预应力锚索结构概述.docx

【摘要】 岩土锚固技术能充分利用岩土体自身的强度和自承能力保持稳定，在减轻结构自重，节约工程材料的同时，确保了施工安全、缩短工期、降低造价。所以锚固技术可在岩土工程中取得的显著经济效益使其在岩土工程的各个领域得到了非常广泛的应用，边坡预应力锚索结构就是一种常见而有效的应用。预应力锚索对边坡的固结作用强、工序简单、施工进度快、施工效率高、质量易控制。本文在介绍边坡预应力锚索结构作用机理、破坏机理、破坏类型、设计优化的基础上，分析了影响预应力锚索结构锚固效果的主要因素，并对预应力锚索在岩土边坡工程治理中的应用进行了探讨。1、边坡破坏机理及破坏类型1.1 岩质边破坏机理坡及破坏类型岩质边坡变形与破坏的首要条件，在于坡体重存在各种形式的结构面，岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩土体的不均和不连续性，使沿结构面周边出现应力集中或应力阻滞现象。因此，它构成了岩质边坡变形与破坏的控制性条件。岩质边坡破坏形式十分复杂，往往是几种简单的破坏形式交织在一起。从不同的角度进行研究，有不同的分类标准和破坏类型。如根据实际经验，可分为圆弧破坏、块状破坏、整体岩石与非连续节理破坏、平面破坏、楔形体破坏和倾倒式破坏；根据边坡破坏规模，可以分为单台阶局部边坡破坏、几个台阶大规模楔形体破坏、多台阶风化破碎岩体的破坏；根据块体的几何形状，可分为弯曲倾倒、块状倾倒和块状弯曲倾倒；根据优势面组合破坏形式，可分为岩体松动破坏、倾倒变性破坏、崩塌、楔形体破坏、平面滑动和圆弧形滑动；根据地质基础、变性破坏方式，可分为楔形体滑移破坏、圆弧形破坏、顺层面滑动破坏、溃曲破坏。1.2 土质边坡破坏机理及破坏类型边坡的失稳破坏主要由于边坡内所受的应力超过岩土体或结构面强度，从而导致边坡结构破坏。边坡的成坡过程，首先会引起开挖处岩土体的卸荷回弹和集中应力，另一方面开挖相当降低坡体阻滑段，并可能使坡体的薄弱面（如结构面、蠕动面）出露，降低边坡的稳定性。所以边坡变形表现为卸荷回弹和蠕变两种方式。土质边坡的失稳破坏形式也是十分复杂，有大量的过渡类型和混合类型，所以分类要依据避重就轻，先大后小，抓住主要的破坏模式的原则，做到先宏观判断，局部分析，才能较合理判断土质边坡的失稳破坏模式。土质边坡根据破坏规模大小分为整理失稳和破坏面破坏两大类。其中整体失稳根据形成形式划分为崩塌、滑坡、坍塌；坡面破坏包括坡面侵蚀、剥落。1.3 土质边坡与岩质边坡破坏机理的区别土质边坡和岩质边坡的破坏机理有所不同，土质边坡更加强调材料的强度参数对边坡稳定性的影响，而岩质边坡结构面因素是导致大多数边坡失稳破坏的原因。土质边坡的破坏主要受边坡土体强度及边坡形态因素控制，对于特殊土类边坡，边坡内存在风化及结构裂隙，也严重影响土质边坡的稳定性。2、预应力锚索加固边坡的力学机理与其他非预应力加固机理不同，预应力锚索加固边坡的机理是主动加固措施。锚固体与边坡岩土体间相互作用时，预应力锚索加固结构能主动提高边坡岩土体的强度，利用边坡的自稳能力达到加固的目的，从而有效控制边坡薄弱层的滑移。同时锚固材料置换或挤密岩土体时能提高边坡强度，其周围高压注浆液渗入裂隙形成的网状胶结结构也能提高岩土体强度，巨大的预应力在一定程度上改善边坡岩土体物理力学性质，边坡的自稳能力得到发挥。锚索经张拉锁定后对边坡岩土体施加巨大的锚固预应力提高了岩土体的物理力学性能，此阶段是边坡岩土体受力耦合阶段。当预应力受地表水、地下水等因素影响而受到损失时，边坡岩土体具有向坡外方向位移的趋势或已产生微小位移，锚索受力就进入解耦阶段。3、预应力锚索锚固力变化特征预应力锚索加固工程中，预应力锚索锁定后锚固力变化主要有三个阶段：第一阶段：锚索锁定初期，锚固力下降速度较快，此阶段的锚固力损失，主要由于锚固影响范围内表层岩土体压缩和锚索外锚段灌浆（锚索受水泥水化热的影响，锚索应力重新调整）而引起。第二阶段：锚索锁定后一段时间，锚固力波动调整，其原因主要为岩土体及锚索内部应力调整，产生压缩、回弹的反复过程导致。第三阶段：锚索锁定后期，主要是岩土体自身变形及受温度影响产生变形。4、预应力锚索的设计与优化（1）采用刚体极限平衡法对边坡进行稳定分析。图l为采用预应力锚索加固边坡的计算简图。