（水利工程专业论文）天津市海河堤岸改造工程土层锚杆试验及施工技术研究.pdf

中文摘要 海河综合开发改造工程是天滓市发展五大战略之首，其中堤岸改造工程是其 重要组成部分。由于市区海河两岸特殊的地理位置和环境，该工程段护岸结构为 土层锚杆技术的实施提出了工程课题，土层锚杆作为永久性措旋应用于该工程所 处的软土地层中，其工程效果是需要通过试验验证的。 海河右岸台儿庄路段( 刘庄浮桥一光华桥) 堤岸改造护岸结构形式采用地下 连续墙加土层锚杆的设计方案。以此工程为研究对象，本文论述了岩土锚固工程 的基本原理和特点，阐述了锚固工程的锚杆的分类和结构、锚固工程旌工的具体 内容。 阐述了本次锚杆基本试验的试验目的、试验条件和试验过程，对试验数据进 行了统计，并根据试验结果对锚杆承载力、位移量、锚固段应力变化、锚固应力 损失等问题进行了分析。为完善工程设计、指导施工奠定了坚实的基础。 鉴于海河沿岸锚固施工地段的特殊性，总结了海河护岸加固工程施工投入的 设备、施工工艺、工程质量保证以及相应技术措施。阐述了使用描秆技术为海河 护岸治理工程带来的社会经济、效益，并提出了在该项技术上存在的问题。 关键词：锚固工程；锚杆试验；施工技术；护岸治理； a b s t r a c t i n t e g r a t e da l t e r a t i o ne n g i n e e r i n go fh a i h el i e i nt h e t o pp l a c e o ff i v e d e v e l o p m e n ts t r a t a g e m si nt i a n j i n ，a n db a n kr e i n f o r c i n ge n g i n e e r i n gi sac r u c i a l c o m p o n e n to ft h i sp r o j e c t c o n s i d e r i n gt h eg e o g r a p h yl o c a t i o n ，s u r r o u n d i n g sa n d r e v e t m e n ts t r u c t u r e so ft h eh a i h er i v e r s i d e si nt h ec i t y , ad i f f i c u l tp r o b l e mi s e n c o t m t e r e di ni m p l e m e n t i n ge a r t hm o o r i n gr o dt e c h n i q u e e a r t hm o o r i n gr o di s a p p l i e dt o s o f ts o i ls t r a t u ma sap e r p e t u i t ye n g i n e e r i n gm e a s u r e h o w e v e gt h e e n g i n e e r i n ge f f e c tn e e dt ob ep r o v e db ye x p e n m e n t a ir e s u l t s t h ed e s i g ns c h e m eo fc o n t i n u o u sc o n c r e t ew a l lw i t he a r t hm o o r i n gr o di sa p p l i e d t ob a n km o d i f i c a t i o ns t r u c t u r a l s t y l eo n t h er i g h tb a n ko ft a i e r z h u a n gr o a d s e c t o r ( l i u z h u a n gf l o a tb r i d g e - g u a n g h u ab r i d g e ) i nh a i h er i v e r t h ee l e m e n t a r y p r i n c i p l e s a n dc h a r a c t e r i s t i c so fa n c h o r i n ge n g i n e e r i n gi nr o c ka n ds o f ta r e r e p r e s e n t e d t h ec l a s s i f i c a t i o na n ds t r u c t u r eo f m o o r i n g r o da r ed i s c u s s e di nd e t a i l s , a s w e l la st h es p e c i f i cc o n s t r u c t i o np r o c e d u r eo fa n c h o r i n ge n g i n e e r i n g t h ep u r p o s e ，c o n d i t i o n sa n dp r o c e s so f t h i sm o o r i n gr o db a s i ct e s ti sd i s c u s s e di n t h i st h e s i s 。