多次分段控制注漿斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)加固技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

袁 坤， 張玉芳， 雷 鳴， 曹留偉

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.廣東省大潮高速公路有限公司， 梅州 514245；3.廣州市高速公路有限公司， 廣州 510000)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，公路、鐵路建設(shè)大規(guī)模向艱險(xiǎn)復(fù)雜的山區(qū)延伸，建設(shè)過程中邊坡災(zāi)害問題日益突出[1]，其數(shù)量之多、規(guī)模之大、災(zāi)害之嚴(yán)重、處治之困難，如何快速高效的治理邊坡病害，提出有效的邊(滑)坡整治方案，是目前山區(qū)高速公路、鐵路建設(shè)中亟需解決的難題[2]。

早在19世紀(jì)中期，中外開始對(duì)滑坡及滑坡災(zāi)害治理進(jìn)行研究，截至目前，邊(滑)坡災(zāi)害防治已有成熟的防治手段，且形成了一套完善的邊坡災(zāi)害防治技術(shù)體系[3-4]。將傳統(tǒng)邊(滑)坡防治手段使用得當(dāng)，大多數(shù)公路鐵路邊坡災(zāi)害問題都可以解決，但是也存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)成本高、復(fù)雜地層傳統(tǒng)防治手段的適用性等重要問題[5-9]。例如：抗滑樁的施工，需要人工挖孔，施工周期長(zhǎng)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，不易控制，難以滿足運(yùn)營(yíng)的高速公路、鐵路的搶險(xiǎn)工程；預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)，在煤系地層或地下水比較豐富的地層，普通錨索的耐久性難以滿足加固期限要求，存在預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕失效的可能[10-12]。黎劍華等[13]在2007年提出了預(yù)應(yīng)力鋼錨管支護(hù)技術(shù)加固路塹高邊坡，主要預(yù)應(yīng)力鋼錨管穿過邊坡滑動(dòng)面，使其自由段固定于坡面, 錨固段錨固于滑動(dòng)面以內(nèi)的土體中，主動(dòng)地改變坡體應(yīng)力狀態(tài)、調(diào)整坡體自穩(wěn)能力。同時(shí)，通過注入的漿液向周圍地層的滲透硬化而形成堅(jiān)實(shí)的灌漿體將鋼錨管與周圍土層錨固在一起，使鋼錨管錨固段與土體間產(chǎn)生黏結(jié)摩阻力，把坡體中產(chǎn)生的主動(dòng)側(cè)壓力傳至土層深處，鋼錨管與其周圍的巖土形成一個(gè)堅(jiān)固連續(xù)的抗滑體，預(yù)應(yīng)力鋼錨管在廣東省高速公路邊坡中也得到了廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，只能達(dá)到160～180 kN，不能有效地使通過劈裂注漿后巖土體的錨固力充分發(fā)揮，為了使巖土體的錨固力充分發(fā)揮，在預(yù)應(yīng)力鋼錨管加固技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在鋼錨管內(nèi)植入鋼絞線，對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，通過鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力將錨固體的黏結(jié)力充分發(fā)揮，達(dá)到治理邊坡目的的一種將劈裂注漿技術(shù)和錨固技術(shù)結(jié)合起來(lái)的新技術(shù)。

本文主要研究多次分段控制注漿斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、適用范圍、加固作用機(jī)理及數(shù)值分析具有重大意義。

1 斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)形式、作用機(jī)理及適用范圍

預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索加固機(jī)理是將“劈裂注漿”與“錨固”相結(jié)合的一種新型加固技術(shù)，鋼錨管主要起到劈裂注漿作用，通過劈裂注漿對(duì)鉆孔周圍巖土體進(jìn)行擠密，形成“樹根狀”，增加注漿體與巖土體的黏結(jié)強(qiáng)度，提高注漿體與巖土體的錨固力，通過在鋼錨管內(nèi)部植入3根無(wú)黏結(jié)鋼絞線，對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，將劈裂注漿與巖土體的黏結(jié)強(qiáng)度充分發(fā)揮，提高錨固力的一種新型加固技術(shù)。

1.1 結(jié)構(gòu)形式

多次分段控制注漿斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架是由框架梁、鋼錨管、錨管孔、一次注漿管、對(duì)中環(huán)、注漿體、鋼墊板等七部分組成。多次分段控制注漿斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多次分段控制注漿斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of multiple piecewise control grouting oblique prestressed steel anchor pipe

