于设计拉力的95%，如发现锁定拉力不足，应及时补张。锁定完成后，对锚索外露部分进行封锚处理，采用混凝土将锚具封闭，混凝土强度不低于C20。建立完善的锚索预应力定期监测机制，借助压力传感器或锚索测力计等监测设备，在锚索张拉锁定后的最初3个月内，保持每月1～2次的高频监测频率，3个月后，适当调整为每季度监测1次。当监测出预应力损失超过设计允许上限值，应立即启动补偿张拉程序，及时恢复锚索有效预应力，确保高边坡防护加固工程长期稳定性与安全性。

结束语：总而言之，锚索框架对于高边坡防护加固工程施工而言，具有重要影响作用，其借助锚索所施强大锚固力、框架梁的高效传力性能及附属结构辅助稳定作用，充分增强高边坡整体稳定性。自前期精确设计计算，至施工时对各环节关键技术要点严格掌控，切实保障锚索框架施工质量。在今后高边坡防护工程中，锚索框架技术能够持续改进与进步，为维护工程安全及周边环境稳定不断发挥作用。

参考文献：

[1]王新红，秦川，魏培勇，等.装配式锚索框架在边坡支护工程中的应用[J].铁道建筑，2023，63（2）：134-138.

[2]丁立伟.锚索框架梁在铁路高边坡加固中的深入应用与全面效果分析[J].交通建设与管理，2024（S01）：85-86.

[3]何春林，刘大华，易威良，周雨枫，赵锐超．框架梁预应力锚索在山区高边坡防护中的应用[J]．智能建筑与工程机械，2024，6（7）：13-15.

[4]李小明.浅析高边坡预应力锚索框架梁施工技术[J].四川水泥，2024（5）：241-243.

[5]温志勇.道路高边坡稳定性分析计算及锚索框架梁组合防护方式分析[J].四川水泥，2023（2）：203-205.