b a s e do nt h eo b s e r v a t i o nd a t e s ，s e v e r a lp r o b l e m ss u c ha sl i m i tb e a r i n g f o r c e ，d i s p l a c e m e n t ，f o r c ee n d u r e db yt h em o o r e ds e c t i o no fm o o r i n gr o da n d p r e s s t r e s sl o s so f e a r t hm o o r i n gr o d a r e a n a l y z e d 。 t h ed e s i g n i n gp a r a m e t e r so ft h ea n c h o r i n gc o n s t r u c t i o no fh a l h eb a n k r e i n f o r c i n ge n g t i n e e r i n g ，t h ee q u i p m e n t s ，t e c h n o l o g ya n dm e a s u r e sa d o p t e dt o g u a r a n t e ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo r ed e s c r i b e d t h es o c i e t ya n de c o n o m yb e n e f i t s g a i n e db yi m p l e m e n t i n gm o o r i n gr o dt e c h n i q u et oh a i h eb a n kr e i n f o r c i n ge n g i n e e r i n g a r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r , a n ds o m ep r o b l e m sa l ep r o p o s e dc o n c e r n i n gt h i s c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：a r c h o r i n ge n g i n e e r i n g ；m o o r i n gr o dt e s t ；c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e b a n kr e i n f o r c i n ge n g i n e e r i n g 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处夕 ，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 躲差旁黼期：时年f 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 躲差厉 签字日期：严睁6 月，日 导师签名：高【亨； 签字日期：一阵c 月1 日 第一章绪论 1 1 锚固工程的发展与现状 1 1 1 锚固工程发展概述 第一章绪论 近几年来，随着国民经济的高速增长，建筑工程、铁路工程、水利水电工程、 桥涵码头工程等建设项目如雨后春笋般蓬勃兴起，迅速发展。岩土工程作为各种 建设工程的前期和基础性工作，经过广大科技工作者和工程技术人员理论上的探 讨、设计方面的创新、先进技术的推广和应用、施工经验的总结等，从勘察、设 计到施工、监理和监测技术均已达到一个新的水平，工程质量也不断提高。 岩土工程所面临的对象是复杂的地质体。这些复杂的地质体在漫长的地质年 代里，由于经过了地质构造运动、自然风化和人类活动的作用，其中包含了大量 诸如层理、节理、断层、软弱夹层、溶沟、溶槽等各种地质缺陷。它们在一定的 时间内和一定的条件下，可能处于相对稳定的平衡状态，但如果条件改变。原来 的平衡状态就有可能遭到破坏，比如在岩土工程开挖于施工过程中，其原有应力 场会重新分布，从而使岩土体发生变形，继而产生塌落、坍陷、岩崩、滑坡、地 面沉降等地质灾害。为预防治理此类地质灾害，工程上长将一种受拉杆件埋入岩 土体，用以调节岩土的自身强度和自稳能力，这就是我们常说的锚杆，它所起的 作用就是锚固，应用数学、力学和工程材料等科学知识来解决岩土工程中的锚固 设计、计算、旌工和监测等方面问题的技术和工艺则称之为锚固工程。 1 1 2 锚杆技术在国内外工程的应用 在各种土木建筑工程中使用锚杆技术距今已有近9 0 年的历史。据记载，美 国于1 9 1 2 年首先在阿伯施莱辛( a b e r s c h l e s i n ) 的佛里登斯( f r i e d e n s ) 煤矿使 用锚杆支护顶板，1 9 1 5 至1 9 2 0 年在金属矿山也开始使用锚杆，并有所发展和推 广。