壓力分散型錨索在高邊坡加固工程中的應用研究

柴永幸 CHAI Yong-xing

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

路塹邊坡開挖后，破壞了坡體原有的力學平衡，坡體內各點應力集中，巖土結構強度銳減，易形成大型潛在松弛面。為抑制邊坡各種變形的產生、發展、惡化進而導致破壞，保證邊坡的長期穩定，需要采取措施。近年來，壓力分散型預應力錨索主要材料為鋼絞線，具有防腐能力出色，服務年限較長，施工工藝成熟度高等優點，在高速公路典型開挖路段高邊坡加固中，由于其錨固部位分散，結構合理，整體錨固力大，逐步取代常見鋼筋型錨桿、錨索，應用于預應力張拉施工中。但由于預應力錨索變形差異、邊坡巖體受力變形（不包含錨頭受力位移）和張拉系統不穩定自重不一致等不利因素的影響，在特殊工況下，部分錨索受力差異較大，整體張拉過程中，存在個別單元應力超限及鋼絞線破壞，影響邊坡加固效果評價。因此，以貴州省某高速公路路塹邊坡加固實施方案中的壓力分散型錨索張拉力為主要研究對象，通過平行試驗的方法，結合后期變形觀測，主要研究了壓力分散型錨索施工工藝控制要素，為同類工程施工提供借鑒。

1 工程概況

劍黎高速公路TJ-8 標段，全長10.34km，設計最大開挖高度為78m，平臺的寬度為2.0m，坡比為1∶0.75-1∶1。線路邊坡為板巖地質，節理裂隙發育，邊坡巖體較破碎，局部坍塌，出現斜向裂縫。為確保公路高邊坡的安全，在本工程中，設計采用壓力分散型錨索對邊坡加固處理，對高邊坡加固時，采用壓力分散型錨索，由無黏結高強低松弛鋼絞線制作而成，直徑為15.24mm，強度為1860MPa，彈性模量為1.98×105MPa。按照不同的規格劃分，錨索可分為設計荷載為700kN 的6 束錨索、設計荷載為450kN 的4 束錨索兩種，均為全長無粘結錨索，長度20-32m 不等。錨孔內的注漿體強度為M40。（圖1）

圖1 壓力分散型錨索（6 索）設計圖

2 錨索預應力基本原理及施工技術要點

2.1 張拉計算

K66+980～K67+170 錨索采用高強度、低松弛無粘結預應力鋼絞線，其標準強度Rby=1860MPa。錨索張拉控制力P=700*1.1=770kN，各單元錨索有效作用長度分別為L1=32m，L2=28m，L3=24m（設計張拉力荷載值由下式計算，P 需超張拉至設計值的110%，Ln為n 單元的長度，每單元有2 根錨索，3 個單元為一組，每組6 根），設定無粘結預應力鋼絞線的彈性模量取E=1.95×105MPa，單根無粘結預應力鋼絞線截面面積由圓形面積計算公式計算可得S=140mm2

伸長量：

差異伸長值：

ΔL1=PL1/EA，ΔL2=PL2/EA，ΔL3=PL3/EA，式中ΔL1、ΔL2、ΔL3分別為第1 單元、第2 單元、第3 單元無粘結預應力鋼絞線在計算得出的最終張拉荷載作用下的伸長量。對于壓力分散型錨索，三個單元錨索長度不一致，張拉時應注意嚴格按規定順序，按單元采用差異化分步張拉，并根據計算差異荷載進行分單元張拉。

