多次分段控制注漿斜向預應力鋼錨管錨索組合結構加固技術現場試驗

袁 坤， 張玉芳， 雷 鳴， 曹留偉

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.廣東省大潮高速公路有限公司， 梅州 514245；3.廣州市高速公路有限公司， 廣州 510000)

隨著中國經濟建設發展，公路、鐵路建設大規模向艱險復雜的山區延伸，建設過程中邊坡災害問題日益突出[1]，其數量之多、規模之大、災害之嚴重、處治之困難，如何快速高效的治理邊坡病害，提出有效的邊(滑)坡整治方案，是目前山區高速公路、鐵路建設中亟需解決的難題[2]。

早在19世紀中期，中外開始對滑坡及滑坡災害治理進行研究，截至目前，邊(滑)坡災害防治已有成熟的防治手段，且形成了一套完善的邊坡災害防治技術體系[3-4]。將傳統邊(滑)坡防治手段使用得當，大多數公路鐵路邊坡災害問題都可以解決，但是也存在施工安全風險高，施工周期長，經濟成本高、復雜地層傳統防治手段的適用性等重要問題[5-9]。例如：抗滑樁的施工，需要人工挖孔，施工周期長，施工安全風險高，不易控制，難以滿足運營的高速公路、鐵路的搶險工程；預應力錨索技術，在煤系地層或地下水比較豐富的地層，普通錨索的耐久性難以滿足加固期限要求，存在預應力鋼絞線銹蝕失效的可能[10-12]。黎劍華等[13]在2007年提出了預應力鋼錨管支護技術加固路塹高邊坡，主要預應力鋼錨管穿過邊坡滑動面，使其自由段固定于坡面, 錨固段錨固于滑動面以內的土體中，主動地改變坡體應力狀態、調整坡體自穩能力。同時，通過注入的漿液向周圍地層的滲透硬化而形成堅實的灌漿體將鋼錨管與周圍土層錨固在一起，使鋼錨管錨固段與土體間產生黏結摩阻力，把坡體中產生的主動側壓力傳至土層深處，鋼錨管與其周圍的巖土形成一個堅固連續的抗滑體，預應力鋼錨管在廣東省高速公路邊坡中也得到了廣泛應用，但在實際應用過程中，對預應力鋼錨管施加預應力時，只能達到160～180 kN，不能有效地使通過劈裂注漿后巖土體的錨固力充分發揮，為了使巖土體的錨固力充分發揮，在預應力鋼錨管加固技術的基礎上進行改進，在鋼錨管內植入鋼絞線，對鋼絞線施加預應力，通過鋼絞線施加預應力將錨固體的黏結力充分發揮，達到治理邊坡目的的一種將劈裂注漿技術和錨固技術結合起來的新技術。

本文主要研究多次分段控制注漿斜向預應力鋼錨管錨索組合結構的結構形式、適用范圍、加固作用機理及數值分析具有重大意義。

1 斜向預應力鋼錨管錨索組合結構形式、作用機理及適用范圍

預應力鋼錨管錨索加固機理是將“劈裂注漿”與“錨固”相結合的一種新型加固技術，鋼錨管主要起到劈裂注漿作用，通過劈裂注漿對鉆孔周圍巖土體進行擠密，形成“樹根狀”，增加注漿體與巖土體的黏結強度，提高注漿體與巖土體的錨固力，通過在鋼錨管內部植入3根無黏結鋼絞線，對鋼絞線施加預應力，將劈裂注漿與巖土體的黏結強度充分發揮，提高錨固力的一種新型加固技術。

1.1 結構形式

多次分段控制注漿斜向預應力鋼錨管框架是由框架梁、鋼錨管、錨管孔、一次注漿管、對中環、注漿體、鋼墊板等七部分組成。多次分段控制注漿斜向預應力鋼錨管框架結構如圖1所示。

圖1 多次分段控制注漿斜向預應力鋼錨管框架結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of multiple piecewise control grouting oblique prestressed steel anchor pipe