从1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆及1 9 5 7 年前西德 b a u e r 公司在深基坑中使用土层锚杆至今，锚固技术在世界各地都得到了广泛应 用。与此同时，锚固技术的理论研究也引起了人们的重视。1 9 5 2 年路易斯帕内 克( l o u i s p a n e k ) 等提出了悬吊作用理论，雅克比( j a c o b i o ) 等提出合成梁作用 理论。1 9 5 5 年由拉布希维兹( r a b c e w i c z ) 提出，后由兰仕( l a n g ) 等人发展得 出拱形压缩带作用理论。后者称为块状岩体围岩隧道锚杆支护机理的经典理论。 第一章绪论 目前，国外仅各种岩石锚杆就达6 0 0 余种，每年使用的锚杆量达2 5 亿根。日本 的土锚用量逐年成倍增长。德国、奥地利的地下开挖工程，已把锚杆作为施工的 重要手段，无论硬土层还是软土层，几乎没有不使用锚杆的。 5 0 年代后期，我国先后在京西矿务局安淮煤矿、河北龙烟铁矿、湖南湘潭 锰矿等单位开始使用楔形缝式岩石锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，普通砂浆 锚杆与喷射混凝土支护技术开始在矿山巷道、铁路隧道和边坡整治等工程中大量 应用。1 9 6 4 年，梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。7 0 年代，北京国际信 托大厦等基坑工程采用了土层锚杆支护。近十几年来，随着改革开放后我国工程 建设项目的不断增加，岩土锚固技术也得到了突飞猛进的发展。高应力、大变形、 大跨度、遇水膨胀等复杂情况下工程建造技术有了新的突破。云南漫湾水电站左 岸边坡加固工程，采用了2 3 0 0 多根1 0 0 0 - - 6 0 0 0 k n 级预应力锚索，与锚固洞、 锚固桩相结合，使滑坡得到了有效控制。锚杆结构与工艺不断提高，用于水电站 坝基稳定的预应力锚索最长达9 0 m ，最大张拉荷载达6 0 0 0 k n 。新型的锚固施工 机具和锚圃材料不断出现，如马鞍山矿山研究院等单位研制出了砂浆锚固钻桩 机，使锚固成孔、注浆、插杆作业连续进行，速度快、工效高；冶金部建筑研究 总院研制的风动型自进式缝管锚杆安装机，重1 4 5 垤，高4 5 e m ，解决了低矮工 作面缝管锚杆的安装问题；冶金部研究总院与广西柳州建筑机械总厂、地质矿产 部机械电子研究院与赤峰钻探机械厂，分别研制了y t m 9 7 型和土星一8 8 l 型系 列全液压多功能钻机。此外，理论研究也取得了一定的进展，国内不少单位采用 了理论分析、模型试验、现场勘测等方法，研究岩土工程锚杆的作用机理、加固 效果以及相应的设计计算方法，为复杂地层中的锚杆设计与施工提供了理论依 据。与此同时，国家和有关部门颁布了相应的锚杆设计与施工规范。所有这些都 表明我国岩土锚固技术正稳步向定量化、科学化和规范化迈进。 1 2 锚固技术发展新方向 为进一步满足各类岩土锚固工程的需要，锚固技术着重开展以下几个方面的 工作：加大力度研制适合我国国情的、优质高效、功能齐全的适合综合配套锚杆 施工机具，以便满足各种工况条件下的锚固簏工需求；在完普已有锚杆的同时继 续开发锚杆新品种、新工艺，以提高锚杆在各种岩土介质下的适应性和有效性； 开展永久性锚固工程中锚杆本身的可靠性和稳定性研究，主要是指锚杆的力学稳 定性和化学稳定性。力学稳定性主要研究预应力锚杆的应力损失规律，并提出控 制措施，化学稳定性主要研究锚杆的腐蚀性和防腐措施；大力研制锚固工程检测 仪器，为工程质量控制和工程可靠性检测提供可靠的手段；紧密结合工程实际， 仪器，为工程质量控制和工程可靠性检测提供可靠的手段；紧密结合工程实际， 第一章绪论 大胆应用非确定性数学、非线性力学、人工智能等现代科学理论和技术，采用系 统和优化的观点开展锚固设计计算和施工方面的理论研究，为工程实践提供可靠 的理论依据；大力推广现有锚固工程规范，并在实施过程中不断发展和完善，力 争做到锚固工程设计与施工规范有序而科学合理。毋庸置疑，锚固技术将以其独 特的效应、简便的工艺、广泛的用途、经济的造价在岩土工程中显示出重要的地 位。 1 3 问题的提出 海河干流治理工程是天津市的一项重点工程。该工程市区段护岸结构由于当 地两岸特殊的地理位置和环境为土层锚杆技术的实施提出了工程课题，能否将土 层锚杆作为永久性措施大胆地应用，持别是由于该工程部位处在饱和软土地层， 这个问题的解决将直接影响到工程能否顺利进行。 海河作为天津市的象征，其两岸已形成许多持有的地理风貌。海河带状公园 在海河两岸亦已形成了风格迥异的人文景观，为市民游览、休闲和生活不可缺少 的一部分。实施海河护岸的修建治理必将对原有的建筑景观有所破坏，如果采用 传统的立式板桩明开槽的工程设计和施工工艺，更将大大增加海河岸边的拆迁工 程量。许多生长了几十年的树木将被破坏。一些地段的道路、引桥以及园林也要 遭到损坏，数不清的地下电缆、给水排水管道、煤气热力管道将要迁移，昔日的 海河公园将荡然无存。