伸長量：

則差異伸長量：

式中，ΔP1，ΔP2為分步差異張拉之第1、2 步級張拉荷載增量。

差異荷載增量：

據千斤頂與油壓表檢測數據一次線性關系，可得其一次線性方程：y=13.377x-2.2231（y：負荷，KN；x：壓力表值，MPa）

表1 張拉力與壓力表讀數統計表

2.2 預應力施工技術要點

2.2.1錨索制作及安裝

①錨筋制作臺應高于場坪50cm 以上，錨筋設計長度與制作臺長度相適應，材料下墊上蓋。擠壓錨固頭，擠壓保護套、擠壓彈簧安裝應保證擠壓千斤頂工作推進速度均勻，施工中控制好擠壓保護套的推進工藝，并進行現場抽樣檢測，抽樣比例取1%-3%，確保單根擠壓強度符合要求。組裝鋼質承載體時，擠壓保護套通過螺栓在鋼質承載體和限位片之間必須采用四顆以上螺栓固定。架線環間距為1.0～1.5m，現場施工過程中要求錨孔孔口位置必須設置1 個架線環。保證注漿管穿索定位準確，并應深入導向帽內一定長度。導向帽采用2 處以上點焊固定于承載板上，并預留有溢漿孔。所有外露的擠壓錨固頭，擠壓保護套、擠壓彈簧等鋼質部件均應涂刷環氧樹脂防銹漆。②錨筋按要求整齊存放。錨筋體經現場取樣驗收，檢驗合格方可進場張拉，按設計順序進行安裝。安裝完成后，需安裝警示標志，禁止無關人員靠近，不得敲擊錨筋，杜絕在端頭處懸掛重物的行為。③錨筋制作臺應高于場坪50cm 以上，錨筋設計長度與制作臺長度相適應，材料下墊上蓋。錨筋下料應整齊，誤差范圍±50mm，預留長度1.5m。施工過程中必須對鋼絞線不同單元和鋼筋錨接頭做統一明顯的標記。本段錨索長度為32m、30m、28m，故自由段長度分別為27m、25m、23m。鋼絞線一律采用機械切割下料。嚴禁采取電弧切割的方式，切割后的無粘結預應力鋼絞線不得進行焊接。經切割后的鋼絞線按照錨索長度、數量進行編束，此過程在編束平臺上完成，編束前應將鋼絞線拉直處理，保證錨索長度滿足設計要求。④壓力分散型錨索的鋼絞線對稱錨固于鋼質承載體上，由于鋼纖線全長無粘結，鋼絞線與鋼質承載體之間的連接性能直接決定了錨索的作用效果，施工前應對鋼質承載體質量、擠壓工藝及連接性能進行試驗，要求單根鋼絞線連接強度大于200kN。承載體和限位片之間采用栓接處理，組裝承載體應精確定位。⑤錨索體整體加工完成后，檢查錨索體的外觀質量，對鋼質部分進行噴涂油漆防腐處理，同時對不同錨固單元的鋼絞線進行標記，避免后續張拉使用時出現錯誤。⑥鋼質承載體與鋼絞線連接完成后，在錨索體底端接裝導向帽及鋼絞線架線環，架線環間距1.0～1.5m，錨孔孔口位置必須設置1 個以上架線環。PVC 注漿軟管從架線環中間預留孔穿過并深入導向帽5～10cm，注漿漿液從導向帽頂部溢漿孔注入，保證孔底返漿。

2.2.2錨索注漿

錨孔鉆進須保證設計孔徑。鉆孔孔壁必須清理干凈。錨孔施工結束后，經現場檢驗孔深孔徑傾角和方位各項設計指標合格后，方可進行灌漿操作。孔徑、孔深檢查一般采用設計孔徑、鉆頭和標準鉆桿。同時要求復查錨孔各設計參數，全部錨孔施工合格后，應及時安裝錨固單元并進行注漿，注漿時間不得超過24h。注漿材料采用水灰比（0.4∶1～0.5∶1）的純水泥漿，并聚丙烯腈纖維（PAN），控制摻入量為每方1.8kg～2.0kg（纖維抗拉強度不小于700MPa），注漿所需漿體材料要求強度≥40MPa。注漿過程中如發現孔口漿面回落，應在30 分鐘內且漿液未完全凝固時完成補漿，確保孔口漿體充滿。注漿過程中須留試塊2 組，漿體強度未達75%前，禁止碰撞擾動。錨孔鉆造完成至注漿完成，總時差不得超過24 小時。需加強錨固體圍巖強度而采用二次劈裂注漿時，一次注漿體強度為5MPa，二次注漿應采用鍍鋅鐵管或鋼管，錨固段內設花孔和封塞。注漿材料聚丙烯腈纖維（PAN）摻入量為每立方米1.85kg（纖維抗拉強度設計值700MPa）。

2.2.3錨索張拉鎖定

壓力分散型錨索的張拉，采用設計張拉力與錨索體伸長值來綜合控制錨索應力，以控制油表讀數為準，用伸長量校核（±6%）。在注漿漿體與臺座混凝土強度達到設計強度80%以上時，方可鎖定。在進行整體張拉前，進行預張拉操作（15%設計值），使鋼絞線完全平直。張拉時按照一定的速度進行。張拉設備必須采用標定有效期內的專用配套設備（且在有效期6 個月內，張拉次數超過300 次的，應由具有相應資質的計量單位對張拉設備進行重新標定。）

壓力分散型錨索的張拉操作程序如下：

安裝千斤頂→0→AP1（初應力為設計值的15%，要求將鋼絞線拉直）→25%P（正式整體張拉，雙控校核）→50%P（雙控校核）→75%P（雙控校核）→100%P（雙控校核）→110%P（雙控校核合格后，持荷15 分鐘，合格后鎖定）。

所選千斤頂最大張拉力為600kN，各單元錨索實際伸長值校核時，分級張拉伸長值須加相應的差異伸長值。各單元在補足差異荷載后分5 級按上述張拉程序操作。鋼絞線錨索在鎖定48 小時內，發現預應力損失，且應力損失達到0.1 倍設計值以上時，必須補充張拉，保證施加到錨固體上的預應力滿足要求。

2.2.4錨固和封端

①打開送油閥門，張拉活塞在預應力筋回縮下回程5-8mm，用工作夾片分別錨固預應力筋。

②關閉送油閥門，活塞慢慢回程到底。控制卸荷速率每分鐘不超過設計值的0.2 倍（80kN）。依次拆除工具夾片、工具錨板、張拉千斤頂和限位板。錨索鎖定48h 內，發現預應力損失的，及時進行補充張拉。

