壓縮分散型錨索在軟弱巖土中的應用與試驗研究

易著煒 ，賈志欣

（1.中國水利水電科學研究院 巖土工程研究所，北京 100048；2.柳州歐維姆工程有限公司，廣西 545005）

1 研究背景

目前，預應力錨固技術已在我國水利、水電、鐵路、公路等基礎工程建設中得到廣泛的應用，并取得了長足的發(fā)展［1］。主要表現(xiàn)在：設計理論、錨索結構、施工工藝、施工機具、新型材料、施工管理、施工監(jiān)測等方面都有了突破和成就?；旧夏茏龅结槍Σ煌墓こ烫攸c及要求、不同的地質條件和環(huán)境，采用不同的錨索結構、不同的施工材料和不同的施工工藝，從而使得錨固技術的應用都取得完好的效果，也更進一步推動了錨固技術的應用與發(fā)展。同時，隨著基礎設施建設的蓬勃發(fā)展，巖土工程對象的地質條件也越來越復雜，對于承載力比較低的軟弱巖土體加固，采用往常的拉力集中型錨索已很難滿足工程需要。近年來，針對軟弱破碎巖土體，特別是在承載力比較低的軟弱巖土體加固方面，壓縮分散型錨索由于其受力結構好，有了較多的應用，取得了良好的加固效果。隨著壓縮分散型錨索的普遍應用，設計與施工中暴露出的一些常見問題也越來越受到工程界的重視。本文結合實際工程，就錨索施工工藝及影響因素進行了一系列的現(xiàn)場試驗研究，提出了壓縮分散型錨索設計與施工方面的建議，為壓縮分散型錨索的推廣應用提供技術支撐。

2 壓縮分散型錨索的應用現(xiàn)狀

2.1 壓縮分散型錨索的發(fā)展 采用預應力錨索進行巖土體加固，具有巖土體受破壞小、施工靈活、速度快、干擾小、受力可靠，且為主動受力等優(yōu)點。我國自從20世紀50年代末開始引進和使用預應力錨索技術，至今已應用了將近60年。這期間，由于我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，錨固技術在實踐中不斷應用和發(fā)展，出現(xiàn)了新材料、新工藝、新機具、新方法和新理論。錨索的類型也從單一化發(fā)展為多樣化。目前廣泛應用的錨索類型主要有：從受力機理來分，可分為拉力型，壓力型和拉壓混和型；從受力分布來分，可分為受力集中型和受力分散型；從使用功用上分，可分為永久錨固型和可拆除型［2-4］。

壓縮分散型預應力錨索近年來有了較多的應用，并取得了良好的加固效果。軟弱巖土體的主要特性是無論其峰值強度還是殘余強度都是很低的，其承載力低、穩(wěn)定性差。壓縮分散型預應力錨索是一種能充分利用巖體的峰值強度，又兼顧到軟巖強度低這一特點的主動加固方法，因而更適合于軟弱土質加固工程。它是在無黏結鋼絞線上按一定距離分散布置若干承載體，將錨索拉力分散為幾個較小的壓力，分別作用于幾個較短的錨固體上，從不同位置調動錨索錨固區(qū)的承載能力，逐步衰減至自由段。和常用的拉力集中型錨索相比，它使錨固體與周圍土體的黏結應力峰值大幅降低并較均勻地分布到整個錨固段長度上，克服了拉力集中型錨索承載力與錨固段長度呈非正比增加、黏結應力峰值突出、防腐性能較差等缺陷，充分利用了巖土體的抗剪強度，顯著地提高了錨索的承載能力。

2.2 壓縮分散型錨索作用機理［5］壓縮分散型錨索通常設有兩級或兩級以上承載體，每個承載體上錨固兩根或多根鋼絞線呈對稱或均勻分布，以避免張拉受力時承載體因受力不均而產(chǎn)生偏斜、彎曲、扭轉等現(xiàn)象。預應力張拉時，考慮到鋼絞線不等長而產(chǎn)生受力不均的現(xiàn)象，需采用單根鋼絞線預緊、分錨頭、分級張拉的張拉工藝。預應力張拉時，預應力通過鋼絞線傳至每個承載體上，承載力通過壓縮注漿漿體傳遞荷載。這樣，每個承載體端部承受力最大，并逐漸遞減。整個錨固段將大的集中荷載轉化成單個承載體較小的集中荷載，將預應力平均分散在若干個并聯(lián)的承載體上，有效地改善了內錨頭的應力分布狀態(tài)，避免了將預應力集中地通過惟一1個錨固段砂漿傳遞給巖土體，從而提高了內錨頭的可靠性。