因此造成的社会影响、环境影响是无法弥补的。 针对该工程的特点，在对两岸饱和土地层进行分析研究后，采用了土层锚杆 技术，避免了大量的拆迁征地和土方开挖及回填，保护了园林。缩短了工期。带 来了无法估计的经济、社会及环境效益。 天津市海河综合开发改造工程是天津市发展五大战略之首，其中堤岸改造工 程是其重要组成部分。海河右岸台儿庄路段( 刘庄浮桥一光华桥) 作为堤岸改造 的一期工程于2 0 0 3 年1 0 月份开工建设，设计单位为天津市水利勘测设计研究院， 施工单位为天津市水利工程有限公司，其护岸结构形式采用了地下连续墙加土层 锚杆的设计方案。 采用地下连续墙加土层锚杆作为深基坑支护的临时措施在天津市的建筑领 域已经有了非常成熟的工程设计和施工经验，但是将其作为永久性的加固措施应 用于河道堤岸治理工程还是首次。所以无论对于设计还是施工，都缺乏能够适用 于本地区的基本参数、技术数据和施工经验。为此，受海河堤岸工程指挥部的委 托，天津市水利工程有限公司与水利部中水北方公司工程技术研究院共同进行了 锚杆基本试验，并选择了具有丰富施工经验的工程技术人员进行了锚杆基本试验 第一章绪论 的操作，取得了宝贵的第一手技术资料，为完善工程设计、指导施工奠定了坚实 的基础。 1 4 本文的主要工作 作为海河堤岸改造工程台儿庄路( 刘庄浮桥一光华桥) 段的项目经理，作者 有幸主持了此次锚杆基本试验的全过程工作，本文就锚固工程锚杆基本试验的试 验过程及越工技术进行论述，主要工作包括以下方面： 1 介绍广义上的岩土锚固工程的基本原理，岩土锚固技术的的特点，总结 了用于锚固工程的锚杆的分类和结构，并阐述了锚固工程施工的具体内容。 2 阐述了本次锚杆基本试验的试验目的、试验条件和试验过程，对试验数 据进行了统计，并根据试验结果对锚杆承载力、位移量、锚固段应力变化、锚固 应力损失、地层对锚圃力的影响、施工工艺对锚固力的影响等问题进行了分析。 3 鉴于海河沿岸锚固旌工地段的特殊性，本文对此次工程旖工设备的选择 和安装、钻孔钻进方式及注浆工艺、锚杆体的加工和安放进行了详细的论述，并 对工程施工的主要材料选择进行了说明。 第二章锚固工程施工技术基本原理 第二章锚固工程施工技术基本原理 岩土锚固工程是岩土工程技术领域内的一个重要分支。它具有合理利用岩土 能量、充分调用和明显提高岩土的自身强度和自稳能力，工艺简便，适应性强等 特点，在边坡、基坑、挡墙、坝体、地下工程码头、船坞、水池高耸结构及悬索 结构的拉力型基础等工程中应用，能大大简化结构体系，减轻结构重量，大量节 约工程材料，经济与社会效益十分明显，以引起国内外工程界的普遍重视。 本章主要介绍广义上的岩土锚固工程的基本原理，岩土锚固技术的的特点， 详细介绍用于锚固工程的锚杆的分类和结构，并阐述了锚固工程施工的具体内 容。 2 1 岩土锚固的基本原理 岩土体在开挖或掘进前，在原始应力场的作用下处于平衡状态( 这种原始应 力场是由上覆岩土层的重力和地质构造力引起的) ，而在开挖或掘进以后，开挖 或掘进部分岩土体所承担的载荷转移到周围的岩体而产生应力集中，最后形成新 的应力场。同时由于开挖空间的存在，为围岩体或土体的垮落提供了条件。实践 证明，大多数情况下岩土体在开挖或掘进后能够长期自稳，而一部分岩体必须进 行人工支护才能保持稳定。岩土锚固是一种发展迅建，应用广泛的支护方法。其 基本原理是利用岩石或土体的自身强度，通过金属杆体或钢制缆索加以固定，以 保持构筑物或岩土体开挖面自身的稳定性。岩土锚固的主要力学作用是： ( 1 ) 抵抗地下车库、地下水池、船坞等坑洼式结构物因地下水的上浮力大于 结构物自重时，产生的上漂、倾斜； ( 2 ) 抵抗深基坑、水库坝体出现的倾倒趋势； ( 3 ) 控制地下洞室围岩体变形，防止塌冒； ( 4 ) 在灾害地质治理工程中，用于阻止岩土体滑移面的剪切破坏； ( 5 ) 抵抗水库坝体等结构物基底的水平位移； ( 6 ) 使地基受到压缩，预加固地基。 锚固的力学作用是互相补充的，但对于具体工程而言，并非发挥了每一项力 学作用。 第二章锚固工程施工技术基本原理 2 2 岩土锚固技术的特点 岩土锚固技术与其它支护技术相比，具有以下特点： ( 1 ) 岩土锚固能够充分发挥岩土体的能量，可以调用和提高岩土的自身强度 和自稳能力； ( 2 ) 可以大大减轻结构物自重，节约大量材料，降低成本，具有显著的经济 效果： ( 3 ) 锚固的设计数拉力等力学参数可在施工完成后通过试验获得，因此可以 保证设计、施工安全度，工程质量稳定可靠； ( 4 ) 目前广泛应用的预应力锚杆技术，可以准确控制建筑物的变位； ( 5 ) 锚固施工要求作业空间小，施工嗓音低，振动不大。 当然，岩土锚固技术也存在一些不足，如：对岩土体物理力学状况要求较严 格；对岩土体周围的地下构筑物( 埋没物) 可能产生危害；锚杆预应力随时间的推 移会产生徐降等。 2 3 锚杆的分类和基本构成 2 3 1 锚杆的种类 目前，世界上锚杆品种已发展到数百种之多，可以满足不同的岩土条件、工 程对象和承载能力要求。按照不同的分类方式，锚杆分为以下几类： ( 1 ) 按锚固应用对象分为： ( a ) 岩石锚杼； ( b ) 土层锚杆。 ( 2 ) 按是否预先施加应力分为： ( a ) 预应力锚杆； ( b ) 普通锚杆( 非预应力锚杆) 。 ( 3 ) 按锚固机理分为： ( a ) 粘结型锚杆： ( b ) 摩擦型锚杆； ( c ) 断头锚固型锚杆( 点锚式锚杆) ； ( d ) 混合型锚杆( 综合式锚杆) 。 ( 4 ) 按锚固体传力方式分为： ( a ) 压力型锚杆； 第二章锚固工程施工技术基本原理 ( b ) 拉力型锚杆； ( c ) 剪力型锚杆。 ( 5 ) 按锚固体形态分为： ( a ) 圆住型锚仔； ( b ) 畸部扩大型锚杆； ( c ) 连续球体型锚杆。 ( 6 ) 按锚杆的杆件材料分为： ( a ) 金属锚杆； ( b ) 其它材料锚杆： ( c ) 锚索。 ( 7 ) 按锚杆长度分为： ( a ) 长锚杆( 使用锚杆钻机成孔，深度大于5 m ) ( b ) 短锚杆( 使用凿岩机成孔，深度小于5m ) 。 ( 8 ) 按锚杆支护时限分为： ( a ) 永久性锚杆； ( b ) 临时性锚杆； ( c ) 可回收式锚杆。 2 3 2 锚杆的基本构成 锚杆一般是指受拉杆件的总称，是由锚固体、拉杆及锚头三个基本部分组成： ( 1 ) 锚头。 锚头是指构筑物与拉杆的连结部分，它使来自构筑物的力牢固地传给拉杆。 另方面，锚头必须将集中力合理分散开。锚头由台座、垫扳、模径、支架、紧 固器( 螺母) 5 个部件组成。 ( 2 ) 拉杆。 拉杆是锚杆中心受拉部分，从锚杆头部到锚固体尾端的全长即是拉杆的总长 度，它包括自由长度和有效长度两部分。锚索多为钢纹线或钢丝束等。 ( 3 ) 锚固体。 锚固体是锚杆尾端的锚固部分，通过锚固体与岩土体之间的相互作用，将力 传送给地层。锚固体是保证锚圃技术成功的关键。锚固体有注浆式、螺旋式、碘 缝式、爆固式等多种，它们基本原理相似，但适用的岩土体和最大锚固力各不相 同，必须根据岩土力学条件和工程要求进行设计选择。 第二章锚固工程施工技术基本原理 2 4 岩土锚固工程施工主要内容 岩土锚固工程施工主要包括施工准备、锚孔钻进、锚杆的制作与安放、注浆、 锚杆的张拉和锁定、锚扦预应力损失控制等环节。锚固工程施工质量直接影响锚 杆的锚固效果，同时制定适宜的施工方法，对提高工效和取得较好的经济效益至 关重要。 本章主要介绍岩土锚固工程施工的施工准备和锚孔钻进两个部分，其余部分 将结合海河河堤改造工程在论文的第四章中进行阐述。 2 4 1 准备工作 2 4 1 1 资料搜集 岩土锚固工程施工前，应收集调查下列有关资料： ( 1 ) 工程概况、锚固计划、设计图、岩土基础状况资料； ( 2 ) 地下埋设物和障碍物情况、特别通讯电线、煤气管道等情况； ( 3 ) 地下水水质及活动、贮存状态； ( 4 ) 了解地方法令、环保规则、作业空间限制、交通道路情况； ( 5 ) 了解当地工期内气象条件及施工地域的河流水文资料。 2 4 1 2 施工设计 岩土锚固工程施工前，应详细地制订施工组织、设计确定施工工艺、施工工 序、使用机械、工程进度、质量管理和安全管理等事项。施工设计书一般包括下 述内容： ( 1 ) 工程概要、工程名称、施工目的、工程地点、工期、采用的规范、工程 量、地质条件； ( 2 ) 设计对锚杆的规格和锚固力的要求； ( 3 ) 工程进度要求及旌工组织编制表： ( 4 ) 选择确定施工使用的钻孔机械和其它设备； ( 5 ) 施工使用的材料( 水泥、钢材、燃料等) ； ( 6 ) 作业程序及各工种人员的配备： ( 7 ) 施工质量管理控制计划； ( 8 ) 安全管理规程和计划； ( 9 ) 应交付工程验收的各种原始报表和技术资料。 2 4 2 锚孔钻进 锚孔钻进的施工技术要求包括一般要求和钻孔的精度要求两个方面。 第二章锚固工程施工技术基本原理 2 4 2 1 锚孔钻进的一般要求 ( 1 ) 应根据不同的岩土条件，选择应用不同的钻机和成孔工艺，以保证杆体 插入和注浆过程中孔壁不致塌陷，孔壁不产生过分犹动。钻孔直径必须达到设计 要求。在钻孔旌工过程中，设计部门有权要求对锚固区段的位置和岩土分层厚度 进行验证。 ( 2 ) 钻孔用水对周边地基和锚固层岩土体有较大的不良影响时，必须采用无 水钻孔法，钻孔可以用水时，应使用清水。膨润土泥浆或其它无固相冲洗液会减 弱锚杆的锚固力，应避免使用。 ( 3 ) 锚固长度区段内的孔壁不得有沉渣，否则会使锚杆锚固力下降，因此成 孔后要求用空气或清水充分清洗孔壁。 ( 4 ) 施工过程中若有地下水从钻孔内涌出，必要时应采取注浆堵水措施，以 防止锚固段浆液稀释而影响锚杆的锚固力。 2 4 2 2 钻孔精度要求 钻孔精度视结构物的重要程度和使用要求而有所不同。国际预应力混凝土协 会编制的的注浆锚杆规范( 1 9 8 2 ) 提出的一般要求如下： ( 1 ) 钻孔入口点的允许误差为正负7 5 m m ； ( 2 ) 钻孔入口点与轴线的倾角、水平角的允许误差为正负2 5 0 以下； ( 3 ) 锚孔任何长度上偏离轴线的允许误差不大于锚杆长度的1 3 0 。 