③錨索張拉完成及時補漿，封錨防生銹腐蝕，做好錨頭防腐。張拉至最后一級時，持荷約15 分鐘后進行錨固封端鎖定，澆筑封端混凝土。

2.3 張拉驗收

驗收標準：按錨索總數的5%錨索進行多循環張拉驗收（每批次不少于3 根），按總數的95%的錨索進行單循環張拉驗收。在全部工程錨索經抽樣驗收并符合要求后，方可進行下步工序，進行張拉鎖定并及時封錨處理。

驗收試驗中，錨固段無結構應力，其自由段須全長計。在最后一級荷載作用下的位移觀測過程中，錨頭位置固定，10 分鐘內位移不超過1mm，或者2 小時總位移量不大于2mm，視為錨固性能達標。

驗收試驗應遵守分級加荷原則，起始荷載一般取設計值的25%，分級荷載依次取設計荷載值的0.5→0.75→1.0→1.2→1.33→1.5 倍，而且最大試驗荷載值不超過主錨筋的0.8 倍。驗收試驗中，荷載每提升一級，均應穩定持荷10 分鐘，并進行錨索位移伸長值記錄。如果在10 分鐘內位移大于1mm，則需要延長持荷觀測時間至50 分鐘，并在15、20、25、30、40 和50 分鐘時分別記錄位移變化情況。直至全部單元錨索驗收合格。

3 壓力分散型錨索邊坡穩定性效果檢驗

3.1 邊坡穩定性檢測采用拉線式地表位移監測

選取項目K68+150～K68+288.465 右側邊坡布設拉線式位移計2 套，傾角儀2 臺。

LX01 號拉線：經調試安裝后，選擇2022 年6 月20 日的監測數據作為該拉線監測初始值，以后監測結果與之對比來反映該監測部位位移變化情況。

表2 拉線式地表位移監測成果表

從該拉線監測曲線圖（圖2）可以看出，本監測期監測曲線平穩，說明該段邊坡處于穩定狀態。

圖2 LX01 拉線位移曲線圖

LX02 號拉線：經調試安裝后，選擇2022 年7 月1 日的監測數據作為該拉線監測初始值，以后監測結果與之對比來反映該監測部位位移變化情況。

表3 拉線式地表位移監測成果表

從該拉線監測曲線圖（圖3）可以看出，本監測期監測曲線平穩，說明該段邊坡本期內處于穩定狀態。

圖3 LX02 拉線位移曲線圖

3.2 傾角儀監測

QJY01：2022 年5 月16 日安裝調試完成，選擇2022年5 月16 日的監測數據作為該點監測初值，后期監測結果與之對比來反映該點傾角變化情況。截至2023 年8 月31 日相對傾角值為0.439°，本監測期監測曲線無明顯變化。說明本監測期內該段邊坡處于穩定狀態。監測成果見圖4。

圖4 QJY01 傾角變化曲線圖

QJY02：2022 年6 月2 日安裝調試完成，選擇2022 年6 月2 日的監測數據作為該點監測初值，后期監測結果與之對比來反映該點傾角變化情況。截至2023 年8 月31 日相對傾角值為0.003°，本監測期監測曲線無明顯變化，說明本監測期內該段邊坡處于穩定狀態。監測成果見圖5。

圖5 QJY02 傾角變化曲線圖

4 結語

①張拉前應結合設計圖紙，選定設備情況，匹配單元張拉長度，設定各單元張拉順序試驗次序，設定多種備選試驗方案，驗算錨墩受力情況，通過一系列相關性試驗，綜合計算確定張拉施工工藝和合理的單元間差異荷載。②下步研究方向，可通過觀測張拉產生的坡體變形情況，當單元拉力值較大時，可采取改變張拉荷載參數，或者調整錨頭尺寸等措施，達到減小單元受力差異和總應力損失的目的。③本案例在超荷張拉的兩序法基礎上，進行了一定的創新研究，發現一次張拉長度長的單元超荷值高于張拉長度短的單元；張拉順序應從初始張拉長度短的單元開始即A→B→C 順序。二次超張拉是為了更好地防止應力損失，且超負荷程度不宜大于工作值15%。④壓力分散型錨索適用性強、錨固效果明顯，加強錨索施工各個環節質量控制，使錨索作用得到充分發揮，進而保證邊坡在建設運營期的持續穩定、長期安全。⑤張拉是錨索應用的關鍵工序,張拉前應全面檢查張拉系統穩定性影響因素，安全防護措施等，關于漿體制備系統，主要需要關注計量措施，水泥和水的配制情況，測量密度的儀器等，錨墩和結構混凝土強度可以通過回彈儀進行現場檢測，也可以通過試塊檢驗確定，排除客觀影響因素后，張拉試驗的各項評價指標將更加真實準確，更具有現場實操的指導意義，張拉力、壓力表讀數關系曲線與計算公式的選用，需要按規范要求選用，其中張拉試驗的準確程度是決定壓力分散型錨索參數合理性的關鍵。