1. 引言
随着我国高速公路网络向地形地质条件复杂的山区延伸，高陡路堑边坡稳定性问题日益凸显。这些边坡往往坡高超过30米、坡度超过60˚，在自然力与工程扰动共同作用下极易发生失稳破坏，直接威胁公路建设与运营安全[1]。预应力锚索技术因其能充分发挥岩土体自身强度、显著减小支护结构自重、提高施工安全性等优势，已成为高速公路高边坡加固的首选方案之一[2]。然而，锚索优化设计领域当前研究存在多方面不足。在理论层面，现有模型多基于简化假设(如剪应力均匀分布)，难以准确模拟复杂地质条件下锚索与岩土体的非线性相互作用，尤其缺乏对多场耦合(如渗流–应力场)影响的深入分析[3]。设计方法与工程应用严重脱节，尽管研究已证实锚固段应力呈非均匀分布(单峰曲线)，但工程设计中仍沿用均匀分布假设，导致理论成果难以转化为实用设计参数[3]。群锚效应研究薄弱，现有优化多聚焦单锚参数(如锚固角、长度)，忽视锚索间距、群组协同工作机制及其引起的应力叠加效应，易引发局部岩土体破坏[4]。长期性能研究不足，锚索在蠕变、松弛、腐蚀等时变因素及循环荷载下的耐久性缺乏系统评估，制约了永久性支护工程的可靠性[5]。
近年来，随着数值模拟技术与现场监测手段的进步，预应力锚索设计正从经验定性向定量化、精细化、动态化方向演进。
2. 高边坡稳定性影响因素与加固机制
2.1. 边坡失稳的内在诱因
高速公路高边坡的稳定性首先受控于其地质构造与岩体特性。岩质边坡中，结构面发育特征是控制滑移模式的关键因素。当岩层倾向与坡面一致且倾角在20˚~40˚时，极易发生顺层滑坡；而反倾边坡则易产生倾倒变形[6]。
岩性差异同样显著影响边坡行为。含蒙脱石、绿泥石等易风化矿物的泥质岩层遇水软化后，其抗剪强度可衰减50%以上，成为滑坡的优先通道。相比之下，硅质胶结的变粒岩虽初始强度高，但脆性特征明显，爆破开挖后易形成危岩体[2]。
2.2. 外部诱发因素
水文地质条件是触发边坡失稳的重要外因。地下水通过双重机制加剧坡体失稳：一是软化效应，当pH < 5.5的酸性地下水渗入含钙质岩层时，溶蚀作用使结构面粘结力下降30%~40%；二是力学效应，雨季时坡体内孔隙水压力升高，滑面上的有效正应力降低，显著削弱抗滑阻力[3]。
工程活动干扰同样不容忽视。爆破震动可使岩体结构面瞬时扩展，监测表明单次爆破后边坡地表位移增量达2 mm~8 mm；而机械开挖形成的陡临空面则改变原有应力场，诱发卸荷裂隙。更值得关注的是，传统“开挖–支护”不同步的施工方式，使坡体在支护前已发生不可逆变形。
2.3. 预应力锚索加固机理
预应力锚索通过“主动加固”机制改善坡体受力状态。当张拉的锚索将预应力传递至稳定岩体时，在潜在滑体上形成轴向压力与切向阻力复合的约束体系。其力学效应主要体现在三方面：一是提高滑面抗滑阻力，锚索轴向力在滑面法向的分量增加摩擦阻力，切向分量直接抵消下滑力。当锚索倾角θ等于滑面内摩擦角φ时，抗滑力最大化。二是改善岩体应力状态，500 kN~1000 kN级锚索在岩体中形成直径3 m~5 m的压应力环，抑制裂隙扩展。数值模拟显示，锚固后边坡表层拉应力区面积减少70%，塑性区深度降低50%。三是控制变形累积，预应力的施加使坡体处于“预压缩”状态，显著降低后续变形敏感性。现场监测表明，合理锚固的高边坡在暴雨工况下位移量可控制在未加固边坡的30%以内。
3. 预应力锚索设计参数优化
3.1. 锚固力优化设计
锚固力是锚索设计的核心参数，需在安全性与经济性间寻求平衡。传统设计常采用超保守策略，导致资源浪费。优化研究表明，锚固力提升虽能增强稳定性，但存在明显的边际效应递减特征。以某碎裂岩质边坡为例(坡高38 m，坡度60˚)，FLAC 3D数值模拟显示：当锚固力从600 kN增至1000 kN时，坡顶位移由48 mm降至22 mm，降幅达54%；而继续增至1500 kN时，位移仅再降6 mm。同时，塑性区面积在1000 kN后基本稳定(见下表1)。综合考虑安全储备与材料成本，该工况下1000 kN级锚固力为最优解，较原设计1500 kN方案节约钢材30%。
