壓力分散型預應力錨索在高邊坡防護中的應用

■陳春林

（南平高速建設有限公司，南平 353000）

1 工程概況

福建省邵武至光澤（閩贛界）高速公路第A5 標段的路塹邊坡預應力錨桿、錨索位于K48+160～K48+430段右側高邊坡，該邊坡最高約32.9m，分五階開挖。為二元結構邊坡，上部為坡積粉質粘土，厚度約1～4m；殘積砂質粘性土，厚度約3～7m；其下為全風化花崗巖，厚度約0～6m；砂土狀強風化花崗巖，厚度約0～3m；下伏碎塊狀強風化花崗巖（局部存在孤石）～中風化花崗巖，厚度約1～15m。該邊坡地下水豐富，不利結構面發(fā)育，穩(wěn)定性較差，須進行加固處理。其中K48+240～K48+300 段邊坡自然坡較陡，采用陡坡強加固設計方案，處理邊坡設計為2 級，第一級1：0.5～1：0.75，預應力錨索框架；第二級1∶0.75，預應力錨桿框架。本文主要介紹壓力分散型預應力錨索。

2 設計方案及材料要求

2.1 設計方案

（1）框架梁體：每片框架梁由2 根橫梁、2 根豎肋和1 根頂梁、1 根底梁連接組成，在橫梁和豎肋接點處設置4 孔壓力分散型預應力錨索?？蚣芰汉拓Q肋的截面尺寸均為0.5m×0.6m，豎肋中心間距4.0m,框架采用C25混凝土現澆，內配鋼筋骨架。每兩片框架梁中心間距8.0m，框架梁之間設0.02m 寬的伸縮縫，縫內用浸瀝青木條填塞。梁體采用C25 混凝土，框架梁肋嵌入坡體30cm。

（2）錨索：每孔錨索由三個單元錨索組成，每個單元錨索分別由兩根直徑15.24mm、強度1860MPa 的高強度低松弛無粘結鋼絞線錨于鋼制承載體組成。錨索俯角20°，錨索孔的深度大于錨固深度30cm，并用40MPa 水泥漿體固結；每孔錨索的設計拉力為520kN，錨固段長度12m，自由段長度分別為14m 和16m 兩種，壓力分散型預應力錨索結構參見圖1。

圖1 壓力分散型預應力錨索結構示意圖

2.2 材料要求

（1）水泥：優(yōu)先選用P.O42.5R 級普通硅酸鹽水泥，也可選用礦渣硅酸鹽水泥或火山灰質硅酸鹽水泥。

（2）砂：采用堅硬耐久的中粗砂，其細度模數宜大于2.5，含水率宜控制在5～7%之間，砂的含泥量按重量計不大于3%；砂中所含云母、有機質、硫化物及硫酸鹽等有害物質的含量，按重量計不得大于1%。

（3）骨料：應采用堅硬耐久的碎石，粒徑不宜大于15mm。

（4）外加劑：水泥漿中可加入控制泌水或延緩凝結等外加劑，但必須符合產品標準；水泥漿中氯化物的總含量不得超過水泥重量的1%。

（5）水：水中不應含有影響水泥正常凝結與硬化的有害物質，不得使用污水以及pH 值小于4 的酸性水。

3 壓力分散型預應力錨索作用機理

壓力分散型預應力錨索加固邊坡實際上就是通過對錨索進行張拉，主動對邊坡施加作用力P 使之在可能的滑動面上產生主動壓應力P×sinaα 和切向拉應力P×cosα，二者組成抗滑力P 抗，借此平衡下滑力Tm (見圖2)。

P抗=P×sinaα×tgΦ+P×cosα

式中：Φ 為土內摩擦角,P 為錨索設計荷載,α 為錨索與滑裂面夾角,β 為錨索與水平面夾角,θ 為滑裂面夾角。

圖2 預應力錨索加固高邊坡示意圖

壓力分散型預應力錨索是伴隨錨固材料及施工技術的不斷進步而逐步發(fā)展起來的一項新技術，它是在同一鉆孔中安裝幾個單元錨索，而每個單元錨索都有自己的桿索、自由長度和固定長度，而且承受的荷載也是通過各自的張拉千斤頂施加的.并通過預先的補償張拉(補償各單元錨桿在同等荷載下因自由段長度不等而引起的位移差)而使所有的單元錨索始終承受相同的荷載。

這種新型錨固體系可將集中荷載分散為幾個較小的荷載作用于固定段的不同部位，使粘結力峰值大大降低，因單元錨索固定長度很小，不會發(fā)生粘結效應逐漸弱化的現象，能使粘結力均勻地分布在整長度上，最大限度地調用整個錨索固定長度范圍內的地層強度，錨索承載力可隨固定長度的增加而成比例增加。

