复合锚在公路高边坡工程中的应用

复合锚在公路高边坡工程中的应用摘要：对岩体边坡的加固常以端头拉力锚为主，但在破碎岩体边坡加固中由于端头锚受自身受力特点制约，加上被加固体本身的承载能力也可能难以提供过高的锚固力，使得端头拉力锚在破碎岩体中的利用受到了一定的限制。而压力型锚索受力特点恰好与拉力锚相反，具备将不稳定体锚定在地层深部，充分利用锚固段；同时可根据被加固体的承载能力采用单元复合锚（即分散型压力锚索）来调节锚固力，以使被加固体获得达到稳定所需的足够锚固力。浙江金丽温高速公路以地质复杂、地貌变化大、地下水发育著称，在松散破碎岩层地段高边坡加固中，压力分散型复合单元锚索得到了较成功的应用。本文简要介绍本工程施工重点、难点及对策，以供类似工程借鉴。关键词：压力分散复合锚索高边坡应用1.单元复合锚的原理简述1.1利用多个承载体均布在锚固段当注浆固结后，通过一定的荷载张拉对应的各单元锚，设置在锚固段内的各承载体即将钢绞线的拉力转化为压应力传递给被加固体。1.2应用范围适用于各类岩层，尤其是在岩体松散破碎地段或局部承载能力较低地段与拉力锚相比较，具有更大的优势。1.3与端头锚及拉力锚的比较1）受力机理更趋合理：拉力锚受力特点呈倒葫芦形式，锚索的前段为拉应力集中区，逐步衰减至后段，易在锚固段的前段产生剪切破坏；而压力型锚索中注浆体受压，根部为压应力集中区，逐步衰减至自由段，与拉力锚相比较可为岩层提供的锚固力可调性范围大，对岩层的应用范围进一步扩大；而采用分散型压力锚索更可避免锚固后段的压应力集中，使锚固段内应力分布更趋均匀，同时继承了压力锚对软弱地层适应性强的特点。2）采用了无粘结钢绞线，具有更高的防腐性能，减少了普通钢绞线施工时涂油工作，节省了人力，减少了对环境的污染。3）安装锚索后，自由段与锚固段可一次灌浆，简化了注浆工序。4）可采用小吨位千斤顶循环张拉，使得锚固段应力分布更趋均匀。2.在金丽温高速公路工程中的应用2.1工程概介1）工程规模及地点本路堑边坡分三级，最大垂直高度97m左右，长度约350m，加固总面积为18300m2左右，设计锚索共512根，总锚固力达38400kN；其它辅以锚网喷混凝土、重力式挡墙等加固手段。2）场地工程地质条件通过电视成像、遥感、超声波等手段的分析结果，该边坡主要是受古滑坡影响造成岩体边坡坡碎。根据报告显示该地段存在两条断裂构造，断裂交会处位于本工程段落的中心，节理裂隙十分发育，节理密度3~6条/m，共存在主要节理3~4组，最为发育、最为不利的一组节理产状顺坡向，对岩体稳定影响极大。本地段岩性从上至下：亚粘土、含碎石亚粘土、含亚粘土碎石、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩。水文地质：本场址位于浙南丘陵山区，“U”型沟谷发育，植被茂盛，该地下水主要为构造裂隙水及基岩裂隙水，主要接受大气降水，局部构造裂隙水有一定的承压性。渗水量为40356m3/年。3）设计概介（图1）图12.2锚索施工1）基本施工工序造孔（编锚）—下锚—灌浆—浇筑锚垫墩—封孔灌浆—张拉—外锚头保护。2）钻孔施工成孔的质量直接影响到锚索的锚固效果及有效时间，因此选择合理的成孔方法及造孔设备是工程成败的关健。结合本工程特点，配备钻机主要为MD-50型潜孔钻，另外配以少量100型地质钻进行施工。钻孔施工中考虑到该路堑边坡地质破碎，钻孔方法主要以跟套管钻进、固结灌浆二次成孔及长螺旋干钻为主。钻头根据不同地段的硬度主要配以合金钻头及钢粒钻头，跟套管钻进时采用偏心钻头。