Table 1. Variation trend of slope stability indicators under different anchoring forces
表1. 不同锚固力下边坡稳定性指标变化趋势
锚固力(kN) |
坡顶位移(mm) |
最大拉应力(MPa) |
塑性区面积(m2) |
600 |
48.2 |
1.85 |
126.5 |
800 |
35.7 |
1.52 |
98.2 |
1000 |
22.1 |
1.18 |
62.3 |
1200 |
18.3 |
0.97 |
60.1 |
1500 |
16.0 |
0.85 |
58.7 |
3.2. 锚固角优化分析
锚固角(锚索与水平面夹角)直接影响抗滑力发挥效率。理论分析表明，最优锚固角θ_opt应满足：θ_opt = 45˚ − φ/2，式中φ为滑面内摩擦角。当φ = 30˚时，θ_opt = 30˚，但该角度可能导致锚索过长。工程实践中需综合考量力学效率与施工可行性。控制变量研究表明：在锚索长度15 m、垂直间距2 m条件下，锚固角从10˚增至20˚时，边坡安全系数提升23%；继续增至30˚时，因有效锚固深度减小，安全系数反降8% [7]。对不同岩层的最优锚固角建议见下表2：
Table 2. Recommended values of optimal anchorage angle in different rock strata
表2. 不同岩层锚索锚固角优化参考值
岩体类型 |
内摩擦角 |
理论最优角 |
工程推荐角 |
抗滑力利用率 |
完整硬岩 |
35~45 |
27.5~22.5 |
15~20 |
85%~92% |
中风化岩层 |
30~35 |
30~27.5 |
20~25 |
90%~95% |
破碎带/软弱夹层 |
20~25 |
35~32.5 |
25~30 |
88%~93% |
3.3. 锚索长度与间距优化
锚索总长由锚固段长度、自由段长度及外锚段长度三部分组成。锚固段长度需满足两种粘结强度要求：
(钢绞线与浆体粘结控制)
(浆体与岩体粘结控制)
式中P为设计锚固力，d为钢绞线直径，D为钻孔直径，
、
分别为界面粘结强度，k为安全系数[8]。自由段长度必须穿过潜在滑面1.5 m以上，确保预应力有效施加至稳定岩体。
锚索间距优化需避免“群锚效应”与“应力跌落”。敏感性分析表明，间距H为不敏感参数，常规设计取3 m~4 m即可满足要求。对岩体破碎路段，应适当减小间距至2.5 m~3 m；而在完整性好的岩层中可增至4 m~5 m。
4. 施工工艺优化与动态设计
4.1. 精细化施工技术
钻孔精度控制是保证锚索有效受力的前提。采用全站仪配合数字倾角仪，将孔位偏差控制在±50 mm内，倾角误差≤1˚。
注浆工艺创新包括：采用水灰比0.45的M40纯水泥浆，添加0.05%三乙醇胺早强剂；实施二次压浆技术，首次常压注浆填充孔体，二次高压劈裂渗透，使浆脉扩散半径达1.5 m，有效加固裂隙岩体。试验表明，二次注浆后粘结强度提高40%~60%，尤其对节理发育岩体效果显著。
张拉锁定优化采用分级循环加载制度：0→10%σcon (初调) → 25%σcon (记录起点) → 50%σcon → 75%σcon → 105%σcon (持荷15 min) → 100%σcon锁定。为补偿预应力损失，7天后实施补偿张拉，自由段为岩层时超张拉10%~15%，土层时提高至15%~25%。
4.2. 动态设计方法
传统静态设计难以适应复杂地质条件，基于监测反馈的动态设计成为发展趋势。其核心是通过施工过程的信息采集与参数反演，实时优化设计方案。