4 施工工藝

壓力分散型預應力錨固索的主要施工工藝為：

搭設腳手架→整修邊坡→測放孔樣→鉆孔→清孔→錨孔檢驗→錨索制安→注漿→鋼筋砼框架施工→預應力張拉鎖定→抗拔力試驗→封錨。

（1）搭設腳手架

腳手架搭設前必須先對現有邊坡的穩(wěn)定情況進行觀察，在確定其安全后再搭設腳手架。鋼管支架立柱應置于穩(wěn)定的坡上，不得置于浮渣上。立柱間距1.5m，架子寬度1.2～1.5m，橫桿高度1.8m，以滿足施工操作需要。

（2）坡面整修

將松散的浮石和巖渣清除干凈，確保坡面曲面平順；對邊坡局部不穩(wěn)定處進行清刷或支補加固；對較大的裂縫進行灌漿或勾縫處理。

（3）測放孔樣

錨索框架放線時，按豎肋對應中心線里程樁號放線，并使豎肋投影垂直于線路，橫梁與豎肋垂直；每片框架上的錨索孔以第一根豎肋最上部的孔為基準，然后再確定其余孔位，第二根豎肋的上、下自由端長度根據線路縱坡進行確定。

（4）鉆孔

①用紅油漆在現場施工部位標明錨索開孔位置，錨索孔位測放要準確，偏差不得超過±10cm，鉆孔傾角按設計取定，為確保錨索深度，實際鉆孔深度要大于設計深度30cm；搭建鉆機平臺要求穩(wěn)固牢靠，鉆機傾角及方位角要進行嚴格校驗。

②鉆進過程中設專人對每孔地層變化、進尺速度、地下水情況等作現場記錄；若遇坍孔，立即停鉆，進行固壁灌漿處理，注漿36h 后重新鉆進。

③在鉆孔施工過程中要加強鉆機的導向作用，及時檢測孔斜誤差，合理采用糾偏措施，并做好施工班報記錄。施工人員按照設計及規(guī)范要求，對造孔的孔位、孔深、孔徑等參數進行檢查驗收。

（5)清孔

鉆進達到設計深度之后，不應立即停鉆，要穩(wěn)鉆3～5min，在鉆孔完成后，使用高壓空氣將孔內巖粉及水體全部清除出孔外，以免降低水泥漿與孔壁巖體的粘結強度。若遇錨孔中有承壓水流出，待水壓、水量變小后方可下安錨筋與注漿；對錨孔內部積聚的水體，采用灌漿封堵二次鉆進等方法處理，必要時在周圍適當部位設置排水孔進行處理。

（6）錨孔檢驗

錨孔造孔結束后，經現場監(jiān)理檢驗合格方可進行下道工序施工?？讖?、孔深檢查采用設計孔徑鉆頭和標準鉆桿，并在現場監(jiān)理旁站的條件下進行。驗孔過程中鉆頭平順推進，應盡量減小鉆機所產生的沖擊或抖動，鉆具驗送長度滿足設計錨孔深度，退鉆順暢，用高壓風吹驗不存在明顯飛濺塵碴及水體現象。同時復查錨孔孔位、傾角和方位，全部錨孔各分項工作合格后，即可認為錨孔檢驗合格。

（7）錨索制安

本設計采用的壓力分散型錨索由3 個單元錨索組成，每個單元錨索由2 根直徑15.24mm 無粘結低松弛鋼絞線內錨于鋼質承載體組成。各單元錨索的固定長度分別為L1=L2=L3=4m，共同組成復合型錨索的錨同段自由段長度分別為14、16m 兩種。錨固段鋼質承載體與擠壓套之問采用對拉栓結固定，所有鋼質材料外露部分要求涂刷防銹漆保護。各單元錨索制作時應有明確、可靠的標記.以便采用差異分步張拉。鋼絞線下料長度為錨固段長度+自由段長度+1.5m，用砂輪鋸切斷，安裝時不能損壞元粘結鋼絞線表皮。

（8）注漿

錨索鋼絞線與孔壁是以水泥漿膠結體為介質粘結在一起的，水泥漿是控制膠結體質量的關鍵。為提高錨固段的錨固力，加快施工進度，采用江西“萬年青”牌早強高標號水泥(P.O.42.5R)和合理的水泥漿配合比：水灰比為0.38；流動度為15～17 cm；外加劑為廈門宏發(fā)FS-G 混凝土高效減水劑，外摻料為廈門宏發(fā)FS-Ⅲ混凝土膨脹劑。錨孔注漿采用孔底反漿方式注漿，注漿壓力控制在0.5～1MPa 左右。孔口溢漿時間不低于2 min時可停止注漿。如發(fā)現孔口漿面回落，應在1h 內進行孔底壓注補漿1～2 次。

（9）鋼筋砼框架施工

框架采用C25 砼澆筑，豎肋基礎先鋪墊5cm 厚砼墊層，再進行鋼筋制作安裝。框架嵌入坡面30cm,外露30cm?？蚣芸滩酆蟛捎煤?～5cm 的水泥砂漿進行基地調平，遇局部架空采用C25 砼嵌補。澆筑砼時注意保護無粘結鋼絞線管道密封。一個單元格由四個錨索加橫梁、豎肋、頂梁、低梁組成。