1.1.1 框架梁

框架梁由鋼筋混凝土澆筑而成，固定于坡面，主要起表層固坡及將滑坡推力傳遞至深層錨固體的作用。

1.1.2 張拉臺

設置于框架梁表面，呈楔形體狀，主要作用為在對鋼錨管施加預應力時作為反力裝置。同時，為保證預應力能均勻地分布在鋼錨管體中，須保證鋼錨管與張拉臺保持垂直狀態，為此，張拉臺楔形體的厚度應根據鋼錨管與坡體所成角度不同進行調整。

1.1.3 鋼錨管

鋼錨管是主要受力構件，依靠自身抗拉強度抵御滑坡推力。一般采用長6 m、Φ60 mm×6.0 mm無縫鋼管，工程中可依據需要加長或截短。預應力注漿鋼錨管應在鋼錨管外端進行車絲加工，車絲范圍應根據框架梁及張拉臺厚度進行調整，一般情況下以絲扣露出張拉臺至少15 cm為宜。在控制注漿部位鋼錨管設置注漿眼，孔眼Φ6 mm，螺旋形布置。

1.1.4 鉆孔

在邊坡坡面與水平夾角20°～30°鉆Φ130 mm的鉆孔，要求鋼錨管錨索組合結構鉆孔穿過滑動面以下至少10 m。

1.1.5 自由段套管

在預應力鋼錨管外側設保護外套。用以充分發揮自由段功能，并提供防腐保護。

1.1.6 止漿塞

設置在自由套管與錨固段交界處，主要作用為防止注漿體進入鋼錨管自由段。

1.1.7 一次注漿管

制作鋼錨管時，將一次注漿管(Φ22 mm聚氯乙烯管)綁定在鋼錨管的外側，一次注漿管深入孔底，注漿時由孔底向上返漿，直至錨管孔內充滿漿液，且孔口冒漿為純水泥漿為止。

1.1.8 對中環

對中環套箍在鋼錨管上，保證下管過程鋼錨管與錨管孔的孔壁間一定的保護層厚度，確保鋼錨管周圍由注漿體包裹，提高鋼錨管的防腐性能及抗拉承載力。

1.1.9 錨頭

通過手工焊接方式與鋼錨管相連，主要作用為利于鋼錨管順利到達錨管孔的底部。需要注意的是，在錨頭制作過程中應保證錨頭的絕對密封，不得使注漿體由錨頭進入鋼錨管管體中。

1.1.10 注漿體

注漿體包括一次常壓注漿體與多次分段控制注漿體。一次常壓注漿通過伸入孔底的一次注漿管，把一定水灰比的純水泥漿注入鋼錨管外與鉆孔內形成圓柱形注漿體。一次常壓注漿時鋼錨管注漿眼采用玻璃膠封孔，使一次常壓注漿漿液不能進入鋼錨管內。

多次分段控制注漿待一次常壓注漿后8～14 h，將橡膠注漿槍頭深入鋼錨管內進行劈裂注漿(一般滑動面以下2 m、滑動面以上4 m及孔口進行三次劈裂注漿)。漿液在高壓(1～5 MPa)作用下，從多次分段注漿孔鋼錨管上的注漿眼劈裂一次常壓注漿體，向周圍巖土體擴散，形成擴散的劈裂注漿體。

1.1.11 預應力鋼絞線

預應力鋼絞線采用Φ15.24 mm無黏結鋼絞線，錨固段長10 m，除凈聚乙烯(PE)保護層及黃油，待多次分段注漿完成后(注漿體未凝固)立即將加工好的預應力鋼絞線植入鋼錨管管內。

1.1.12 鋼墊板

為保證預應力鋼錨管錨索組合結構與框架梁連接緊密，在鋼錨管的管口安裝工字型鋼墊板，鋼墊板尺寸25 cm×25 cm×2 cm。

1.1.13 螺母

主要作用可分為兩方面，一方面為施加預應力的主要裝置，另一方面亦可作為預應力鎖定裝置。螺母尺寸為4.8級M58螺母，長度為50 mm。

1.2 加固作用機理

多次分段控制注漿預應力鋼錨管錨索框架組合結構結合了預應力錨索框架與多次分段控制注漿技術的優點，鋼錨管自身不僅作為加固防護措施，還作為多次分段注漿的通道。多次分段劈裂注漿在鋼管周邊形成類似“樹根狀”的擴體型錨固體，提高地層錨固力；提高邊坡滑帶巖土體強度，增加抗滑力；在鋼管內植入錨索，通過對錨索施加預應力，改變了預應力鋼錨管表層的受力模式，充分發揮地層的錨固力。

