壓力分散型錨索在高邊坡加固工程中的應(yīng)用研究

柴永幸 CHAI Yong-xing

（中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

路塹邊坡開挖后，破壞了坡體原有的力學(xué)平衡，坡體內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力集中，巖土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度銳減，易形成大型潛在松弛面。為抑制邊坡各種變形的產(chǎn)生、發(fā)展、惡化進(jìn)而導(dǎo)致破壞，保證邊坡的長期穩(wěn)定，需要采取措施。近年來，壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索主要材料為鋼絞線，具有防腐能力出色，服務(wù)年限較長，施工工藝成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，在高速公路典型開挖路段高邊坡加固中，由于其錨固部位分散，結(jié)構(gòu)合理，整體錨固力大，逐步取代常見鋼筋型錨桿、錨索，應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力張拉施工中。但由于預(yù)應(yīng)力錨索變形差異、邊坡巖體受力變形（不包含錨頭受力位移）和張拉系統(tǒng)不穩(wěn)定自重不一致等不利因素的影響，在特殊工況下，部分錨索受力差異較大，整體張拉過程中，存在個(gè)別單元應(yīng)力超限及鋼絞線破壞，影響邊坡加固效果評(píng)價(jià)。因此，以貴州省某高速公路路塹邊坡加固實(shí)施方案中的壓力分散型錨索張拉力為主要研究對(duì)象，通過平行試驗(yàn)的方法，結(jié)合后期變形觀測，主要研究了壓力分散型錨索施工工藝控制要素，為同類工程施工提供借鑒。

1 工程概況

劍黎高速公路TJ-8 標(biāo)段，全長10.34km，設(shè)計(jì)最大開挖高度為78m，平臺(tái)的寬度為2.0m，坡比為1∶0.75-1∶1。線路邊坡為板巖地質(zhì)，節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡巖體較破碎，局部坍塌，出現(xiàn)斜向裂縫。為確保公路高邊坡的安全，在本工程中，設(shè)計(jì)采用壓力分散型錨索對(duì)邊坡加固處理，對(duì)高邊坡加固時(shí)，采用壓力分散型錨索，由無黏結(jié)高強(qiáng)低松弛鋼絞線制作而成，直徑為15.24mm，強(qiáng)度為1860MPa，彈性模量為1.98×105MPa。按照不同的規(guī)格劃分，錨索可分為設(shè)計(jì)荷載為700kN 的6 束錨索、設(shè)計(jì)荷載為450kN 的4 束錨索兩種，均為全長無粘結(jié)錨索，長度20-32m 不等。錨孔內(nèi)的注漿體強(qiáng)度為M40。（圖1）

圖1 壓力分散型錨索（6 索）設(shè)計(jì)圖

2 錨索預(yù)應(yīng)力基本原理及施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 張拉計(jì)算

K66+980～K67+170 錨索采用高強(qiáng)度、低松弛無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度Rby=1860MPa。錨索張拉控制力P=700*1.1=770kN，各單元錨索有效作用長度分別為L1=32m，L2=28m，L3=24m（設(shè)計(jì)張拉力荷載值由下式計(jì)算，P 需超張拉至設(shè)計(jì)值的110%，Ln為n 單元的長度，每單元有2 根錨索，3 個(gè)單元為一組，每組6 根），設(shè)定無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量取E=1.95×105MPa，單根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積由圓形面積計(jì)算公式計(jì)算可得S=140mm2

伸長量：

差異伸長值：

ΔL1=PL1/EA，ΔL2=PL2/EA，ΔL3=PL3/EA，式中ΔL1、ΔL2、ΔL3分別為第1 單元、第2 單元、第3 單元無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在計(jì)算得出的最終張拉荷載作用下的伸長量。對(duì)于壓力分散型錨索，三個(gè)單元錨索長度不一致，張拉時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)格按規(guī)定順序，按單元采用差異化分步張拉，并根據(jù)計(jì)算差異荷載進(jìn)行分單元張拉。

伸長量：

則差異伸長量：

式中，ΔP1，ΔP2為分步差異張拉之第1、2 步級(jí)張拉荷載增量。

差異荷載增量：

據(jù)千斤頂與油壓表檢測數(shù)據(jù)一次線性關(guān)系，可得其一次線性方程：y=13.377x-2.2231（y：負(fù)荷，KN；x：壓力表值，MPa）

表1 張拉力與壓力表讀數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)要點(diǎn)