关键控制节点包括：一是钻孔地质编录，对比设计地质剖面，当岩体RQD值偏差>20%或发现软弱夹层时，调整锚固段位置与长度；二是拉拔试验验证，施工初期进行3~5孔破坏性试验，绘制“荷载–位移”曲线，反演实际粘结强度τ值。三是预应力监测，安装锚索测力计，锁定后7天内损失超过10%时触发补偿张拉。
4.3. 数值模拟指导优化
FLAC 3D数值模拟技术为锚索设计提供科学工具。其创新应用包括：一是通过反演拉拔试验曲线，精确标定岩体–浆体粘结参数，避免经验取值偏差。二是模拟群锚应力叠加效应，优化水平/垂直间距。三是预测不同工况下坡体位移场，评估锚索布置合理性。
5. 工程案例分析
5.1. 西南某高速公路边坡加固
工程概况：K26 + 500段左侧边坡最大挖深44 m，由残破积黏土(厚8 m~16 m)、砂土状强风化岩(厚3 m~6 m)及弱风化片岩组成。坡体存在地下水渗出，一级坡脚出现局部滑塌。原设计采用全长25 m锚索，吨位400 kN，实施后位移仍达2 mm/d。
优化措施：一是参数调整，基于FLAC 3D反演，将锚固力提升至700 kN，锚索长度调整为上排34 m (锚固段10 m)、下排30 m (锚固段8 m)。二是工艺优化，实施二次注浆(首注0.8 MPa，复注2.2 MPa)，张拉后7天补偿张拉。
实施效果：位移速率降至0.3 mm/d，安全系数从1.08提升至1.35。较原方案减少锚索数量20%，综合造价降低15%。
5.2. 破碎岩质边坡治理
工程概况：某山区高速公路ZK16 + 683段坡高38 m，岩体破碎，节理发育。原设计采用25 m锚索，张拉后出现预应力异常损失。监测发现锚索锁定后48 h损失率达18%，远超10%允许值。钻孔取芯揭示岩体RQD值仅45%，低于设计采用的65%。
优化措施：一是延长自由段，穿过破碎带，锚固段置于完整基岩。二是调整张拉工艺，超张拉提高至25%，分三次张拉(50%→80%→105%)。三是增设防腐措施，自由段钢绞线增加油脂 + PE套管 + 波形管三重防腐。
实施效果：优化后预应力损失率降至6%，边坡稳定系数达1.28。
5.3. 经济性与安全性对比
二个典型案例表明，优化设计在保证安全性的同时，显著降低材料消耗与工程成本。其核心价值体现在：一是参数精准化，避免经验设计的保守倾向，锚索钢材节约12%~20%。二是工艺适配性，针对地层特点选择最优工法，提高工效25%~40%。三是全周期控制，通过补偿张拉与防腐延长使用寿命，降低后期维护成本。
6. 结论
高速公路高边坡预应力锚索优化设计是一个多参数、多目标的系统工程。本文通过理论研究与工程实践，形成以下结论：
1. 参数优化体系：锚固力选择需考虑边际效应，1000kN级为多数高边坡的经济最优解；锚固角推荐值中风化岩层20˚~25˚、破碎带25˚~30˚；锚固段长度通过粘结强度双控计算，并设置1.3~1.5倍安全储备；间距优化应平衡群锚效应与应力跌落，常规取3 m~4 m。
2. 技术创新方向：压力分散型锚索通过荷载分传递机制，较传统型式承载力提高30%~40%，且防腐性能显著改善；锚索框架体系创新采用菱形布置与倒T型截面，使坡面应力均匀性提升45%；基于FLAC 3D的数值模拟技术实现粘结参数精准反演，指导锚固长度优化。
3. 施工工艺突破：无水钻进工艺保障岩体原始强度；二次注浆技术使浆脉扩散半径达1.5 m，粘结强度提升40%~60%；分级张拉与补偿张拉制度将预应力损失率控制在5%以内；动态设计方法通过地质编录–拉拔试验–监测反馈闭环，实现设计方案实时优化。
4. 未来发展趋势：智能化监测(光纤传感、BIM技术)实现锚索应力实时感知；新型防腐材料(纳米涂层、合金绞线)延长锚索寿命至百年；机械化施工(智能钻机、自动张拉)提升工效与精度；绿色锚固技术(生态框架梁、植被恢复)促进工程与生态融合。
预应力锚索优化设计已从单纯追求安全，发展为安全、经济、耐久、生态的多目标协同。随着岩土理论进步与智能技术应用，高速公路高边坡锚固工程将步入更科学、精准、高效的新阶段。