在钻孔过程碰到不少问题，主要表现在以下几个方面：（1）由于岩体破碎，钻孔过程中多次发生孔壁坍塌，造成掉钻、卡钻、埋钻事故，处理主要是先利用空压机的高风压（风压一般在1.2-1.5Mpa）强行吹孔，然后借助潜孔钻的反冲力强行起拔；当以上工作仍难以解决问题时，通常采用下外层套管，然后利用岩心管将埋钻地段的石块破碎，并借助螺纹钻杆将破碎后的石块挤出，然后再借潜孔钻的反冲取出钻具。（2）由于裂隙发育，钻孔过程常出现钻孔漏风、或风压串孔、突然进尺等现象，对于发生突然进尺时应立即退钻进行固结灌浆，其它情况视围岩破碎情况主要降低钻机的回尺即采取慢速推进，同时减小空压机的供风风压及风量，以防冲毁孔壁。（3）套管接头由于螺纹未拧紧造成跑管现象，此种情况主要利用加工的公锥进行打捞。3）索体的制作（1）材料无粘结预应力钢铰线，7φ15.24mm；承载体+铁头；隔离架体；注浆管；捆绑钢带。（2）加工设备：钢铰线弯曲机、捆绑机。（3）加工方法：采用切割机进行钢绞线下料，先加工第三个单元，采用钢绞线弯曲机将承载体+铁头+下好料大致弯成“U”型的钢绞线共同推进，当钢绞线与铁头前凹槽密贴后，再利用捆绑机将钢带捆绑于承载体于钢绞线上，然后再加工第二单元、第一单元。加工时，注意及时将隔离架体设置好，以保证钢绞线相互平行，并且做好双记号，以便于确认。4）锚索注浆注浆设备选用UBJ2挤压式注浆泵（注浆压力0~1.5Mpa，排浆量30L/min）和BW200/50注浆泵（工作压力P=0~5Mpa，排浆量10~200L/min）。浆液采用灰浆搅拌机拌合，根据浆液的凝胶时间，一次搅拌水泥浆量不小于0.3m3，搅拌时间不应小于2min。输浆管采用耐压50Mpa的高压胶管，管口采用快速接头以保证注浆速度。浆液为纯水泥浆，灰比为0.45，考虑到锚索的防腐问题要严格控制水泥中的氯盐含量，冬季施工时考虑到水泥浆的结石收缩，在浆液中掺入适量的微膨胀剂。注浆采用有压灌浆，终孔注浆压力≥1.2Mpa，并且靠孔口段10m自由段采取循环注浆，直至回浆浓度与进浆浓度相同后才能结束灌浆。5）锚索张拉（以25m锚索举例说明，如图2：）张拉设备根据BSM锚具并结合设计锚索承载力选用YCW-100t千斤顶、YCW-200t千斤顶（张拉行程200mm）；张拉油泵采用ZB-500电动油泵，额定工作压力50Mpa，额定流量4L/min。张拉理论及计算：如图3所示，本工程锚索分三个单元，鉴于各单元锚自由伸长长度不同，为保证各单元锚的受力均匀，防止某单元锚因应力过大造成破坏，张拉时必须考虑各单元锚在同荷载下因自由长度不等而引起的伸长值差。各单元锚的伸长值计算：各单元锚杆的承载力T=Td/n式中：Td———设计复合锚承载力；图2锚索结构示意图图3各单元锚伸长长度示意图各单元锚杆的伸长量δi=T*Li/(Es*As)式中：Li———单元锚杆的自由长度，Li=锚具厚度+锚垫板厚度+垫墩轴心厚度+2×（锚固段+自由段）+弯曲段长度—2×铁头半径；Es———预应力筋的弹性模量；As———预应力筋的截面积。由此得出各单元锚间位移差为△1-2=δ1-δ2,△2-3=δ2-δ3。张拉施工：首先对各单元锚因自由段长度不同而引起的伸长值不同进行补尝，补尝前应先用各单元锚承载力10%将钢绞线拉紧；补偿张拉1单元：张拉力T1补偿=△1-2*Es*As/L1;张拉（1单元+2单元）：张拉力△2-3*Es*As/L1+T1补偿=△2-3*Es*As/L1；张拉（1+2+3单元）：因1、2单元均已采用补偿张拉，故到第三个单元时开始同时张拉，采用逐级加载，每级荷载张拉后停留时间不得少于5min，最后锁定荷载停留时间不得少于10min。原则上，张拉应在注浆后，孔内浆液完全固结并达到最大强度时进行，而常温下水泥浆液需养护28d才能达到最大强度值，长时待凝必定延长施工工期。因实际注浆时浆液中都掺有适量的早强剂，对强度等级为水泥浆液可使其在8d内达到设计强度的80%，另外张拉力为设计轴拉力Nt，而不是极限锚固力Pt，因此张拉通常选择在注浆8~10d后进行，从张拉的效果来看，全部能以设计荷载张拉锁定。