預(yù)應(yīng)力錨索在百米級(jí)深覆蓋松散體邊坡加固中的應(yīng)用

謝軍兵，何富剛

(二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610051)

1 前言

采用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡在水電工程建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)較為成熟。但采用預(yù)應(yīng)力錨索加固深厚松散層的邊坡，尚存在很多需進(jìn)一步研究之處。

某水電工程人工骨料加工系統(tǒng)場(chǎng)地位于大壩右岸一片三面環(huán)山的圍椅狀區(qū)域，施工區(qū)場(chǎng)地坡度約10～25°，地勢(shì)寬闊，場(chǎng)地上有常年流水，受降水的影響雨季和旱季水量變化較大。經(jīng)地質(zhì)勘探，場(chǎng)地大部分覆蓋層主要是沖洪坡積堆積塊碎石土、含碎石粉質(zhì)粘土和湖積堆積的含碎卵石土，厚度普遍超過100 m，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)上段和中段的玄武巖。經(jīng)穩(wěn)定分析計(jì)算，為確保該施工場(chǎng)地在施工期及運(yùn)行期的穩(wěn)定，需采取加固處理措施。

針對(duì)該場(chǎng)地的特征，采取了在場(chǎng)地正面各級(jí)邊坡設(shè)置錨索框格梁及坡腳抗滑樁的加固處理方案。所設(shè)置錨索為1 000 KN和750 KN自由式壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索。

2 深厚覆蓋層邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計(jì)

采用錨索加固深厚覆蓋層邊坡與加固巖質(zhì)邊坡存在一些差異。松散覆蓋層自身強(qiáng)度低，往往還存在地下水位線較低的特點(diǎn)，在做加固處理時(shí)，如僅采用抗滑樁，則存在抗滑樁較深，工程量大、工期長(zhǎng)的問題。如輔以布置合理的預(yù)應(yīng)力錨索，則可大大減少工程量，節(jié)約工期，減小施工安全風(fēng)險(xiǎn)。但鑒于深厚覆蓋層自身物理特性，在采用預(yù)應(yīng)力錨索加固處理時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn):

2.1 確保錨索錨固力

堆積塊和砂礫沉積松散體覆蓋層往往是固液氣三相的結(jié)合體，當(dāng)覆蓋層厚度較大時(shí)，往往存在錨索的錨固段全部或部分位于松散體中。預(yù)應(yīng)力錨索是靠錨索張拉荷載轉(zhuǎn)化成對(duì)注漿體的壓力，引起注漿體與巖體孔壁間的剪應(yīng)力，從而達(dá)到錨固效果。因此，影響錨固段錨固效果的主要有三個(gè)因素，錨索體與水泥砂漿間的粘著力，砂漿體與土體(巖體)間的粘著力，錨固段土體(巖體)的抗剪力。在處理深厚覆蓋層邊坡時(shí)，起控制作用的主要是砂漿體與周圍松散體孔壁間的粘著力。為加強(qiáng)錨固力，可采取加長(zhǎng)錨固段長(zhǎng)度，增大砂漿體直徑等方法。

鑒于壓力分散型錨索注漿體軸向壓應(yīng)變沿錨固體軸向分布不均，靠近承壓板處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在有效長(zhǎng)度內(nèi)衰減至零。已有研究得出錨固段的有效長(zhǎng)度一般不大于10 m，進(jìn)一步增加錨固段長(zhǎng)度是無效的。

2.2 預(yù)防錨索預(yù)應(yīng)力衰減

預(yù)應(yīng)力錨索錨固力的穩(wěn)定，關(guān)系到被加固工程的長(zhǎng)期安全性。預(yù)應(yīng)力錨索錨固力的鎖定值受松散體的蠕變、鋼鉸線松弛、降雨、溫度及施工質(zhì)量等因素的影響會(huì)產(chǎn)生一定的變化。錨固力損失超過一定值時(shí)，將導(dǎo)致其錨固功能的減弱或失效，給工程帶來極大的危害。

錨索張拉過程中，張拉荷載通過外錨墩和錨固段傳遞到松散體中，使錨索張拉影響范圍內(nèi)的松散體處于受壓狀態(tài)。對(duì)于松散層的加固，壓縮徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力衰減則應(yīng)引起關(guān)注。為減少錨索預(yù)應(yīng)力的損失，可采取加大外錨墩尺寸、設(shè)施框格梁及采用小噸位錨索等方式解決。這樣可以減少對(duì)松散體的壓縮，避免單根錨索噸位過大，應(yīng)力較為集中，反而對(duì)邊坡全面穩(wěn)定不利的問題。

經(jīng)分析計(jì)算，為避免錨索噸位過大對(duì)堆積體產(chǎn)生較大壓縮，本工程主要采用1 000 KN和750 KN的錨索來進(jìn)行加固，并在錨墩間設(shè)置鋼筋混凝土框格梁，待框格梁混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再行張拉錨索。實(shí)際施工證明，張拉效果較好，如再行加大錨索噸位，由于覆層堆積層受壓縮變形，錨索將很難張拉到設(shè)計(jì)噸位。

2.3 發(fā)揮錨索群錨效應(yīng)

在松散體覆蓋層邊坡加固中，為充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力錨索的作用，對(duì)錨索的群錨效應(yīng)也應(yīng)作仔細(xì)的研究。當(dāng)錨索間距過小時(shí)，臨近的錨索可能會(huì)相互影響，降低錨固效果，這都會(huì)造成群錨的負(fù)效應(yīng)。反之，如錨索間距過大，錨索間將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的跌落區(qū)，不能體現(xiàn)群錨整體加固的優(yōu)越性。

