预应力锚索框架梁与挂网喷浆复合结构的受力分析与施工技术

预应力锚索框架梁与挂网喷浆复合结构的受力分析与施工技术张立立1，唐胜利1，李雄伟2，王振福3，姚进1（1.西安科技大学地质与环境学院，西安，7100542.陕西罗克岩土工程公司，西安，7100543.陕西省地矿局工勘处，西安，710054）摘要：预应力锚索框架梁与挂网喷浆复合结构是近年来在土质边坡治理应用较多的一种新型的结构措施。本文根据其结构特点，定性的分析了此种结构的受力特点及加固机理，并结合工程实例分析了其施工工艺及注意事项。关键词:预应力锚索框架梁挂网喷浆施工技术1引言预应力锚索框架梁结合挂网喷浆是近年来应用较为广泛的一种新型支挡结构，它兼顾了对坡体的浅层防护和深层的加固作用。框架梁结合挂网喷浆技术通过混凝土砂浆在坡体表面形成墙体结构，可以支护边坡浅层破碎的岩土体；预应力锚索深入坡体内部，主动利用锚固段摩擦力或基岩强度对边坡进行深层加固。该加固技术克服了传统边坡支护结构的支护高度受限制、造价高、工程量大、稳定性差等缺点，施工中随边坡开挖逐次分段实施作业，自上而下分层施工，不占或少占单独作业时间，施工简单，施工效率高。尤其是在施工场地狭小、放坡困难或大型施工机械不能进场时，该技术更能显示其优越性。该技术主要应用于边坡整体稳定性差、坡体临空面较陡、坡体表面较破碎的中、小型边坡的治理。2结构形式及受力机理分析2.1结构形式预应力锚索框架梁结合挂网喷浆结构是预应力锚索、框架梁和挂网喷浆相结合的一种支护结构。其结构形式如图1所示。在一个框架梁单位中，横梁与竖肋的交叉点上设置锚索，每格框架内部通过绑接钢筋网片连接，在框架梁的边界上，横梁不外延，而竖肋有一定的外延度。最后在网格表面喷射混凝土浆，和框架梁形成一个墙状结构体。这种结构既有效阻止了坡体整体滑动，又防止了坡体表面的崩塌，使边坡的支护效率大大提高。图1预应力锚索框架梁结合挂网喷浆结构示意图2.2预应力锚索框架梁受力分析在单独使用预应力锚索时，由于锚墩的面积较小，预应力作用在坡体上呈现点状分布，容易引起表层坡体局部变形甚至破坏，而坡体的变形又会引起锚索预应力的损失，不能有效利用锚索的预应力。而将锚索与框架梁结合起来，框架梁起到锚墩的作用，同时框架梁将力传递到混凝土墙体上，因而这种复合结构与坡体接触面积更大，坡体受力更加均匀，这就减小了坡体局部变形，减少了预应力损失。预应力锚索框架梁上的锚索在边坡支护过程中，根据受力状态可划分为两种工作状态：张拉状态和工作状态。张拉状态是指在锚索施加预应力刚刚完成时，锚索只受到所施加的初始预应力的状态。此时框架梁复合结构还受到锚索传递的初始预应力、边坡体的反力、梁体的重力、复合结构与岩土体的摩擦力等。如果坡体稳定不发生变形，那么锚索处于主动受力状态，力的大小不会发生变化，等于初始预应力，它迫使土体发生挤密变形。锚索的工作状态是在坡体发生滑动变形时，锚索被动受力的状态。坡体自重产生的平行于滑坡面的下滑推力,可分解为垂直于梁的推力和竖直方向上的力。当推力作用于框架梁复合结构上时，应力传递到锚索上，锚索被动受力，锚索上的应力随滑坡的变形而变化。锚索的变形会使锚固段产生抗滑力并通过锚索传递到框架梁复合结构上，产生面状应力作用于边坡上，阻止边坡进一步的变形。图2复合结构张拉状态、工作状态受力分析示意图3预应力锚索设计要素在预应力锚索支护边坡工程中，预应力锚索的设计对与于支护效果起着决定性的作用，如何确定锚索的设计要素是能否有效利用岩土体本身强度来加固边坡的关键。锚索的设计要素主要包括锚固角、锚固段长度和锚索间距三个方面。3.1锚固角的确定预应力锚索的加固机理是利用锚固体和岩土体本身的强度共同作用，对边坡产生抗滑力，从而达到稳定边坡的目的。而锚索的锚固角直接影响着锚固体与岩土体的作用形态，因而锚固角的设计对于抗滑力有很大影响。为充分发挥锚索的锚固作用、提供最大的抗滑力、降低成本，锚固角的确定至关重要。根据计算，为使锚索提供最大的抗滑力，应该按照锚固角来安装锚索，其中为锚索与水平方向的夹角，为滑动面内摩擦角，为滑动面倾角。