设条块所受垂直荷载为Wi，水平荷载为Qi，剪切面上孔隙水压力的合力为Ui，第j排锚索的设计锚固力为Tj。根据整个滑体上抗滑力和滑动力对矩心O点的力矩，可得到边坡抗滑稳定安全系数为K=Rcili+Nitani+RTjsinjtanjRWisini+RQiZi-RTjcosj=Rcili+(Wicosi-Qisini-Ui)tani+RTjsinjtanjRWisini+RQiZi-RTjcosj 。式中：K为边坡的抗滑稳定安全系数；i为底滑面与水平面的夹角；i为锚索与底滑面的夹角；ci，i为底滑面的凝聚力和内摩擦角；其余符号的意义见图1锚索的锚固力T可分解为平行于滑面向上的切向分力Tcos和垂直于滑面的法向分力Tsintan。从式(1)可以看出：预应力锚索既增加了边坡的抗滑力(矩)，又减小了边坡的下滑力(矩)。锚索由外锚段、张拉段(自由段)和内锚段3部分组成。对于一定吨位的锚索，外锚段长度和内锚段长度基本上为定值，锚索的总长度主要由张拉段的长度决定。从经济的角度考虑，锚索的总长度越短，工程造价越低。对于岩质边坡，岩体通常被各类软弱结构面切割，这些结构面可能构成滑坡的底滑面。当采用锚索加固措施时，锚索只有穿过底滑面，该锚索才对抑制沿该滑面的滑动有贡献。假定滑面固定，且为单一倾角，下面讨论2种极端情况：将锚索垂直于滑面布置，即=90，则锚固力的切向分力Tcos=0，锚索的作用完全依赖于锚固力的法向分力Tsintan作用在岩体上的摩擦力形成的抗滑力，此时锚索的总长度最短，但由于切向抗滑力为0，因此抗滑效果不是最优；将锚索平行于滑面布置，即=0，则锚固力的法向分力Tsintan=0，锚索的作用完全依赖于锚固力的切向分力Tcos形成的抗滑力，此时锚索的总长度不是最优。且实施上也不可行。那么，介于上述2种极端情况之间，应存在一最优状态。设锚索的水平倾角为，工程上通常把称为锚固角，在获得相同抗滑效果的前提下，使锚索长度最短的锚固角即为最优锚固角。如图2所示，假设锚索产生的抗滑力与张拉段长度之比为n，即n=Tcos+TsintanL ，（2）而L=hsin ，所以，有n=Th12sin2+sin2tan 。（3）式中：L为锚索张拉段的长度；h为锚索孔口位置至滑面的垂直距离。令n=0，得到=45+2 。（4）又因2n2，所以，当=45+2 时，n取最大值。此时=45+2- 。（5）式中为最优锚固角。锚索优化的实现图3为寻求最优锚固角、调整锚索长度以实现锚索优化设计的流程图。基本流程如下：(1)根据边坡的岩性、地质构造、可能的破坏模式及底滑面位置，初步确定锚索布置区域、锚索吨位、锚索长度及锚固角等。(2)固定锚索长度，调整锚固角的大小，比较各锚固角下的安全系数，并结合工程实际及施工要求，得到最优锚固角。(3)在最优锚固角下，调整锚索的长度，使得锚索布置在满足安全性要求的前提下，锚索总长度最短。5、预应力锚索锚固力影响因素5.1 地质条件的影响岩体蠕变是引起预应力损失的主要原因之一，不同的岩体类型造成的预应力损失不同，如坚硬完整的岩体，结构面分布少，由结构面引起的蠕变小，岩体本身的蠕变也小。膨胀性地层的边坡锚索工程，若边坡表面未做封闭或封闭不佳，常常会因膨胀性地层长期的湿胀干缩作用，使边坡表层岩土体碎裂剥落，外锚结构物基础被逐渐掏空，锚头松动，造成锚固失效。溶洞、断层、节理裂隙等地质构造也会造成预应力锚索锚固效果降低甚至失效。另外，在勘察资料准确的情况下，设置于断层破碎带和节理裂隙部位的锚索，若断层活动，预应力锚索将会受到破坏甚至失效。5.2 预应力损失的影响工程施工过程和施工质量的好坏也影响着边坡预应力锚索结构是否失效破坏。若不按设计要求进行超张拉和补偿张拉，或注浆不密实，以及其他非正常情况造成的预应力损失过大，则会造成锚固边坡变形增大。另外，锚孔偏斜率能引起锚索预应力损失，如孔斜率为2%时，3000kN 级锚索预应力沿程损失可达9.7%。预应力减小与锚索吨位也有一定关系，如一般3000kN 级锚索，损失值为33.748.8kN；1000kN 级锚索，损失值为15.627.6kN。岩体的裂隙率同样影响着预应力，岩体裂隙不发育对锚固预应力的影响较小，而岩体裂隙发育会让灌浆充填了岩体裂隙，使岩体结构产生相对膨胀变形，从而预应力增加。