（10）預應力張拉鎖定

當漿體及砼砼框架梁強度達到設計強度后方可進行張拉，應按一定次序分單元采用差異分步張拉，共分7 級進行張拉。3 單元錨索張拉具體步驟：

①錨索正式張拉前，應取15%的設計張拉荷載，對6 根鋼絞線預張拉1～2 次，使其各部件接觸緊密，鋼絞線完全平直，測量出鋼絞線伸縮量，持荷5min 并量測不小于3 次的錨頭位移。

②預張拉退荷后，對于長束及中束鋼絞線進行補張，補足差異荷載；該過程分兩步進行，其中先對長束進行補張△P1，并測出長束鋼絞線伸縮量，持荷10min并量測不小于3 次的錨頭位移，然后退荷，對長束及中束進行補張△P2，并測出長束鋼絞線伸縮量，持荷10min 并量測不小于3 次的錨頭位移。

③補張完成后退荷，對6 根鋼絞線同時進行張拉工作，張拉過程中做好記錄，在設計張拉力520kN 的30%、50%、75%、100%荷載時分別進行持荷10min，對于張拉最后一級荷載時，應持荷穩(wěn)定10～15min 后退荷鎖定，其中在最后5 級加載過程中，量測出鋼絞線伸縮量及持荷期間錨頭的位移。

各單元錨索在給定最終張拉(鎖定)荷載作用下，3 單元6 束壓力分散型錨索差異伸長量按下式計算：

差異伸長量：

△L1-2=△L1-△L2,△L2-3=△L2-△L3

△L1=(PL1)/(EA)，△L2=(PL2)/(EA)，△L3=(PL3)/(EA)

差異荷載增量：

△P1=2×EA△L1-2/L1，△P2=2×EA(△L2-3/L2+△L2-3/L1)

其中，L1、L2、L3 分別為第一、二、三單元錨索的長度，L1＞L2＞L3；△L1、△L2、△L3 分別為各單元錨索在給定最終張拉（設計鎖定）荷載作用下的伸長量；△L1-2、△L2-3 分別為各單元錨索在給定最終張拉（設計鎖定）荷載作用下的差異伸長量，P 為給定最終張拉（設計鎖定）荷載作用下單根鋼絞線束荷載；A為單根鋼絞線束的截面面積，一般為140mm2，具體應根據鋼絞線檢測報告數據為準；E 為鋼絞線的彈性模量，具體應根據鋼絞線檢測報告數據為準；△P1、△P2分別為分步差異張拉之第一、第二步級張拉荷載增量。

(11)抗拔力試驗

抗拔力驗收標準：

①根據試驗要求，最大試驗荷載為錨索（桿）設計荷載的1.5 倍。驗收試驗中，從50%設計荷載到最大試驗荷載之間所測得的總位移量，應當超過該荷載范圍內錨筋自由段長度預應力筋理論彈性伸長量的80%，且小于自由段與1/2 錨固段長度之和的預應力筋的理論彈性伸長值。且錨筋實測伸長量與理論計算伸長量的誤差不大于理論計算伸長量的6%。

②在最后一級荷載作用下的位移觀測期內，錨頭位移穩(wěn)定即在10min 內位移不超過1mm，或者2h 內蠕變量不大于2mm。

(12)封錨

錨具外的鋼絞線除留存15cm 外，其余部分切除。對外錨具或鋼絞線端頭用標號為C15 混凝土封閉保護，混凝土保護層厚度2.5cm。

5 壓力分散型錨索的優(yōu)越性

通過與普通預應力錨索的對比分析可知，壓力分散型錨素的優(yōu)越性為：

（1）普通預應力錨索在自由段與錨固段連接處會出現拉應力集中，錨固段鋼絞線受到摩擦力共同作用來承擔自由段張拉力；壓力分散型錨索比普通預應力錨索受力更加分散、合理，減緩了應力集中。

（2）由于壓力分散型錨索分三個單元，因此在鉆孔長度相同的情況下采用壓力分散型錨索較普通預應力型錨索鋼絞線長度縮短，縮短長度為L=2L2+4L3，材料更節(jié)?。毁M用相對減少。

6 結語

邵光高速公路A5 合同段K48+160～K48+430 段右側高邊坡錨索共計152 孔預應力錨索，總長644m。經福建省高速公路邊坡工程中心試驗室現場抽檢，施工質量優(yōu)良，證明了壓力分散型錨素適用于高邊坡的防護加固，而且具有技術先進、投資少等優(yōu)點。通過與普通預應力錨索的對比分析，壓力分散型錨素具有分散集中應力和節(jié)約材料等優(yōu)越性，結合目前國內國際情況，壓力分散型錨索加固是綜合治理高邊坡病害的重要方法之一。