我国工程建设标准化协会编制的土层锚杆设计与施工规范( c e c s2 2 ：9 0 ) 规定如下： ( 1 ) 锚杆水平方向孔距误差不应大于5 0 m m ，垂直方向孔距误差不应大于 l o o m m , ( 2 ) 钻孔底部的倾斜尺寸不应大于锚扦长度的3 ( 3 ) 钻孔孔深不应小于设计长度，误差不应大于长度的l 第三章锚杆基本试验及成果分析 第三章锚杆基本试验及成果分析 锚杆设计所采用的锚杆承载力数据一般都来源于锚杆的现场试验。设计制作 成功的钳杆是否满足设计要求，能否正常工作，也要通过试验来验证。 本章以海河护岸改造工程台儿庄路( 刘庄浮桥一光华桥) 段锚杆基本试验为 研究对象，详细阐述了本次锚杆基本试验的试验目的、试验条件和试验过程，对 试验数据进行了统计，并根据试验结果对锚杆承载力、位移量、锚固段应力变化、 锚固应力损失、地层对锚固力的影响、施工工艺对锚固力的影响等问题进行了分 析。 3 1 试验目的 海河堤岸改造工程台儿庄路( 刘庄浮桥一光华桥) 段锚杆基本试验的目的主 要有以下几个方面： 1 、验证土层锚杆设计参数的合理性； 2 、合理选择锚杆施工设备，使其技术上可行、经济上合理； 3 确定锚杆施工工艺及其主要施工技术的可行性： 4 、指导下步锚杆施工并为完善设计方案及施工技术奠定基础。 3 2 试验的基本条件及锚杆主要参数 3 2 1 试验的地理位置 本次试验位于海河右岸刘庄桥至光华桥之间，刘庄桥下游2 3 0 m 左右。试验 期间海河水位为大沽高程1 1 1 2 m 之间，锚杆孑l 位标高为大沽高程o 8 m ，锚杆 钻机在海河顺河临时施工围堰上工作，围堰宽度为4 o m ，围堰高程为大沽高程 i 3 m 。 3 2 2 工程地质勘察简介及地层情况 3 2 2 1 地形地貌 工程区地形平坦，地面高程略有起伏，高程在2 5 3 8 5 m 之间，海河水位在 第三章锚杆基本试验及成果分析 1 o o 一1 2 0 之间，河道上口宽1 0 0 1 2 0 m 。在勘探深度范围内，所揭露的地层均为 第四系全新统松散沉积物。 3 2 2 2 地层岩性 ( 1 ) 人工填土层( r q ) 全区分布，该层由杂填士和素填土组成。 杂填土：由炉灰渣、石子、石灰、沥青路面等组成。层厚：o 3 1 2 m ，层底 高程一0 6 5 - 3 2 5 m 。 素填土：位于杂填土至下，以灰黄色粉质粘组成，局部为粘土或粉土，含 锈斑、石子及有机质等。层厚：0 8 3 5 m ，层底高程：0 8 0 5 3 m 。 ( 2 ) 故河道、冲击相新近沉积层( a l q 4 3 “) 全区分布，这与该层历史上为海河故道有关。岩性由粉质粘土和粉土组成。 粉质粘士：灰黄色为主，黄灰色次之；湿饱和；可塑软塑；含锈斑及尖脐 螺壳，具有微细层理，厚度：0 5 - 5 2 0 m ，层底高程：0 6 7 3 m 。 粉土：黄灰灰色，湿，稍密中密，含少量锈斑，局部含贝壳较多，层厚： 1 6 4 m ，层底高程：0 9 7 7 m 。 ( 3 ) 第四系全新统上部录像冲击层( a l q 4 3 ) 成透镜体分布，岩性由粉质粘土和粉土组成。 粉质粘土：黄褐色为主，湿饱和，可塑。层厚：1 4 m ，层底高程：2 8 m 。 粉土：黄褐色为主，湿饱和，稍密中密，含少量锈斑。层厚：3 4 m ，层底 高程：4 8 m 。 ( 4 ) 第四系全新统中部海相层( mq 4 2 ) 全区分布，岩性由粉质粘土和粉土组成。 粉质粘土：灰色，饱和，可流塑，含贝壳碎屑，具微细层理，层厚0 7 6 8 m ， 层底高程：5 2 1 1 8 m 。 粉土：灰色，湿，中密为主，含贝壳碎屑，具微细层理，层厚1 5 0 o o m ， 层底高程：1 0 6 1 2 9 5 m 。 ( 5 ) 第四系全新统下部陆相冲击层( a lq 4 1 ) 该层岩性由粉质粘土和粉土组成 粉质粘土：灰白灰黄色，饱和，硬塑流塑，含锈斑、礓石及有机质，该层 未被揭穿，最大可见厚度4 9 0 m 。 粉土：灰黄色，湿，密实，含锈斑，该层未被揭穿，最大可见厚度3 9 m 。 粉砂：黄色，湿，密实，含锈斑。 3 2 2 - 3 本区段护岸形式 本区段在历史上曾多次进行过堤岸治理，护岸形式包括连续木板桩加混凝土 第三章锚杆基本试验及成果分析 护坡形式、混凝土连续板桩及预制拉锚桩加钢筋拉锚，标高正负零以上填有大量 的建筑垃圾，施工难度较大。 3 2 3 主要施工设备 主要施工设备见表3 - 1 所列。 表3 - 1 主要施工设备表 序号设备名称型号主要性能功率数最 ( 台) 1 锚杆钻机x y 一2 中7 5 径、钻深3 0 0 m2 2 k w 1 2 注浆泵 b w 2 5 0 2 5 0 l r a i n 、压力5 m p a 1 3 k wl 3搅拌机立式容量5 0 0 l 2 2 k w 2 4 水泵 2 k w2 5 切割机 2 k wl 6电焊机 t o k w 1 3 2 4 监测设备及数据采集系统 3 2 4 1 主要检测仪器和设备 主要检测仪器和设备见表3 2 所列。 