为减少锚索锁定后锚索预应力下降过大，工程实践中可采取二次张拉的办法来增加有效锚固力，较之于没有二次张拉的锚索预应力，采用二次张拉后锚索的预应力提升大。因此在软岩边坡中采用预应力锚索加固时可以采取二次张拉提高锚索预应力。5.3 长期震动与特殊变形的影响长期震动影响着预应力锚索的锚固能力。超越设防烈度的地震带来的超载破坏会破坏预应力锚索结构，导致预应力锚索结构失效。其他长期的震动如车辆运行的长期震动、边坡附近其他大型震动设备均有不同程度的影响。车辆运行的长期震动对设置于下边坡上部的预应力锚索也会造成预应力锚索的渐进破坏甚至失效，因而边坡上部的锚索规定有最小的上覆岩土层厚度。边坡附近其他大型震动设备则会降低锚索锚固能力。5.4 锚固时机边坡开挖后和加锚时的时间间隔就是锚固的时机，选择合适的施锚时机对锚固效果起了很大作用。加锚应随着边坡工程自上而下的分步开挖过程边挖边锚，边挖边锚过程中改变了岩体原有的应力状态，产生临空面也让岩体产生卸荷松动，不稳定岩体就有可能产生滑动，此时所需的锚固力必须克服岩体滑动时的滑动能，锚固力便增加，因此，把握好锚固时机的重要性就显而易见。5.5 降雨的影响降雨使得岩体中的裂隙在渗水填充后产生湿胀，钢索拉伸，锚固预应力增加。但降雨过程存在滞后性，因此对预应力的影响也存在滞后现象，增加的锚固力是暂时的，其原因是裂隙水会慢慢消散，增加的锚固力也就随之慢慢消失。5.6 温度对锚索锚固力的影响自然环境温度的变化使岩体温度发生变化，进而影响锚固预应力的变化。总体上，大多数锚固力与温度之间有着良好的相关性，变化趋势较一致。夏季温度升高使预应力增加，冬季降温则使预应力减小。6、预应力锚索施工技术6.1施工流程锚孔测放锚孔钻凿锚孔清理锚孔检验编锚下锚注浆浇筑框架混凝土锚索张拉与锁定封锚。6.2锚孔测放边坡施工应遵循边挖边加固原则，即开挖一级，防护一级，不得一次开挖到底根据施工设计图要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位在坡面上纵横误差不得超过50mm。6.3锚孔钻凿根据锚固地层的类别，锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等来选择钻孔设备。岩层中采用潜孔冲击成孔；在岩层破碎或松软饱水等易于塌缩孔和卡钻埋钻的地层中采用跟管钻进技术。锚孔钻进施工时，先搭设满足相应承载能力和稳固条件的脚手架，再根据坡面测放孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过50mm，高程误差不得超过100mm，钻孔倾角和方向符合设计要求，倾角允许误差位1.0，方位允许误差2.0。钻孔要求干钻，禁止采用水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡岩体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其它意外事故。钻进过程中对每个孔的地层变化，钻进状态（钻压，钻速）地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行固壁灌浆处理（灌浆压力 0.10.2MPa），待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。为确保锚孔直径，要求实际使用钻头直径不得小于设计孔径。为确保锚孔深度，要求实际钻孔深度大于设计深度 0.2m 以上。6.4锚孔清理及检验钻进达到设计深度之后，不能立即停钻，应稳钻1min2min防止孔底达不到设计孔径。钻孔壁不得有沉渣及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压空气将孔内岩粉及水体令部清除出孔外。锚孔钻凿结束后，须经现场监理检验合格后，方可进行下道工序施。6.5锚索体制作与安装预应力锚索体由锚梁，自由段，锚固段和安全段 4部分组成.如采用压力分散型锚索，由三个单元锚索组成，每个单元锚索分别由两根无粘结钢绞线内锚于钢质承载体组成钢绞线通过特制的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上。