2.2.1錨索制作及安裝

①錨筋制作臺(tái)應(yīng)高于場坪50cm 以上，錨筋設(shè)計(jì)長度與制作臺(tái)長度相適應(yīng)，材料下墊上蓋。擠壓錨固頭，擠壓保護(hù)套、擠壓彈簧安裝應(yīng)保證擠壓千斤頂工作推進(jìn)速度均勻，施工中控制好擠壓保護(hù)套的推進(jìn)工藝，并進(jìn)行現(xiàn)場抽樣檢測，抽樣比例取1%-3%，確保單根擠壓強(qiáng)度符合要求。組裝鋼質(zhì)承載體時(shí)，擠壓保護(hù)套通過螺栓在鋼質(zhì)承載體和限位片之間必須采用四顆以上螺栓固定。架線環(huán)間距為1.0～1.5m，現(xiàn)場施工過程中要求錨孔孔口位置必須設(shè)置1 個(gè)架線環(huán)。保證注漿管穿索定位準(zhǔn)確，并應(yīng)深入導(dǎo)向帽內(nèi)一定長度。導(dǎo)向帽采用2 處以上點(diǎn)焊固定于承載板上，并預(yù)留有溢漿孔。所有外露的擠壓錨固頭，擠壓保護(hù)套、擠壓彈簧等鋼質(zhì)部件均應(yīng)涂刷環(huán)氧樹脂防銹漆。②錨筋按要求整齊存放。錨筋體經(jīng)現(xiàn)場取樣驗(yàn)收，檢驗(yàn)合格方可進(jìn)場張拉，按設(shè)計(jì)順序進(jìn)行安裝。安裝完成后，需安裝警示標(biāo)志，禁止無關(guān)人員靠近，不得敲擊錨筋，杜絕在端頭處懸掛重物的行為。③錨筋制作臺(tái)應(yīng)高于場坪50cm 以上，錨筋設(shè)計(jì)長度與制作臺(tái)長度相適應(yīng)，材料下墊上蓋。錨筋下料應(yīng)整齊，誤差范圍±50mm，預(yù)留長度1.5m。施工過程中必須對(duì)鋼絞線不同單元和鋼筋錨接頭做統(tǒng)一明顯的標(biāo)記。本段錨索長度為32m、30m、28m，故自由段長度分別為27m、25m、23m。鋼絞線一律采用機(jī)械切割下料。嚴(yán)禁采取電弧切割的方式，切割后的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線不得進(jìn)行焊接。經(jīng)切割后的鋼絞線按照錨索長度、數(shù)量進(jìn)行編束，此過程在編束平臺(tái)上完成，編束前應(yīng)將鋼絞線拉直處理，保證錨索長度滿足設(shè)計(jì)要求。④壓力分散型錨索的鋼絞線對(duì)稱錨固于鋼質(zhì)承載體上，由于鋼纖線全長無粘結(jié)，鋼絞線與鋼質(zhì)承載體之間的連接性能直接決定了錨索的作用效果，施工前應(yīng)對(duì)鋼質(zhì)承載體質(zhì)量、擠壓工藝及連接性能進(jìn)行試驗(yàn)，要求單根鋼絞線連接強(qiáng)度大于200kN。承載體和限位片之間采用栓接處理，組裝承載體應(yīng)精確定位。⑤錨索體整體加工完成后，檢查錨索體的外觀質(zhì)量，對(duì)鋼質(zhì)部分進(jìn)行噴涂油漆防腐處理，同時(shí)對(duì)不同錨固單元的鋼絞線進(jìn)行標(biāo)記，避免后續(xù)張拉使用時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。⑥鋼質(zhì)承載體與鋼絞線連接完成后，在錨索體底端接裝導(dǎo)向帽及鋼絞線架線環(huán)，架線環(huán)間距1.0～1.5m，錨孔孔口位置必須設(shè)置1 個(gè)以上架線環(huán)。PVC 注漿軟管從架線環(huán)中間預(yù)留孔穿過并深入導(dǎo)向帽5～10cm，注漿漿液從導(dǎo)向帽頂部溢漿孔注入，保證孔底返漿。

2.2.2錨索注漿

錨孔鉆進(jìn)須保證設(shè)計(jì)孔徑。鉆孔孔壁必須清理干凈。錨孔施工結(jié)束后，經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)孔深孔徑傾角和方位各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)合格后，方可進(jìn)行灌漿操作?？讖健⒖咨顧z查一般采用設(shè)計(jì)孔徑、鉆頭和標(biāo)準(zhǔn)鉆桿。同時(shí)要求復(fù)查錨孔各設(shè)計(jì)參數(shù)，全部錨孔施工合格后，應(yīng)及時(shí)安裝錨固單元并進(jìn)行注漿，注漿時(shí)間不得超過24h。注漿材料采用水灰比（0.4∶1～0.5∶1）的純水泥漿，并聚丙烯腈纖維（PAN），控制摻入量為每方1.8kg～2.0kg（纖維抗拉強(qiáng)度不小于700MPa），注漿所需漿體材料要求強(qiáng)度≥40MPa。注漿過程中如發(fā)現(xiàn)孔口漿面回落，應(yīng)在30 分鐘內(nèi)且漿液未完全凝固時(shí)完成補(bǔ)漿，確?？卓跐{體充滿。注漿過程中須留試塊2 組，漿體強(qiáng)度未達(dá)75%前，禁止碰撞擾動(dòng)。錨孔鉆造完成至注漿完成，總時(shí)差不得超過24 小時(shí)。需加強(qiáng)錨固體圍巖強(qiáng)度而采用二次劈裂注漿時(shí)，一次注漿體強(qiáng)度為5MPa，二次注漿應(yīng)采用鍍鋅鐵管或鋼管，錨固段內(nèi)設(shè)花孔和封塞。注漿材料聚丙烯腈纖維（PAN）摻入量為每立方米1.85kg（纖維抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值700MPa）。