1.1.1 框架梁

框架梁由鋼筋混凝土澆筑而成，固定于坡面，主要起表層固坡及將滑坡推力傳遞至深層錨固體的作用。

1.1.2 張拉臺(tái)

設(shè)置于框架梁表面，呈楔形體狀，主要作用為在對(duì)鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力時(shí)作為反力裝置。同時(shí)，為保證預(yù)應(yīng)力能均勻地分布在鋼錨管體中，須保證鋼錨管與張拉臺(tái)保持垂直狀態(tài)，為此，張拉臺(tái)楔形體的厚度應(yīng)根據(jù)鋼錨管與坡體所成角度不同進(jìn)行調(diào)整。

1.1.3 鋼錨管

鋼錨管是主要受力構(gòu)件，依靠自身抗拉強(qiáng)度抵御滑坡推力。一般采用長(zhǎng)6 m、Φ60 mm×6.0 mm無(wú)縫鋼管，工程中可依據(jù)需要加長(zhǎng)或截短。預(yù)應(yīng)力注漿鋼錨管應(yīng)在鋼錨管外端進(jìn)行車絲加工，車絲范圍應(yīng)根據(jù)框架梁及張拉臺(tái)厚度進(jìn)行調(diào)整，一般情況下以絲扣露出張拉臺(tái)至少15 cm為宜。在控制注漿部位鋼錨管設(shè)置注漿眼，孔眼Φ6 mm，螺旋形布置。

1.1.4 鉆孔

在邊坡坡面與水平夾角20°～30°鉆Φ130 mm的鉆孔，要求鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)鉆孔穿過滑動(dòng)面以下至少10 m。

1.1.5 自由段套管

在預(yù)應(yīng)力鋼錨管外側(cè)設(shè)保護(hù)外套。用以充分發(fā)揮自由段功能，并提供防腐保護(hù)。

1.1.6 止?jié){塞

設(shè)置在自由套管與錨固段交界處，主要作用為防止注漿體進(jìn)入鋼錨管自由段。

1.1.7 一次注漿管

制作鋼錨管時(shí)，將一次注漿管(Φ22 mm聚氯乙烯管)綁定在鋼錨管的外側(cè)，一次注漿管深入孔底，注漿時(shí)由孔底向上返漿，直至錨管孔內(nèi)充滿漿液，且孔口冒漿為純水泥漿為止。

1.1.8 對(duì)中環(huán)

對(duì)中環(huán)套箍在鋼錨管上，保證下管過程鋼錨管與錨管孔的孔壁間一定的保護(hù)層厚度，確保鋼錨管周圍由注漿體包裹，提高鋼錨管的防腐性能及抗拉承載力。

1.1.9 錨頭

通過手工焊接方式與鋼錨管相連，主要作用為利于鋼錨管順利到達(dá)錨管孔的底部。需要注意的是，在錨頭制作過程中應(yīng)保證錨頭的絕對(duì)密封，不得使注漿體由錨頭進(jìn)入鋼錨管管體中。

1.1.10 注漿體

注漿體包括一次常壓注漿體與多次分段控制注漿體。一次常壓注漿通過伸入孔底的一次注漿管，把一定水灰比的純水泥漿注入鋼錨管外與鉆孔內(nèi)形成圓柱形注漿體。一次常壓注漿時(shí)鋼錨管注漿眼采用玻璃膠封孔，使一次常壓注漿漿液不能進(jìn)入鋼錨管內(nèi)。

多次分段控制注漿待一次常壓注漿后8～14 h，將橡膠注漿槍頭深入鋼錨管內(nèi)進(jìn)行劈裂注漿(一般滑動(dòng)面以下2 m、滑動(dòng)面以上4 m及孔口進(jìn)行三次劈裂注漿)。漿液在高壓(1～5 MPa)作用下，從多次分段注漿孔鋼錨管上的注漿眼劈裂一次常壓注漿體，向周圍巖土體擴(kuò)散，形成擴(kuò)散的劈裂注漿體。

1.1.11 預(yù)應(yīng)力鋼絞線

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Φ15.24 mm無(wú)黏結(jié)鋼絞線，錨固段長(zhǎng)10 m，除凈聚乙烯(PE)保護(hù)層及黃油，待多次分段注漿完成后(注漿體未凝固)立即將加工好的預(yù)應(yīng)力鋼絞線植入鋼錨管管內(nèi)。

1.1.12 鋼墊板

為保證預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)與框架梁連接緊密，在鋼錨管的管口安裝工字型鋼墊板，鋼墊板尺寸25 cm×25 cm×2 cm。