根據(jù)計(jì)算表明，加固松散體覆蓋層邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索的間距，以3 m到5 m為宜。本工程錨索間距設(shè)置為4 m，并設(shè)置框格梁將各個(gè)錨墩相連。實(shí)際施工證明框格梁的設(shè)置對(duì)發(fā)揮錨索群的整體效應(yīng)和確保錨索張拉到設(shè)計(jì)噸位，都發(fā)揮了積極的作用。

3 錨索鉆孔施工工藝

常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索主要運(yùn)用在巖質(zhì)邊坡、地下洞室圍巖加固、壩工基礎(chǔ)處理加固和混凝土結(jié)構(gòu)中。本工程為深厚松散體覆蓋層邊坡加固，錨索鉆孔要穿越超過100 m的覆蓋堆積層邊坡，在國(guó)內(nèi)錨索施工中尚屬首次。在厚度較小覆蓋堆積層中鉆孔主要采用常規(guī)的“直錘鉆孔結(jié)合固壁灌漿”和“單級(jí)套管跟進(jìn)鉆孔”方法。經(jīng)試用，上述方法在前期施工中應(yīng)用很不理想，單孔鉆孔周期長(zhǎng)、成孔率低、易塌孔且鉆具消耗較大。

如何快速高效的在超過100 m深度的覆蓋堆積層內(nèi)造孔，成為制約整個(gè)工程施工成敗的關(guān)鍵因素。經(jīng)過對(duì)前期鉆孔施工的研究和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):“直錘鉆孔結(jié)合固壁灌漿”方法鉆孔過程中反復(fù)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，固壁灌漿施工周期較長(zhǎng)且灌漿效果不理想;“單級(jí)套管跟進(jìn)鉆孔”方法在跟管至55 m孔深左右時(shí)，出現(xiàn)管靴與套管連接處斷裂或第一節(jié)套管與第二節(jié)套管連接處斷裂的問題，20 m孔深以上的斷裂管靴和管套無法拔出。

經(jīng)進(jìn)一步研究，提出了“二級(jí)套管跟進(jìn)”和“單級(jí)套管反復(fù)多次跟進(jìn)”的鉆孔施工工藝。“二級(jí)套管跟進(jìn)”采用較大直徑管靴、套管和鉆頭鉆進(jìn)至50 m左右時(shí)取出全部鉆具，換裝直徑較小管靴、套管和鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，將錨索從較小直徑套管中下入孔底，依次將較小直徑和較大直徑套管拔出，再進(jìn)行后續(xù)施工。“單級(jí)套管反復(fù)多次跟進(jìn)”采用跟管方式鉆進(jìn)至50 m左右時(shí)(管靴和第一節(jié)套管覆蓋堆積層內(nèi)跟進(jìn)極限深度)取出全部鉆具并拔出管靴和套管，更換管靴和第一節(jié)套管后，從原孔重新鉆進(jìn)，鉆至75 m左右時(shí)再次更換管靴和第一節(jié)套管，直至鉆至設(shè)計(jì)深度。

“二級(jí)套管跟進(jìn)”和“單級(jí)套管反復(fù)多次跟進(jìn)”鉆孔工藝簡(jiǎn)單，解決了超過100 m厚覆蓋堆積層邊坡錨索造孔周期長(zhǎng)、廢孔率高、設(shè)備損耗大等問題。該施工工藝在此類地質(zhì)條件下運(yùn)用效果良好，極大的提高了錨索施工效率，保證了工程進(jìn)度和質(zhì)量，為本工程的按期完工創(chuàng)造了條件。

4 場(chǎng)地加固效果

為監(jiān)測(cè)該施工場(chǎng)地在采取加固措施后的穩(wěn)定情況，在場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)有測(cè)斜孔、外觀變形觀測(cè)點(diǎn)和錨索測(cè)力計(jì)。

根據(jù)加固處理完成后近一年的監(jiān)測(cè)成果顯示，加固處理效果良好。該施工場(chǎng)地除部分區(qū)域因受上部加載影響發(fā)生局部沉降變形外，場(chǎng)地整體未發(fā)生較大變形，外觀變形監(jiān)測(cè)成果見圖1、圖2。錨索預(yù)應(yīng)力衰減得到有效控制，衰減量絕大部分未超過設(shè)計(jì)噸位的8%，且區(qū)域穩(wěn)定，錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)成果見圖3。

5 結(jié) 論

在該百米級(jí)深覆蓋堆積層施工場(chǎng)地邊坡的加固處理中，采用了預(yù)應(yīng)力錨索和坡腳抗滑樁相結(jié)合的方案。本文總結(jié)分析了在預(yù)應(yīng)力錨索加固方案設(shè)計(jì)中如何確保預(yù)應(yīng)力錨索錨固力、減少預(yù)應(yīng)力損失及充分發(fā)揮群錨效應(yīng)等問題，并對(duì)錨索造孔施工中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行了總結(jié)，提出了“二級(jí)套管跟進(jìn)”和“單級(jí)套管反復(fù)多次跟進(jìn)”的鉆孔施工工藝。

圖1 外觀測(cè)點(diǎn)X方向監(jiān)測(cè)成果過程線

圖2 外觀測(cè)點(diǎn)H方向監(jiān)測(cè)成果過程線

圖3 外觀測(cè)點(diǎn)X方向監(jiān)測(cè)成果過程線

通過預(yù)應(yīng)力錨索在本工程場(chǎng)地加固中的成功應(yīng)用，表明了采用預(yù)應(yīng)力錨索加固深覆蓋層邊坡的方式是可行的，且在節(jié)約工期和投資上效果顯著，為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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