钢质承载体要求采用 45 号钢材加工制作，其厚度不小于2cm。钢绞线采用钢绞线标准强度为，高强度低松弛无粘结预应力钢绞线。安装前，要确保每根钢绞线顺直。不扭不叉，排列均匀，除锈、除油污，对有死弯、机械损伤及锈坑处剔出。钢绞线沿锚索体轴线方向每1.0m1.5m设置一架线环，保证锚索体保护层厚度不小于20mm。安装锚索体前再次认真核对锚孔编号，确认无误后再用高压风吹孔，人工缓缓将锚索体放入孔内，用钢尺量出孔外露出的钢绞线长度，计算孔内锚索长度（误差控制在50mm范围内），确保锚固长度。6.6锚孔注浆注浆是决定锚索质量的关键工序，注浆质量的好坏将直接影响铺索的承载能力。施工中的砂浆拌制原材料必须送样检测合格后方可使用，砂料应过筛，清除杂质及泥块。同时应取样送有资质检测单位强度配合比，施工配合比必须严格按设计配合比执行。砂浆搅拌机宜采用机械拌和，注浆液应搅拌均匀、随搅随用，并应在初凝前用完，拌和时间不小于3min。注入孔内砂浆应按要求进行过滤；每搅拌作业班必须留取砂浆试块12组。实际注浆量一般要大于理论的注浆量，或以锚具排气孔不再排气且孔口浆液溢出浓浆作为注浆结束的标准。预应力锚索注浆分两期进行，第一期进行锚固段注浆，达到设计强度后张拉至设计锚固力，然后进行第二期注浆，将孔中自由段锚索与孔壁问空隙填满。注浆方法采用泵注入法，注浆泵采用小泵量的挤压泵，注浆压力控制为0.50.6MPa。注浆方式采用孔底反压注浆，浆液溢出孔口时还须封口稳压 5min，以保证砂浆压注密实。锚孔内浆液凝固后不能充满全孔时，必须进行补浆，以保证锚索钢绞线束全部包裹在水泥砂浆中，有利于锚索的防锈。注浆过程时，中途不得中断，保证注浆工作在初始注入的浆液仍具有塑性的时间内完成，注浆过程中，边灌边提注浆管，保证注浆管管头插入浆液液面下5080cm，严禁将注浆管拔出浆液面，以免出现断杆事故。实际注浆量不得少于理论计算注浆量，要确保每孔注浆量达到或超过理论注浆量，其充盈系数控制在1.11.3之间。对已施工完毕锚索体外露部分在张拉前应加强保护。6.7锚索张拉锁定当注浆体强度和传力系统(框格梁、墩座)混凝土强度均达到设计强度80%-以上时，并经验收试验合格后，方可进行张拉作业。锚斜托台座的承压面应平整，并与锚筋的轴向方向垂直。锚具安装应与锚垫板和千斤顶密贴对中，千斤顶轴线与锚孔及锚筋体同轴一线，确保承载均匀。锚筋的张拉必须采用专用设备，设备在张拉作业前应进行标定，锚具、灾片等枪验合格后方可使用。锚索正式张拉前，取1015%的设计张拉荷载，其预张拉12次，使其各部位接触紧密，钢铰线完全平直。对于压力分散型锚索，因各单元锚索长度不同，张拉应严格接设计次序分单元采用分布补偿张拉法。锚索分四级张托。即张拉力分别为设计荷载的25%、50%、75%、100%。在张托最后一级荷载时应持衙1015min，观察位移是否稳定，若无异常，即锁定锚索在锁定后48小时内，若发现明显的预应力损失现象，则应及时进行补偿张拉。6.8封锚补偿张拉后，从锚具量起，留出长510cm钢绞线，其余部分截去，须用机械切割，严禁电弧烧割。最后用水泥净浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，然后对锚头采用不低于 20MPa的混凝土进行封锚，防止锈蚀和兼顾美观。6.9安全及环保措施施工前进行安全技术交底，施工中明确分工，统一指挥。各种机械机具机况良好，勤维修、勤保养。作好安全检查工作，遵守有关安全操作规程。机械、电器设备专人操作。高空作业应设安全防护设施。风动钻机管路连接应牢靠，避免脱开出伤人注浆管路应畅通，不得堵塞，避免浆液喷甩出伤人。张拉机具各部件尤其是高压油管连接点应牢靠，以避免突然断裂喷出伤人，张拉过程中千斤顶前不得站人，以防钢铰线断裂夹片飞出伤人。此外，夜间施工应有足够的照明。钻孔孔口须设置粉尘收集器，使岩粉不致随风飘散，污染大气。严格按照国家环境保护有关规定施工。7、增加锚索安全性的方法7.1降低锚索预应力损失的方法无论锚索处于什么地层中，预应力损失都是客观存在的，且是不可避免的，降低预应力损失应从以下几方面着手。（1）应选择低松弛的材料，尽量避免在较差地层中设置锚固段，地面抑制件的接触面积不宜太小，其底面压力不应超过坡面岩土体的容许承载能力，不要因压力太高而产生较大的塑性区域