2.2.3錨索張拉鎖定

壓力分散型錨索的張拉，采用設(shè)計(jì)張拉力與錨索體伸長值來綜合控制錨索應(yīng)力，以控制油表讀數(shù)為準(zhǔn)，用伸長量校核（±6%）。在注漿漿體與臺(tái)座混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上時(shí)，方可鎖定。在進(jìn)行整體張拉前，進(jìn)行預(yù)張拉操作（15%設(shè)計(jì)值），使鋼絞線完全平直。張拉時(shí)按照一定的速度進(jìn)行。張拉設(shè)備必須采用標(biāo)定有效期內(nèi)的專用配套設(shè)備（且在有效期6 個(gè)月內(nèi)，張拉次數(shù)超過300 次的，應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的計(jì)量單位對(duì)張拉設(shè)備進(jìn)行重新標(biāo)定。）

壓力分散型錨索的張拉操作程序如下：

安裝千斤頂→0→AP1（初應(yīng)力為設(shè)計(jì)值的15%，要求將鋼絞線拉直）→25%P（正式整體張拉，雙控校核）→50%P（雙控校核）→75%P（雙控校核）→100%P（雙控校核）→110%P（雙控校核合格后，持荷15 分鐘，合格后鎖定）。

所選千斤頂最大張拉力為600kN，各單元錨索實(shí)際伸長值校核時(shí)，分級(jí)張拉伸長值須加相應(yīng)的差異伸長值。各單元在補(bǔ)足差異荷載后分5 級(jí)按上述張拉程序操作。鋼絞線錨索在鎖定48 小時(shí)內(nèi)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失，且應(yīng)力損失達(dá)到0.1 倍設(shè)計(jì)值以上時(shí)，必須補(bǔ)充張拉，保證施加到錨固體上的預(yù)應(yīng)力滿足要求。

2.2.4錨固和封端

①打開送油閥門，張拉活塞在預(yù)應(yīng)力筋回縮下回程5-8mm，用工作夾片分別錨固預(yù)應(yīng)力筋。

②關(guān)閉送油閥門，活塞慢慢回程到底。控制卸荷速率每分鐘不超過設(shè)計(jì)值的0.2 倍（80kN）。依次拆除工具夾片、工具錨板、張拉千斤頂和限位板。錨索鎖定48h 內(nèi)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失的，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充張拉。

③錨索張拉完成及時(shí)補(bǔ)漿，封錨防生銹腐蝕，做好錨頭防腐。張拉至最后一級(jí)時(shí)，持荷約15 分鐘后進(jìn)行錨固封端鎖定，澆筑封端混凝土。

2.3 張拉驗(yàn)收

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：按錨索總數(shù)的5%錨索進(jìn)行多循環(huán)張拉驗(yàn)收（每批次不少于3 根），按總數(shù)的95%的錨索進(jìn)行單循環(huán)張拉驗(yàn)收。在全部工程錨索經(jīng)抽樣驗(yàn)收并符合要求后，方可進(jìn)行下步工序，進(jìn)行張拉鎖定并及時(shí)封錨處理。

驗(yàn)收試驗(yàn)中，錨固段無結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其自由段須全長計(jì)。在最后一級(jí)荷載作用下的位移觀測過程中，錨頭位置固定，10 分鐘內(nèi)位移不超過1mm，或者2 小時(shí)總位移量不大于2mm，視為錨固性能達(dá)標(biāo)。

驗(yàn)收試驗(yàn)應(yīng)遵守分級(jí)加荷原則，起始荷載一般取設(shè)計(jì)值的25%，分級(jí)荷載依次取設(shè)計(jì)荷載值的0.5→0.75→1.0→1.2→1.33→1.5 倍，而且最大試驗(yàn)荷載值不超過主錨筋的0.8 倍。驗(yàn)收試驗(yàn)中，荷載每提升一級(jí)，均應(yīng)穩(wěn)定持荷10 分鐘，并進(jìn)行錨索位移伸長值記錄。如果在10 分鐘內(nèi)位移大于1mm，則需要延長持荷觀測時(shí)間至50 分鐘，并在15、20、25、30、40 和50 分鐘時(shí)分別記錄位移變化情況。直至全部單元錨索驗(yàn)收合格。