2.3 壓縮分散型錨索優(yōu)點［6］壓縮分散型錨索由于其自身的特殊結構及受力特點，而具有顯著優(yōu)勢。

（1）壓縮分散型錨索將荷載有效分散，使錨固段巖土體應力分布更均勻，能有效利用巖土體的強度。在同樣的巖土體中，采用分散型錨索結構可提供更大的錨固力。

（2）壓縮分散錨索型有效利用了錨固段。只要設計合理，無效錨固段就非常小。因此，在同樣的錨固力要求下，可縮短錨固段長度，從而減短了錨索長度，降低了工程造價。

（3）壓縮分散型錨索由于預應力鋼絞線采用全長全封閉多重防腐，耐腐蝕能力強，錨索使用壽命增加。

（4）壓縮分散型錨索在施工完成后，鋼絞線全長仍為無黏結狀態(tài)，承擔外錨頭傳來的荷載。因此分散壓縮型錨索適應變形能力大，一旦結構物有外荷載的增加，錨索仍能根據(jù)荷載變化受力而不致發(fā)生剪切破壞（在錨索安全承載系數(shù)范圍內）。特別適用于有反復外荷載作用下的結構物當中。

（5）壓縮分散型錨索可在外錨頭設置傳感器，達到永久性觀測的目的。同時還可根據(jù)監(jiān)測結果，對錨索進行2次或多次補張拉，以消除鋼絞力應力損失和蠕變影響。

2.4 壓縮分散型錨索應用特點［7-8］由于壓縮分散型錨索的特殊結構，具有明顯的優(yōu)、缺點。因此，它的應用必須是有針對性的推廣，根據(jù)具體的工程特點而選用。

（1）該錨索結構由于防腐效果非常好，特別適用于工程防腐等級高的工程結構中，尤其是永久性防護工程。

（2）該錨索結構具有分散承壓的特點，特別適用于解決軟土和復雜土質的工程，以及設計張拉力較大的堅硬巖體及軟弱巖體中。這是因為：土體軟弱或土質復雜，錨固力不足是其最大的缺點，而采用該結構能充分利用土體的強度，同時還可以通過增加承載體數(shù)量的方法來增加承載力，或者輔以壓力灌漿或二次灌漿的方法使錨固力不足的問題得以解決；在設計張拉力較大的堅硬巖體中，由于注漿漿體強度有限，同時由于注漿工序隱蔽性強，很難以檢查，采用分散承壓型錨索結構后，可以將較大的張拉力分散，從而對漿體的強度要求相對較低，目前的施工工藝和方法很容易達到，同時漿體處于承壓狀態(tài)，較漿體的受拉狀態(tài)（指拉力型）要好得多；在設計張拉力較大的軟弱巖體中，錨固力不足也成為錨索應用的最大不足之處，而采用分散承壓或增加錨固體數(shù)量的方式方法可解決這一難題。

（3）由于其承載體分布位置的不同，致使錨索鋼絞線存在不等長現(xiàn)象。因此，它不適宜用于加固結構物變形大的工程中。在自由段短或錨固段各承載體間距大的情況下，各錨頭受力的不均勻現(xiàn)象更為突出，嚴重時會導致最外（即靠近外錨頭）承載體局部破壞或鋼絞線破斷，繼而引起張拉力重新分配，增加其它承載體錨固段受力和鋼絞線受力，最不利情況還會產(chǎn)生從外到里依次連續(xù)破壞，從而導致結構失效。

3 現(xiàn)場試驗與研究

結合京杭大運河淮安三線船閘加固工程，針對新型壓縮分散型錨桿進行了一系列的現(xiàn)場實驗，旨在研究提高壓縮分散型錨桿在軟弱土質中的承載力的方法。

3.1 試驗研究內容 （1）施工工藝對錨索承載力的影響；（2）設計參數(shù)的改變對錨索承載力的影響；

（3）加載程序對錨索承載的影響。

3.2 試驗設備 加載系統(tǒng)：（1）YCWl50B千斤頂；（2）ZB4—500型高壓油泵；反力系統(tǒng)：反力系統(tǒng)采用被錨錠閘室鋼板樁；觀測系統(tǒng)：觀測系統(tǒng)采用獨立架設的觀測梁；（3）位移測量系統(tǒng)采用0-50mm的百分表；（4）壓力測量系統(tǒng)采用0-50MPa的壓力表。

3.3 試驗內容

3.3.1 施工工藝對錨索承載力的影響 第一種情況：采用一次灌漿施工工藝和采用二次灌漿施工工藝，各施工一根錨索，對結果進行比較見表1。結果表明二次灌漿后，錨索承載力提供30%以上。