表3 - 2 检测仪器和设备表 序号名称规格单位 数量备注 l 应变计 d i 1 0只2 4 2 锚杆测力计 b g k 4 9 0 04 3数字电桥 s q 2 1 4 弦式读数仪 b g k 4 0 8l 5锚具o v m m 1 5 - 6个 4 6 千斤顶 y c w 2 5 0 b台l 7 数据采集箱 1 6 通道通道3 2 8电缆 y s z w 5米4 5 0 9 百分表 台20 0 1 m m 1 0油压表 l o 2 m p a 1 1 油泵 台1 3 2 4 2 主要检测仪器和设备的工作原理及参数 第三章锚杆基本试验及成果分析 ( 1 ) 应变计 应变计选用南京市水利电力仪器工程有限公司生产的差动电阻式d i 1 0 型 应变计。差动电阻式应变计用于埋设在水工建筑物及其他混凝土结构物内部，测 量结构物的内部应变，以计算其应力。主要技术参数，仪器标具：1 0 0 ；弹性模 量：2 0 0 m p a ；耐水压力：o 5 m v a ；频率响应：l o o h z ；温度测量范围：- 2 5 + 6 0 ；温度测量精度：0 5 。c ，测量范围1 5 0 0 1 0 吐一1 0 0 0 1 0 4 ，仪器长度l o o m m ， 封闭式包装。差动电阻式传感器利用弹性钢丝在力的作用下和温度变化下的特性 设计而成，有两根钢丝电阻r l 和r 2 与电阻比电桥形成桥路从而测出电阻比和 电阻值两个参数，并计算出仪器所受应力和测点的温度。所有电阻应变计电缆集 中连接至数据采集箱并通过数字电桥s q 2 进行观测。 ( 2 ) 比例电桥 比例电桥选用s q 2 数字电桥。比例电桥就是既能测电阻又能测电阻比的专 用电桥。比例电桥的电阻比最小读数为o 0 1 ，习惯上称一格。电阻最小读数为 0 0 1 欧姆，测量范围是0 0 1 1 1 1 1 0 欧姆，电源压力为3 伏特。 ( 3 ) 锚杆测力计 选用北京基康公司生产的b g k - 4 9 0 0 型钢弦式锚杆测力计。b g k 4 9 0 0 系列 弦式锚杆测力计用于锚索、岩石锚杆、锚栓或拱形支架的荷载以及其他重型荷载 的测量。在一般情况下，4 9 0 0 系列锚索测力计用于测量加载液压千斤顶上的变 力，荷载及锚索的长期应力变化监测。其技术指标如下：承载力：2 5 5 0 0 t 、超 载范围：1 2 5 e s 、灵敏度：o 0 2 5 e s 、精度( 线性) ：o 5 f s 、工作温度：一4 0 _ 6 5 、防水耐压：1 5 k p a 。钢弦式仪器敏感元件是一根金属丝，它与传感器 受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所筹到的外力张拉关系式测得相 应的物理量。该测力计为高强度的合金钢圆筒，内置四个高精度基康弦式传感器， 传感器由不锈钢保护管保护，传感器可测量工作在测力计上的总荷载。测力计采 用全防水密封结构设计，可以在露天和野外作业。 ( 4 ) 弦式读数仪 弦式读数仪与测力计配套，采用b g k - 4 0 8 振弦读数仪，由基康公司生产。 其b g k - 4 0 8 振弦读数仪主要特点有采用全密封便携式结构，薄膜防水面板和带 背光的大屏幕汉显液晶面板能胜任全天候工作环境；采用菜单式人机交互操作， 用户可以根据提示热任意设置读数仪的初始参数和工作状态。主要技术参数为： 激励范围：4 0 0 1 - - i z 6 0 0 0 h z ，5 v 矩形波、测量分辨率：o 2 5 u s 2 2 5 、测量精度： 0 0 5 、时基精度：0 0 1 。 ( 5 ) 数据采集箱 设置两个1 6 通道的数据采集箱，测量采集实验数据。 第三章锚杆基本试验及成果分析 ( 6 ) 干斤项 采用柳州欧维姆机械公司生产的y c w 2 5 0 b 千斤项，该千斤顶为贯通式结 构，具有自动锁紧装置，最大拉拔力可达2 5 0 0 k n 。 ( 7 ) 油泵 油泵采用手动式高压油泵，最大压力可达2 5 m p a 。 3 2 4 3 主要仪器设备的布置与安装 ( 1 ) 应变计的布置与安装：为监测锚杆张拉过程中锚固段受力变化情况， 在实验中每孔锚固段两个端部及o 1 5 l 、o 3 l 、o 5 l 、o 7 5 l 处设置了共6 支应变 计，应变计布置见附图。应变计在试验安装之前对其进行力学性能检测，选择性 能稳定、可靠的仪器进行电缆硫化连接。应变计电缆按设计长度连接后，现场用 尼龙扎带绑扎在锚杆指定位置上。应变计绑扎要松弛，避免造成约束。应变计和 电缆随锚杆缓慢下入钻孔，严禁抖动束体，以防仪器受到撞击造成损坏。 ( 2 ) 锚杆测力计现场安装：锚索测力计在安装过程中应轻拿轻放，避免碰 撞或跌落。锚索测力计在安装前，除应符合相关的规定外，保证锚索测力计安装 基面与钻孔方向的垂直十分必要。应检查锚垫板与锚束张拉孔的中心轴线是否相 互垂直，允许的偏差范围是9 0 + 1 5 。任何超过该偏差范围的安装将会导致锚索 测力计在锚束张拉过程中在垫板上产生滑移、测值偏小或测值失真。在可能的情 况下，锚索测力计应该尽量对中，以避免过大的偏心荷载。锚索测力计承载筒上 下面可以设置承载垫板以保证凭证平整结合以便荷载均匀传递。承压垫板应经平 整加工，不得有焊疤、焊渣及其他异物。 配套的锚板测力计应置于锚板和垫板之间，并尽可能保持三者同轴，典型安 装方式见附图。