預應力錨桿框格梁設計施工中的問題

(昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500)

近幾年，隨著我國西南山區基礎設施的建設，邊坡支護問題已成為國內外研究的熱點問題。針對該問題，國內外新興了一種輕型支護結構-預應力錨桿框格梁，該結構巧妙利用基層巖體自身強度來加固邊坡土體，克服了重力式擋墻支護高度受限、笨重、穩定性差、造價高等缺點，在高邊坡支護工程中發揮了極大的作用[1]。但對于該類支護結構的設計與施工正處于邊研究、邊應用的階段，沒有統一完整的設計施工方法，在應用過程中出現了不少問題，本文以預應力錨桿框格梁的加固機理為基礎，分析預應力錨桿框格梁在設計和施工中存在的問題。

1 預應力錨桿框格梁加固機理

預應力錨桿框格梁是由框格梁和預應力錨桿復合構成的輕型柔性支護結構，框格梁錨固在邊坡穩定巖土上，當坡面沿著破裂面開始下滑時，錨桿將承受拉應力，并將該力傳遞給框格梁，框格梁受力后，主動箍住邊坡表層巖體，減緩表層巖土的破壞和變形。相比單獨使用預應力錨桿加固，框格梁起到錨墩的作用，分散錨桿的集中應力，除此之外，框格內還可以進行綠化，通過植被防護減緩雨水對坡面的沖刷，起到減緩坡面巖體分化侵蝕的作用。

2 設計施工中關鍵問題分析

2.1 施工中的問題

1）安全系數的確定 邊坡設計人員往往將邊坡穩定安全系數誤認為圓弧滑動面上的抗滑力與滑移力的比值，將安全系數片面的理解為邊坡穩定的力學平衡條件。但是根據規范要求，如果要準確分析邊坡整體穩定性，則既要找出所有滿足力學平衡條件，又要合理的滿足規范規定的安全系數解集。邊坡穩定性驗算時，圓弧滑動面上抗滑力與滑移力的比值不應小于規范所規定的安全系數，否則應對邊坡支護方式重新設計[2]。

2）錨固力的確定 根據預應力錨桿框格梁加固機理，設計的錨桿為拉力型錨桿，根據規范[3]錨固力一般用下面公式確定

式中：P1為錨固力；L1為錨固段長度；f為單位錨固段長度提供的摩擦力；k為安全系數。

式(1)可以理解為：設計人員在錨固力的計算過程中，一般認為錨桿上的應力是均勻分布的，與錨固段長度成正比。但實際上錨固段的應力分布是非線性的，應力主要集中在錨固段頂端，成拋物線沿端部遞減。因此，在計算錨固力時，若安全系數選取不當，錨固段頂端可能會出現剪應力大于極限錨固力，導致錨固段由頂端向尾端逐步破壞，最終造成錨桿失效。

3）錨桿長度的確定 在錨桿設計過程中，設計員一般會在保持錨桿總長度不變的情況下，有意識的加長錨固段的長度，潛意識的認為錨固段長度越長錨固力越大。因此在部分錨桿支護工程中常常會存在錨桿自由段設計過短的情況，導致部分錨固段處于滑裂面主動區內，如圖1所示。當邊坡開挖時，坡壁在主動土壓力作用下會產生變形，主動區內的錨固段粘結力會逐漸減少甚至轉變為反方向的負粘結力，使得有效錨固長度減小，削弱了錨固效果。

圖1 錨固段偏長

從圖2中可看出，錨桿錨固段上的粘結應力是非線性分布的，從錨固段頂端逐漸向尾端端減少。當張拉荷載較小時，僅上部錨固段發揮作用，下部不發揮作用；隨著荷載的增加，粘結應力峰值逐漸向下端轉移，由此可知，并不是錨固段的全長都得以調用，主要發生在錨固段前段，當錨固段長超過某值(與土性有關)后，長度的增加對錨桿承載力的提高就非常有限了[4]。

圖2 錨固段抗拔力分布示意圖

2.2 設計中的問題

1）邊坡修坡和錨桿定位問題 框格梁整體是否美觀、受力是否均勻與邊坡修坡和錨桿定位有著密切的關系。因為修坡不平整就不能保證梁柱在一個平面；錨桿定位不精確，就不能保證梁柱形成的交點恰好在錨桿的位置。在邊坡支護過程中，必須保證這兩步要同時達到標準，否者將導致框格梁扭曲變形，部分錨桿將并非處于交點上，這樣將導致框格梁在各個節點上受力不均。

2）錨桿注漿 通常錨桿注漿方式通常有兩種：一次常壓注漿和二次高壓注漿。一次常壓注漿是指將注漿管連同桿體一起下入孔底，在常壓（一般0.5MPa左右）下，漿液由孔底注入，邊注漿邊拔出注漿管，待孔口溢出漿液后即停止灌漿。一般認為一次灌漿時所施加的預應力僅僅是錨固段提供的摩擦力P1,但實際情況中還存在自由段的粘結力P2和水泥漿體的支撐力σ。滑動帶活動時,若設計者未考慮錨桿P2和σ的存在，表面上達到設計施工要求的錨索可能會存在安全隱患。一次灌漿法是將錨桿自由段和錨固段一次灌注連接起來形成連續的剛性水泥體，如圖3所示，錨桿上的預應力是3個分力的總和P＝P1+P2+σ。

圖3 錨索抗拔力分布示意圖

二次高壓注漿是指在下錨的同時下兩條注漿管，一條預埋花管（預留小孔，并用膠帶封閉），另一條在錨固段灌注水泥沙漿（采取孔底灌漿）后拔出。待漿體達到絮凝狀態后，再通過預埋花管進行高壓（＞2.5MPa）劈裂注水泥凈漿，使漿體擠入周圍土體，增加土體對錨固段的法向應力。在進行二次灌漿時，預埋花管的密封問題十分重要，若封閉不嚴，管外漿液可能會進入花管，二次注漿就無法進行；如果密封太牢固，漿液可能無法沖破膠帶。

3 結 論

框架預應力錨桿支護結構設計和施工中存在的一些問題，主要結論如下。

1）錨桿的設計不但要滿足力學平衡條件，還要對邊坡整體穩定進行分析。

2）錨桿錨固段的粘結應力分布是不均勻的，從錨固段頂端逐漸向底端減少。若按錨固段的粘結應力是均勻分布來計算，頂端可能會出現剪應力大于極限粘結力的情況。

3）預應力錨桿的設計不能盲目的加長錨固段長度，因為邊坡滑動區內的錨固段會產生負粘結力，從而影響錨固效果。

4）預應力錨桿框格梁結構的施工過程中，首先應將坡面修平整，然后錨桿定位要準確。

5）若錨桿注漿采用一次注漿法，則在預應力施加時，張拉表上反映所施加的預應力并非僅僅是錨固段所提供的抗拔力；若錨桿注漿采用二次注漿法，應注意預埋花管的密封問題。

[參考文獻]

[1]牛希順，秦國剛.框架式錨桿擋墻施工工法(YJGF06-1998)[J].施工技術，2001，30(5)：37-39.

[2]中華人民共和國建設部.建筑邊坡工程技術規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]冶金工業部.錨桿噴射混凝土支護技術規范[M].北京：國家計委基本建設標準定額局，1985.

[4]譚文烜.深基坑支護中土層錨桿設計與施工的幾個問題探討[J].廣州建筑，2003，(4)：310-311.