表1 閘室土錨試驗成果匯總

第二種情況：由于地質軟弱或復雜，施工工程中，部分孔出現(xiàn)地表冒水、灌漿的現(xiàn)象，為解決這一問題，采用全套管跟進成孔，并在套管內下索注漿工藝，并分別進行試驗，見表2。試驗中在土質軟弱、地質復雜情況下，出現(xiàn)冒水、冒漿現(xiàn)象，造成成孔質量和灌漿質量下降，直接影響錨固力。但在采用全套管施工工藝，并在套管內下索注漿后，能確保證成孔和灌漿質量，保證錨固力。

表2 閘室土錨試驗成果匯總

3.3.2 改變設計參數(shù)對承載力的影響 第一種情況，通過增加二次灌漿漿量的方法，與沒有增加二次灌漿情況進行比較（表3）。試驗結果表明，單純通過增加二次注漿漿量的方法并不能有效提高錨索承載力，應根據(jù)灌漿壓力及合理注漿量綜合考慮。

表3 閘室土錨試驗成果匯總

第二種情況：通過增加單元錨固段長度，從而增加總錨固段長度，與未增加錨固段長度的情況進行比較（表4）。通過增加承載體間距，從而增加錨固段長度，對提高承載力效果不明顯。

表4 閘室土錨試驗成果匯總

第三種情況：增加承載體數(shù)量并增加錨固段長度對承載力的影響（表5）。增加承載體數(shù)量后，承載力明顯增加。

表5 閘室土錨試驗成果匯總

3.3.3 加載程序對承載力的影響 在原設計第一層錨桿采用2～3個承載體，第二層錨桿設計采用4個承載體布置。在第二層錨桿的試驗過程中由于采用4個承載體，錨固段長，自由段短，按原設計張拉力進行預張拉荷載補償后發(fā)現(xiàn)，隨著試驗力的增加，各承載體力的分布極不均勻，造成3根索最短鋼絞線承載體破壞，而另外3根索通過改進加載程序后，全部試驗成功。說明多個承載體張拉程序需改進。試驗成果見表6。

表6 閘室土錨試驗成果匯總

4 工程應用實例

4.1 京杭大運河淮安三線船閘中 京杭大運河淮安三線船閘擴建工程，位于江蘇省淮安市，船閘規(guī)模為260m×23m×5m采用了鋼板樁加土錨的結構形式，布設兩層錨桿共434根。閘室下游導船墻采用了地連墻加土錨的結構形式，布設兩層錨桿共計850根。錨桿采了3～4個承載體的新型分散壓縮型錨桿，并進行二次灌漿，錨固地層為黏土、亞黏土混粉砂、淤泥質粉土、粉砂、中砂礫石等。工程已投入使用7年且運行良好。

4.2 江蘇諫壁一線船閘加固工程 諫壁一線船閘建于20世紀80年代，船閘規(guī)模為20m×230m×4m，閘室墻采用375#漿砌石空箱結構。兩側閘墻除閘室中部50m范圍內采用了鋼筋混凝土沖孔灌漿樁處理外，其余均未進行地基處理。2001年發(fā)現(xiàn)，兩側閘墻東面75m閘墻皆出現(xiàn)了前傾位移，最大位移10.2m，嚴重影響了通航安全。加固工程采用錨索對75m閘墻進行加固。錨索采用了4個承載體的壓縮分散型土錨。錨固地層為填土層，粉質黏土層。工程已投入使用7年且運行良好。

4.3 長琿高速公路邊坡加固 該工程位于吉林省敦化至延吉一級公路上，采用錨索+錨管樁+框架梁復合支護方案。共采用了660根壓縮分散型土錨，錨索為1500kN級。錨固地層為粉砂巖層，全風化泥巖，強風化礫巖，屬于強風化、強膨脹特性的軟巖。工程已投入使用3年且運行良好。

5 結語

通過對壓縮分散型錨索的一系列現(xiàn)場試驗研究，得出以下幾點認識：

（1）在軟弱土質及復雜土質中應用錨固技術，壓縮分散型錨索具有獨特的優(yōu)勢，但一定要針對土質特性采取適當?shù)墓に?，確保成孔及灌漿質量。

（2）在軟弱土質及復雜土體中，采取分散壓縮型錨索并輔以二次灌漿技術，對提高承載力及保證錨索質量，具有很明顯的作用。

（3）設計上要考慮分散壓縮型錨索的特性，優(yōu)化張拉程序。

（4）應抓緊投入開發(fā)檢測及監(jiān)測儀器，對內錨頭作用機理進行進一步研究，為推廣應用服務。

（5）由于錨索施工必將影響到周圍建筑物及周邊環(huán)境，未來可拆性錨索將具有很廣闊的發(fā)展前景。利用壓縮分散型錨索結構作可拆性錨索，具有很便利的條件。

［1］徐禎祥.巖土錨固技術成就之今昔.巖土錨固技術的新發(fā)展與工程實踐［M］.北京：人民交通出版社，2008.

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［4］SL212-98，水工預應力錨固設計規(guī)范［S］.

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