此时，锚索对滑动体提供最大的抗滑力。但锚索的长度可能较长，并不是最经济的锚固角。最经济的锚固角，是兼顾锚索能提供最大抗滑力和所需锚索长度较小两方面来决定的锚固角。锚索的造价与锚索长度成正比，而锚索长度主要由自由段和锚固段组成。其中自由段长度与锚固角有关。最经济锚固角是单位自由张拉段长度的锚索提供最大抗滑力时的安装角度，通常根据公式245来确定。国内现行规范规定，支挡结构锚索的水平夹角不小于13°，也不应大于45°。以13°~35°为宜。在实际工程中，应该综合考虑最大抗滑力和锚索造价，结合具体的工程地质条件和施工条件来确定最终的锚固角。3.2锚固段长度在边坡治理中，锚索应深入岩土体足够的深度，以保证支护结构能提供足够的抗滑力，确保锚固效果。锚索的锚固长度主要受锚索的抗拉强度、锚索的直径与单束的根数、锚索单束的直径、锚索的设计锚固力、水泥浆与锚索的粘结强度设计值、混凝土与孔壁岩土体粘结强度值、岩土体强度值等影响。因而在设计过程中，应综合考虑以上因素，设计最佳的锚固段长度值。3.3锚索间距预应力锚索间距的选取是锚索设计的关键之一。间距过小会产生群锚效应而降低锚固力；间距过大容易导致单根锚索的锚固力过大而产生应力集中现象。为减小群锚效应，我国规范规定锚索的水平间距不小于2.0m；上下排距不小于2.5m。根据框架梁的解析分析，应采取较小间距、较小吨位的锚索以保证坡面受力均匀，避免应力集中而引起的坡面局部变形。因此建议使用锚固间距L2/,其中为框架梁弹性特征。4工程实例4.1工程概况山西某厂区建设，在厂区东侧要修一条道路，因而需要对边坡进行开挖，边坡呈南北走向，开挖高度约20m，要求临空面直立。该场地在开挖过程中主要揭露了以下地层：①耕土：黄褐色，含云母、煤屑、植物根等，结构较松散。②湿陷性粉土：褐黄色、棕褐色，含云母、煤屑、氧化物、钙质菌丝、卵石等，强度低，韧性低，中高压缩性。③粉质粘土：褐红色，以粉质粘土为主，局部夹粉土透镜体，含云母、煤屑、氧化物、钙质菌丝、卵石等，强度中等，韧性中等，中高压缩性。④粉土：褐黄色，以粉土为主，局部为粉质粘土薄层，含云母、煤屑、氧化物、钙质菌丝、卵石等，强度低，韧性低，中高压缩性。⑤细中砂：以细中砂为主，局部呈粗砾砂分布，偶见卵砾石层，含云母、长石、石英等，有粉土薄层分布，局部形成细中砂与粉土互层。由于坡体结构松散、强度较低，因而在方案设计时要充分考虑坡体表层的崩塌和坡体粘聚力低等特点。4.2方案选择根据现场地质条件和周围环境，经过方案的设计与比选，最终采用预应力锚索框架梁、锚杆挂网喷浆及排水系统相结合的支护措施。4.2.1预应力锚索框架梁框架梁截面尺寸300mm×400mm，梁体全部嵌入坡体内部，间距为3m×3m，每片框架梁由三根横梁和三根肋梁现浇而成。在两根梁的交叉部位设置预应力锚索，锚索长度15-30m，锚固段长度为10-15m，锚固角下斜15°，由5根Φ15.24mm（1860级）低松弛高强度钢绞线编制而成，采用水灰比为0.5的素水泥浆注浆，钻孔孔径150mm，单根锚索设计拉力为400KN，由地面往上1.5m布置第一排锚索孔。4.2.2挂网喷浆框架梁内采用单层挂网喷浆，网片由Φ6.5mm,网格为20×20mm的钢筋绑扎制作而成，喷混凝土厚度15mm，在网格中心位置设置普通锚杆，由一根Φ22mm螺纹钢筋制作，下斜角度为15°，采用水灰比为0.5的素水泥浆注浆，低格与顶格内锚杆可根据情况适当调整位置。在网片外侧设置加强筋，采用Φ12mm螺纹钢通过预应力锚杆交叉布置，压于外层钢筋网片上。4.2.3排水系统主要由排水沟和仰斜排水孔两部分构成。边坡开挖前，在坡顶开挖排水沟，将坡顶上的水从坡两侧排走。边坡开挖时，由人工掏挖排水孔，孔内设置PVC排水管排除坡体内部孔隙水。4.3预应力锚索框架梁与挂网喷浆复合结构施工工艺流程预应力锚索框架梁与挂网喷浆复合结构施工是一项工艺复杂、制约因素多、补救困难的隐蔽工程，每道工序的质量都将影响最终的锚固效果。