1.3 適用范圍

多次分段控制注漿預應力鋼錨管錨索組合結構加固技術主要用于淺-中層滑坡災害治理，應急搶險工程的快速處治工程，在預應力鋼錨管周邊通過多次分段劈裂注漿形成較大的注漿體，能夠提高斜向預應力鋼錨管的錨固力，通過在鋼錨管內植入鋼絞線并施加預應力，使劈裂注漿提高錨固段的錨固力充分發揮；另外，通過多次分段控制注漿特別是滑動帶部位，能顯著提高滑動帶巖土體強度指標參數，減小滑坡推力；多次分段控制注漿鋼花管支擋加固技術防治滑坡的適宜性如表1所示。

表1 多次分段控制注漿斜向預應力鋼錨管框架防治滑坡的適宜性Table 1 The suitability of multi-stage control grouting inclined prestressed steel anchor pipe frame to prevent landslide

在設計時要根據滑體厚度和滑坡推力的大小，所需鋼花管的排數及錨索數量。根據巖土條件的適宜性，可分情況考慮鋼花管注漿范圍內滑面強度的提高，計算滑坡推力。

2 現場試驗

2.1 工程概況

2.2 試驗目的

對比分析預應力錨索、普通鋼錨管及多次分段控制注漿預應力鋼錨管錨索組合結構極限承載力。

2.3 試驗方法

試驗采用循環加、卸荷載法，使用油壓千斤頂對注漿鋼錨管進行加荷，逐級循環施加荷載，得出預應力錨索、預應力鋼錨管及預應力鋼錨管錨索組合結構的極限承載力。

2.4 試驗方案

試驗方案布置如圖2所示，為達到試驗目的，現場進行預應力錨索、預應力鋼錨管及預應力鋼錨管錨索組合結構試驗的里程范圍為K42+300～K42+420，在一至三級邊坡共做兩個斷面，一級邊坡鋼錨管3排，每排4根，共12根，二級邊坡2排，每排4根，共8根；三級邊坡2排，每排3根，共6根，合計26根。一級邊坡K42+270斷面布設3根預應力錨索，錨索分別是1束鋼絞線、2束鋼絞線和3束鋼絞線；二級邊坡K42+330斷面和K42+350斷面分別布設4根，自下而上鋼錨管自由段長度依次為1、3、6、9 m；三級邊坡K42+330斷面和K42+350斷面分別布設3根，預應力鋼錨管自由段長均為3 m，自下而上分別植入3束鋼絞線、2束鋼絞線和1束鋼絞線。現場預應力加載如圖3所示。

圖2 邊坡全貌Fig.2 Whole slope

圖3 現場預應力加載Fig.3 Field prestressed loading

2.5 試驗結果

2.5.1 預應力錨索承載力試驗結果

各組預應力錨索承載力試驗典型拉拔曲線如圖4所示。

圖4 預應力錨索拉拔試驗荷載-位移曲線Fig.4 Prestressed anchor cable drawing test load-displacement curve

由圖4可知，由單束、兩束和三束鋼絞線預應力錨索拉拔試驗荷載-位移曲線的試驗結果可知，三組預應力錨索極限承載力分別為200、295、336 kN。

2.5.2 預應力鋼錨管承載力試驗結果

不同自由段長度鋼錨管承載力試驗荷載-位移曲線如圖5所示。

圖5 預應力鋼錨管拉拔荷載-位移曲線Fig.5 Prestressed steel anchor pipe drawing load-displacement curve

由圖5可知，四組不同自由段長度預應力鋼錨管極限承載力分別為185、185、171、193 kN，均表現為鋼管被拉斷的破壞模式。

2.5.3 預應力鋼錨管錨索承載力試驗結果

預應力鋼錨管錨索組合結構施加預應力的順序不同，組合結構的極限承載力也不同，施加預應力的順序主要有：①先對鋼絞線施加預應力，再對鋼錨管施加預應力；②先對鋼錨管施加預應力，再對鋼絞線施加預應力。