在锚垫板与安装孔有较大垂直偏差时，可在锚索计与锚垫板之间 增加楔形垫板，其楔形角度与垂直偏差角度相同，中间的孔径与锚垫板相同，同 时在垫板上开槽可避免楔形垫板在张拉的过程中产生滑移，注意楔形垫板的最薄 端的厚度至少为2 0 m m ，以保持足够的强度。 b g k - 4 9 0 0 系列锚索测力计采用密封装置，具有良好的防潮防水效果，所有 接线不分正负极，对于连接电缆连接长度过长的情况，应在一端将电缆屏蔽线接 地。锚索测力计安装就位后，应在加载前读取并记录初始读数。 承压面采用c 3 0 强度混凝土浇筑，台面与锚杆轴线垂直，张拉前承压台面安装 2 5 m m 厚钢垫板，以防止混凝土表面受压造成破坏。钢垫板上部安装锚杆测力计 和工作锚具，为保证二者同轴，两者之间安装定位套环。工作锚具上部为千斤顶， 千斤顶油缸固定百分表，用以观测锚杆位移。测力计安装之前进行室内力学性能 检测。张拉设备安装见附图试验布置图。 第三章锚杆基本试验及成果分析 3 2 5 张拉荷载分级及观测 3 2 5 1 张拉荷载分级 在加载时宜对钢绞线采取整束、分级张拉，以使锚索测力计受力均匀，不推 荐单根张拉的加载方式，因为单根张拉后的实际荷载往往比预期的要小，同时会 产生一定的偏心荷载。本次试验采用全钢束同时张拉，张拉之前对锚杆进行预张 拉，以使锚杆各部位接触紧密，并使钢束完全平直，本次试验取设计拉力o 1 倍 第三章锚杆基本试验及成果分析 进行预张拉。加载采用逐级加载，每次加载按照以下规定进行，使用手柄式液压 油泵进行加压，且加压过程保持匀速，每分钟加荷不大于1 0 k n 。张拉荷载分级 观测结果如表3 3 所列。 表3 3 张拉荷载分级 荷载观测第一组( 3 6 m ) a 、1 3第二组( 3 0 m ) c 、d 分级时间 荷载值压力表荷载值压力表 ( n t )( m i n ) ( k n )( m p a )( k n )( m p a ) 0 2 5 2 07 9 51 7 7 1 5 1 ，6 0 5 2 0 1 5 9 0 3 5 1 4 3 53 1 0 7 52 0 2 3 8 55 2 2 1 5 24 7 1 o 2 0 3 1 8 0 6 92 8 7 0 6 2 1 2 2 0 3 8 1 68 33 4 4 47 5 1 3 53 04 2 9 39 33 8 7 4 8 4 1 53 04 7 7 01 0 44 3 0 59 4 1 7 53 05 5 6 51 2 15 0 2 210 ，9 2 03 06 3 6 01 3 85 7 4 01 2 5 2 23 06 9 9 615 26 3 1 313 8 在每级加荷等级观测时间内，锚固力测量3 次，锚头位移量不大于0 1 m m 时， 施加下一级荷载。在每一级加荷等级观测期内，待锚头位移稳定后，记录测力计、 应变计的读书和锚头的位移量。观测过程中如后一级荷载产生的锚头位移量达到 或者超过前一级荷载产生位移增量的2 倍或者锚头位移不收敛则认为锚秆破坏。 考虑到本次试验利用海河堤岸工程地连墙作为张拉承台，最大张拉荷载加到试验 方案中要求的极限荷载，即2 2 倍设计轴向拉力，未旌加破坏荷载。 3 2 ，5 | 2 观测 锚杆实验观测共包括两部分：一是试验张拉过程观测，包括张拉荷载与锚杆 伸长量以及锚固段应变观测；二是张拉结束后锚固预应力损失观测。所有仪器设 备安装就绪后，在张拉试验之前，首先对应变计、锚杆测力计进行观测作为计算 基准值，然后按照张拉荷载分级规定进行张拉和观测。张拉荷载按油泵压力表进 行施加，记录锚杆测力计读数进行校核。锚杆测力计是通过b g k - 4 0 8 弦式读数仪 对传感器模数值f 和温度值t 进行测读；锚杆伸长量观测是通过固定在千斤顶上 的百分表进行测读；锚固段应变观测主要是通过s q 一2 数字电桥对应变计按五芯 接法测读电阻比z 和电阻值。 第三章锚杆基本试验及成果分析 3 3 试验时间安排及进行的主要工作 试验自2 0 0 4 年8 月5 日开始至2 0 0 4 年1 0 月1 5 日结束，试验周期共计7 1 天。其中分为以下四个阶段： ( 1 ) 8 月5 日8 月1 0 日试验仪器装配及锚杆施工： ( 2 ) 8 月1 1 日9 月2 5 日待凝固及数据观测； ( 3 ) 9 月2 6 日9 月2 8 日张拉锁定及数据检测； ( 4 ) 9 月2 8 日1 0 月1 5 日锚固力变化情况观测。 3 4 主要计算公式及其试验数据 3 4 1 主要计算公式 3 4 1 1 锚固荷载计算 p = g ( f 1 一f o ) + k ( t 1 - t o ) 式中：p 一荷载k n g 一锚杆测力计率定系数k n d i g i t f o 一初始读数d i g i t f l 一当前读数d i g i t k 一温度率定系数k n t o 一初始温度 t 1 一当前温度 3 4 1 2 锚固段应变计算： m = f ( z r z o ) + b a ( r - r - r o ) 式中：。一混凝土总应变量1 0 “ f 一应变计最小读数1 0 - 6 0 0 l z r 一当前电阻比o 0 1 z o 一初始电阻比o 0 1 b 一温度修正系数1 0 - 6 。c a4 一温度系数q 3 4 1 3 地层锚固力计算 第三章锚杆基本试验及成果分析