因而有必要建立一套完整的施工及质量保证体系，使每一道工序都受到我们的控制，保证施工质量。测量放样搭建施工平台钻机就位锚索成孔清孔、下入锚索锚索制作防腐处理水泥浆制作过筛锚索注浆锚索张拉喷射混凝土、封锚坡面刻槽框架梁浇筑绑接钢筋网片仰斜排水孔制作与安装图3预应力锚索框架梁与挂网喷浆复合结构施工工艺流程⑴坡面开挖与修坡。由于此次边坡开挖要求直立，为保证开挖过程的安全性，要求分层分段开挖，坡面每次开挖深度不超过4m。由于原坡面为斜坡，顶部开挖断面较小，开挖时必须采用人工开挖。使用机械进行土方作业时，严格控制边坡直立面的位置，防止超挖或欠挖及边坡出现土体松动。采用人工修整坡面，以保证边坡平整符合设计规定的坡角。⑵钻孔定位。根据设计图纸坐标，利用全站仪对各孔位进行放样，水平误差不大于20mm，垂直误差不大于10mm。⑶锚索孔施工与锚索的制作安装。钻机到达作业面后，调整钻机位置和钻杆的倾角，使钻孔倾斜度达到设计要求。锚索孔钻进不能用泥浆，因为水进入岩土体后将对边坡的稳定性造成很大影响。此次施工采用全液压钻机钻进、钻杆采用全螺旋钻杆、硬质合金钻头、利用空压机输出的高压空气作为冲洗介质。施工结果表明钻进效率高、成孔效果好。完全能够满足设计要求。预应力锚索由锚固段、自由段和紧固头三部分组成，紧固头由锚墩、钢垫板和锚具组成。锚索锚固段由束线环和隔离等定型约束构架件架组成。预应力锚索由低松弛高强度钢绞线编制而成，采用拉力集中型粘结式预应力锚索体系，布设在框架梁横梁与竖肋的交界处。⑷坡面刻槽与钢筋的连接。在修坡完成后，人工在坡面上刻挖300mm×400mm的横槽和竖槽，在槽内焊接钢筋笼，支模板准备现浇混凝土梁。同时将网片钢筋与框架梁钢筋绑接在一起，形成整体结构。⑸锚索孔注浆与框架梁浇筑。此次施工中利用注浆机将水灰比为0.5的素水泥浆压入设置在锚索中间的注浆管中，让水泥浆从孔底向孔外涌出，当水泥浆从孔中溢出时，证明注浆已满。在框架梁的浇注中利用人工将搅拌好的混凝土填入刻槽内，并用振动棒及时振密，确保框架梁的强度。⑹锚索的张拉。锚索张拉必须等孔内浆液强度达到其设计强度的80%后进行。张拉前应检查锚具等设备，并对张拉千斤顶油泵进行标定，给出千斤顶出力与压力表指示曲线，标定时千斤顶最大出力应大于锚索张拉最大值。锚索张拉分五级加载，每级荷载分别为设计拉力的0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍，第一级为预张拉，除第一级稳定2～3分钟、最后一级需要稳定10～20分钟外，其余每级需要稳定5分钟，并分别记录每一级钢绞线的伸长量，在每一级稳定时间里必须测读锚头位移3次。张拉结束后，将张拉段多余部分切除。⑺挂网喷砼。在框架梁和锚索施工完成后，检查网片钢筋的连接与固定情况，确定满足设计要求后开始混凝土的喷射。喷射砼时，根据喷射管的长度调节喷射压力，当管路长20m时，压力控制在150KPa左右，以后管路每增加1m，压力相应增加20～30KPa。射距宜在0.8～1.5m的范围内，并从上部逐渐向下部喷射。射流方向一般应垂直指向喷射面，并将枪头作螺旋状平移，以保证喷射面的平整。砼面板每10m设伸缩缝一道，缝宽2cm，填塞沥青木板。喷射砼厚度要均匀，勿使钢筋网及土钉头外露。最后人工将表面抹平，达到设计的要求。⑻混凝土面的养护。喷射混凝土完成后至少进行7天的喷水养护。4.4施工注意事项⑴锚索孔放样后，必须做出明显且牢固的标记，以免在机械搬运或施工中使孔位发生偏移。⑵在成孔过程中，严禁使用水做冲洗介质。钻进完成后，及时利用高压风配合螺旋钻杆清理钻孔，以免残留在孔中的岩粉影响水泥浆与孔壁岩体的粘结强度。⑶锚索的编制要求每一根钢绞线均匀排列、不扭不叉、平直，油污锈迹要清除干净，制作完成后在锚固段涂抹防锈漆或黄油，并用塑料薄膜裹紧。同一孔钢绞线必须等长，其两端用铁丝扎牢，支撑环要安设计要求制作，间距3m，保证锚索下入孔后居中。⑷锚索下入孔内立即注浆，注浆用孔底注浆法，注浆时应缓慢搅拌浆液