(1)預應力鋼錨管錨索組合結構只對鋼絞線施加預應力，預應力鋼錨管錨索組合結構極限承載力荷載-位移曲線如圖6所示。

圖6 預應力鋼錨管錨索拉拔試驗荷載-位移曲線Fig.6 prestressed anchor cable drawing steel anchor pipe test load-displacement curve

由單根、兩根和三根鋼絞線預應力鋼錨管錨索拉拔試驗荷載-位移曲線的試驗結果可知，三組不同根數的鋼絞線預應力鋼錨管錨索極限承載力分別為235、378、432.26 kN。相比普通的預應力錨索，單束鋼絞線預應力錨索承載力由200 kN增加到235 kN，錨固力提高17.5%，兩根鋼絞線預應力錨索承載力由295 kN增加到378 kN，錨固力提高28.14%，三根鋼絞線預應力錨索承載力由336 kN增加到432.26 kN，錨固力提高28.65%。由于預應力鋼錨管通過多次分段控制注漿，通過劈裂注漿擠密錨固段巖土體，漿液充填裂隙，形成“樹根狀”，提高了錨固段錨固力。

(2)預應力鋼錨管錨索組合結構先對鋼錨管施加預應力，鋼錨管施加預應力180 kN張拉鎖定，然后再對鋼絞線施加預應力，預應力鋼錨管錨索組合結構中鋼錨管承載力與錨索承載力變化關系曲線如圖7所示。

圖7 鋼錨管承載力與錨索承載力變化關系曲線Fig.7 Curves of bearing capacity of steel anchor pipe and anchor cable

由單束、兩束和三束鋼絞線預應力鋼錨管錨索拉拔試驗在預應力鋼錨管施加180 kN時，再對錨索施加預應力，每次加載預應力錨索，鋼錨管預應力的變化曲線可知，三組試驗都是隨著錨索預應力的施加，鋼錨管預應力不斷減小，單根鋼絞線預應力錨索的最大承載力235.6 kN，兩根鋼絞線預應力錨索的最大承載力376.5 kN，三根鋼絞線預應力錨索的最大承載力401.5 kN。

3 結論

通過對多次分段控制注漿斜向預應力鋼錨管錨索邊坡加固技術的結構形式、適用范圍、加固作用機理、現場試驗分析，得出以下結論。

(1)研發出預應力鋼錨管錨索組合結構新型加固技術的結構形式、加固機理及適用范圍。

(2)由單束、兩束和三束鋼絞線預應力錨索極限承載力分別為200、295、336 kN。而預應力鋼錨管的承載力為170～190 kN，通過預應力錨索和預應力鋼錨管極限承載力對比分析表明預應力鋼錨管沒能夠充分發揮該地層的錨固力。預應力鋼錨管施加的預應力只能傳到淺表層，且破壞模式為鋼管被拉斷或者鋼管接頭處斷裂。

(3)三組不同根數的鋼絞線預應力鋼錨管錨索極限承載力結果與普通的預應力錨索相比來看，單束鋼絞線預應力錨索承載力由200 kN增加到235 kN，錨固力提高17.5%；兩根鋼絞線預應力錨索承載力由295 kN增加到378 kN，錨固力提高28.14%；三根鋼絞線預應力錨索承載力由336 kN增加到432.26 kN，錨固力提高28.65%。表明預應力鋼錨管錨索通過劈裂注漿擠密錨固段巖土體，漿液充填裂隙，形成“樹根狀”，有效地提高了錨固段錨固力。

(4)施加預應力的順序為：先對鋼錨管施加預應力180 kN，再對鋼絞線施加預應力，監測結果表明鋼錨管預應力不斷減小，在鋼錨管預應力減小到0時，單根鋼絞線預應力錨索的最大承載力235.6 kN，兩根鋼絞線預應力錨索的最大承載力376.5 kN，三根鋼絞線預應力錨索的最大承載力401.5 kN。

(5)特別適用巖土體破碎、松散、易塌孔地層于邊坡，通過鋼錨管劈裂注漿，提高邊坡巖土體的強度指標，充填了和擠密破碎地層間的空洞和孔隙，有效提高錨固段錨固力。