锁定的同时随机选择锚索数量的20%安装GMS型锚索测力计，施工中根据实际情况确定如在10d内（规范规定为48h）锚索应力值损失不超过锁定荷载的10%视为稳定，否则对对应区域的锚索进行二次补尝张拉。张拉过程中发现有几种情况容易造成张拉失败，进而导致锚索失效。一种破坏形式是注浆体与地层界面间发生破坏，这是因为一是注浆压力难以达到要求，浆液扩散范围过小；二是成孔孔壁粗糙程度难以足够的粘结力；三是下锚后注浆不及时造成孔内可能发生坍孔，影响了注浆的质量。第二种破坏形式表现为沿锚索体与注浆体界面破坏，从施工记录及破坏情况分析来看，原因一是因为无粘结钢绞线外包塑皮破坏，二是因为注浆浆液发生分层现象。第三种问题是以设计承载力难以锁定锚索，锚头位移过大；这种情况主要发生在锚垫墩坐落于土石交错地段，还有一种原因分析后认为主要是因为锚固段埋入稳定地层中的深度不足所引起。3.检测部分3.1锚索应力检测（图4）锚索应力监测采用GMS型锚索测力计，在锚索施工中将锚索穿过传感器中孔，将传感器锁定在钢垫板上承受压力。通过传感元件的输出值求出锚索应力值。图4测量系统示意图1-岩土锚测力计；2-信号输出插头；3-测定仪的信号输入插座；4-测定仪锚力计的安装要首先检查锚垫板平整度，不平整度要小于0.1，锚垫板外平面与穿索孔轴线必须垂直，不垂直度要求小于5度；二是要对锚垫板表面的杂物，如混凝土、土质等进行清除；三是要确保锚力计的安装位置，要保证锚垫板中心、测力计中心与锚索轴中心对正重合。测力时首先确定工作温度，根据说明书所提供的基准温度确定温度修正系数k，然后按下列公式计算实际的频率，并根据标定情况推算其应力值，公式如下：fi=(Ti-T0)*k+fci式中：fi———温漂被修正的被测频率值；Ti———测量时的环境温度；T0———基准温度；Fci———Ti环境中实测频率值；锚力计观测频率表成果资料整理与判断：根据测量记录，利用工作直线方程推算各阶段点的锚力值；根据锚力值的大小，确定某一区域内锚索是否需要进行补尝张拉，锚杆所提供锚固力是否能满足边坡稳定要求；最后还可根据锚力值的变化，判断爆破、下雨、相邻锚索张拉对预应力值的影响，来调整施工工艺，确定超张拉值，确保锚杆的有效性。3.2边坡稳定观测为正确评估边坡锚固后的稳定性，锚固施工的同时及施工完后一段时间内对边坡的位移进行观测。边坡位移观测采用NIKONDTM530型全站仪，沿路线走向设置几处断面，位移观测桩分为控制桩及工作桩，控制桩分为架镜控制桩及后视控制桩，控制桩在开挖边坡的对面能够观测到整个开挖边坡，并能与原施工导线点通视的地点布设。为避免误差的产生，置镜桩采用现浇钢筋混凝土基座，基座顶部预埋DTM全站仪基座螺杆，在观测时直接将全站仪安装在混凝土基座上，避免脚架变形及对中误差；工作桩和后视控制桩采取现浇混凝土，现浇混凝土时预埋棱镜基座螺母，观测时直接将棱镜安装在基座的螺母上，以便于观测。观测频率，施工期每7d一次，大雨过后，加测一次，边坡加固完毕后，每一个月两次，观测期3~5年。从观测效果来看，完成边坡加固后，边坡最大位移为5mm。4.压力分散性锚索的应用总结及建议通过压力复合锚在本工程的应用，结合施工及观测资料分析，压力分散型锚索对地层的岩性条件要求不高，锚固段的应力分布更趋均匀，同时可通过设置单元锚的分段数来提高锚索的设计承载力，同时由于施工中采用跟管钻进及利用固结灌浆等成孔技术，确保了成孔的质量及台班进尺。对于破碎岩体边坡、断层、裂隙发育地段通过压力分散型复合锚可大大提高边坡的稳定性与可靠性，并可最大限度的降低工程成本，因此在破碎地段的边坡加固中可以推广及应用。