3 壓力分散型錨索邊坡穩(wěn)定性效果檢驗(yàn)

3.1 邊坡穩(wěn)定性檢測采用拉線式地表位移監(jiān)測

選取項(xiàng)目K68+150～K68+288.465 右側(cè)邊坡布設(shè)拉線式位移計(jì)2 套，傾角儀2 臺(tái)。

LX01 號(hào)拉線：經(jīng)調(diào)試安裝后，選擇2022 年6 月20 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為該拉線監(jiān)測初始值，以后監(jiān)測結(jié)果與之對(duì)比來反映該監(jiān)測部位位移變化情況。

表2 拉線式地表位移監(jiān)測成果表

從該拉線監(jiān)測曲線圖（圖2）可以看出，本監(jiān)測期監(jiān)測曲線平穩(wěn)，說明該段邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 LX01 拉線位移曲線圖

LX02 號(hào)拉線：經(jīng)調(diào)試安裝后，選擇2022 年7 月1 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為該拉線監(jiān)測初始值，以后監(jiān)測結(jié)果與之對(duì)比來反映該監(jiān)測部位位移變化情況。

表3 拉線式地表位移監(jiān)測成果表

從該拉線監(jiān)測曲線圖（圖3）可以看出，本監(jiān)測期監(jiān)測曲線平穩(wěn)，說明該段邊坡本期內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 LX02 拉線位移曲線圖

3.2 傾角儀監(jiān)測

QJY01：2022 年5 月16 日安裝調(diào)試完成，選擇2022年5 月16 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為該點(diǎn)監(jiān)測初值，后期監(jiān)測結(jié)果與之對(duì)比來反映該點(diǎn)傾角變化情況。截至2023 年8 月31 日相對(duì)傾角值為0.439°，本監(jiān)測期監(jiān)測曲線無明顯變化。說明本監(jiān)測期內(nèi)該段邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測成果見圖4。

圖4 QJY01 傾角變化曲線圖

QJY02：2022 年6 月2 日安裝調(diào)試完成，選擇2022 年6 月2 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為該點(diǎn)監(jiān)測初值，后期監(jiān)測結(jié)果與之對(duì)比來反映該點(diǎn)傾角變化情況。截至2023 年8 月31 日相對(duì)傾角值為0.003°，本監(jiān)測期監(jiān)測曲線無明顯變化，說明本監(jiān)測期內(nèi)該段邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測成果見圖5。

圖5 QJY02 傾角變化曲線圖

4 結(jié)語

①張拉前應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，選定設(shè)備情況，匹配單元張拉長度，設(shè)定各單元張拉順序試驗(yàn)次序，設(shè)定多種備選試驗(yàn)方案，驗(yàn)算錨墩受力情況，通過一系列相關(guān)性試驗(yàn)，綜合計(jì)算確定張拉施工工藝和合理的單元間差異荷載。②下步研究方向，可通過觀測張拉產(chǎn)生的坡體變形情況，當(dāng)單元拉力值較大時(shí)，可采取改變張拉荷載參數(shù)，或者調(diào)整錨頭尺寸等措施，達(dá)到減小單元受力差異和總應(yīng)力損失的目的。③本案例在超荷張拉的兩序法基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一定的創(chuàng)新研究，發(fā)現(xiàn)一次張拉長度長的單元超荷值高于張拉長度短的單元；張拉順序應(yīng)從初始張拉長度短的單元開始即A→B→C 順序。二次超張拉是為了更好地防止應(yīng)力損失，且超負(fù)荷程度不宜大于工作值15%。④壓力分散型錨索適用性強(qiáng)、錨固效果明顯，加強(qiáng)錨索施工各個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量控制，使錨索作用得到充分發(fā)揮，進(jìn)而保證邊坡在建設(shè)運(yùn)營期的持續(xù)穩(wěn)定、長期安全。⑤張拉是錨索應(yīng)用的關(guān)鍵工序,張拉前應(yīng)全面檢查張拉系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素，安全防護(hù)措施等，關(guān)于漿體制備系統(tǒng)，主要需要關(guān)注計(jì)量措施，水泥和水的配制情況，測量密度的儀器等，錨墩和結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度可以通過回彈儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測，也可以通過試塊檢驗(yàn)確定，排除客觀影響因素后，張拉試驗(yàn)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)將更加真實(shí)準(zhǔn)確，更具有現(xiàn)場實(shí)操的指導(dǎo)意義，張拉力、壓力表讀數(shù)關(guān)系曲線與計(jì)算公式的選用，需要按規(guī)范要求選用，其中張拉試驗(yàn)的準(zhǔn)確程度是決定壓力分散型錨索參數(shù)合理性的關(guān)鍵。