1.1.13 螺母

主要作用可分為兩方面，一方面為施加預(yù)應(yīng)力的主要裝置，另一方面亦可作為預(yù)應(yīng)力鎖定裝置。螺母尺寸為4.8級(jí)M58螺母，長(zhǎng)度為50 mm。

1.2 加固作用機(jī)理

多次分段控制注漿預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索框架組合結(jié)構(gòu)結(jié)合了預(yù)應(yīng)力錨索框架與多次分段控制注漿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，鋼錨管自身不僅作為加固防護(hù)措施，還作為多次分段注漿的通道。多次分段劈裂注漿在鋼管周邊形成類似“樹根狀”的擴(kuò)體型錨固體，提高地層錨固力；提高邊坡滑帶巖土體強(qiáng)度，增加抗滑力；在鋼管內(nèi)植入錨索，通過對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，改變了預(yù)應(yīng)力鋼錨管表層的受力模式，充分發(fā)揮地層的錨固力。

1.3 適用范圍

多次分段控制注漿預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)加固技術(shù)主要用于淺-中層滑坡災(zāi)害治理，應(yīng)急搶險(xiǎn)工程的快速處治工程，在預(yù)應(yīng)力鋼錨管周邊通過多次分段劈裂注漿形成較大的注漿體，能夠提高斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管的錨固力，通過在鋼錨管內(nèi)植入鋼絞線并施加預(yù)應(yīng)力，使劈裂注漿提高錨固段的錨固力充分發(fā)揮；另外，通過多次分段控制注漿特別是滑動(dòng)帶部位，能顯著提高滑動(dòng)帶巖土體強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，減小滑坡推力；多次分段控制注漿鋼花管支擋加固技術(shù)防治滑坡的適宜性如表1所示。

表1 多次分段控制注漿斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架防治滑坡的適宜性Table 1 The suitability of multi-stage control grouting inclined prestressed steel anchor pipe frame to prevent landslide

在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)滑體厚度和滑坡推力的大小，所需鋼花管的排數(shù)及錨索數(shù)量。根據(jù)巖土條件的適宜性，可分情況考慮鋼花管注漿范圍內(nèi)滑面強(qiáng)度的提高，計(jì)算滑坡推力。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 工程概況

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)比分析預(yù)應(yīng)力錨索、普通鋼錨管及多次分段控制注漿預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)極限承載力。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用循環(huán)加、卸荷載法，使用油壓千斤頂對(duì)注漿鋼錨管進(jìn)行加荷，逐級(jí)循環(huán)施加荷載，得出預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力鋼錨管及預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)的極限承載力。

2.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案布置如圖2所示，為達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力鋼錨管及預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的里程范圍為K42+300～K42+420，在一至三級(jí)邊坡共做兩個(gè)斷面，一級(jí)邊坡鋼錨管3排，每排4根，共12根，二級(jí)邊坡2排，每排4根，共8根；三級(jí)邊坡2排，每排3根，共6根，合計(jì)26根。一級(jí)邊坡K42+270斷面布設(shè)3根預(yù)應(yīng)力錨索，錨索分別是1束鋼絞線、2束鋼絞線和3束鋼絞線；二級(jí)邊坡K42+330斷面和K42+350斷面分別布設(shè)4根，自下而上鋼錨管自由段長(zhǎng)度依次為1、3、6、9 m；三級(jí)邊坡K42+330斷面和K42+350斷面分別布設(shè)3根，預(yù)應(yīng)力鋼錨管自由段長(zhǎng)均為3 m，自下而上分別植入3束鋼絞線、2束鋼絞線和1束鋼絞線?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力加載如圖3所示。

圖2 邊坡全貌Fig.2 Whole slope

圖3 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力加載Fig.3 Field prestressed loading

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 預(yù)應(yīng)力錨索承載力試驗(yàn)結(jié)果

各組預(yù)應(yīng)力錨索承載力試驗(yàn)典型拉拔曲線如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索拉拔試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.4 Prestressed anchor cable drawing test load-displacement curve

由圖4可知，由單束、兩束和三束鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索拉拔試驗(yàn)荷載-位移曲線的試驗(yàn)結(jié)果可知，三組預(yù)應(yīng)力錨索極限承載力分別為200、295、336 kN。

2.5.2 預(yù)應(yīng)力鋼錨管承載力試驗(yàn)結(jié)果

不同自由段長(zhǎng)度鋼錨管承載力試驗(yàn)荷載-位移曲線如圖5所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼錨管拉拔荷載-位移曲線Fig.5 Prestressed steel anchor pipe drawing load-displacement curve

由圖5可知，四組不同自由段長(zhǎng)度預(yù)應(yīng)力鋼錨管極限承載力分別為185、185、171、193 kN，均表現(xiàn)為鋼管被拉斷的破壞模式。

2.5.3 預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索承載力試驗(yàn)結(jié)果

預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的順序不同，組合結(jié)構(gòu)的極限承載力也不同，施加預(yù)應(yīng)力的順序主要有：①先對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，再對(duì)鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力；②先對(duì)鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力，再對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力。

(1)預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)只對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)極限承載力荷載-位移曲線如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索拉拔試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.6 prestressed anchor cable drawing steel anchor pipe test load-displacement curve

由單根、兩根和三根鋼絞線預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索拉拔試驗(yàn)荷載-位移曲線的試驗(yàn)結(jié)果可知，三組不同根數(shù)的鋼絞線預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索極限承載力分別為235、378、432.26 kN。相比普通的預(yù)應(yīng)力錨索，單束鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索承載力由200 kN增加到235 kN，錨固力提高17.5%，兩根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索承載力由295 kN增加到378 kN，錨固力提高28.14%，三根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索承載力由336 kN增加到432.26 kN，錨固力提高28.65%。由于預(yù)應(yīng)力鋼錨管通過多次分段控制注漿，通過劈裂注漿擠密錨固段巖土體，漿液充填裂隙，形成“樹根狀”，提高了錨固段錨固力。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)先對(duì)鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力，鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力180 kN張拉鎖定，然后再對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)中鋼錨管承載力與錨索承載力變化關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 鋼錨管承載力與錨索承載力變化關(guān)系曲線Fig.7 Curves of bearing capacity of steel anchor pipe and anchor cable

由單束、兩束和三束鋼絞線預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索拉拔試驗(yàn)在預(yù)應(yīng)力鋼錨管施加180 kN時(shí)，再對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，每次加載預(yù)應(yīng)力錨索，鋼錨管預(yù)應(yīng)力的變化曲線可知，三組試驗(yàn)都是隨著錨索預(yù)應(yīng)力的施加，鋼錨管預(yù)應(yīng)力不斷減小，單根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索的最大承載力235.6 kN，兩根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索的最大承載力376.5 kN，三根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索的最大承載力401.5 kN。

3 結(jié)論

通過對(duì)多次分段控制注漿斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索邊坡加固技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式、適用范圍、加固作用機(jī)理、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論。

(1)研發(fā)出預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)新型加固技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式、加固機(jī)理及適用范圍。

(2)由單束、兩束和三束鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索極限承載力分別為200、295、336 kN。而預(yù)應(yīng)力鋼錨管的承載力為170～190 kN，通過預(yù)應(yīng)力錨索和預(yù)應(yīng)力鋼錨管極限承載力對(duì)比分析表明預(yù)應(yīng)力鋼錨管沒能夠充分發(fā)揮該地層的錨固力。預(yù)應(yīng)力鋼錨管施加的預(yù)應(yīng)力只能傳到淺表層，且破壞模式為鋼管被拉斷或者鋼管接頭處斷裂。

(3)三組不同根數(shù)的鋼絞線預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索極限承載力結(jié)果與普通的預(yù)應(yīng)力錨索相比來(lái)看，單束鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索承載力由200 kN增加到235 kN，錨固力提高17.5%；兩根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索承載力由295 kN增加到378 kN，錨固力提高28.14%；三根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索承載力由336 kN增加到432.26 kN，錨固力提高28.65%。表明預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索通過劈裂注漿擠密錨固段巖土體，漿液充填裂隙，形成“樹根狀”，有效地提高了錨固段錨固力。

(4)施加預(yù)應(yīng)力的順序?yàn)椋合葘?duì)鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力180 kN，再對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明鋼錨管預(yù)應(yīng)力不斷減小，在鋼錨管預(yù)應(yīng)力減小到0時(shí)，單根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索的最大承載力235.6 kN，兩根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索的最大承載力376.5 kN，三根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索的最大承載力401.5 kN。

(5)特別適用巖土體破碎、松散、易塌孔地層于邊坡，通過鋼錨管劈裂注漿，提高邊坡巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)，充填了和擠密破碎地層間的空洞和孔隙，有效提高錨固段錨固力。