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江苏省南京市玄武区玄武湖

张丽芹

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OB体育APP:预应力锚索加固

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  国外早在20世纪20年代开始将岩土锚固技术应用于矿山和水利建设中,60~80年代随着高强e69da5e6ba239度低松弛钢绞线的应用和施工技术的发展,大吨位的预应力锚索广泛应用,单束锚索的承载力达3000kN以上,最大的达16500kN。

  我国1964年曾在安徽省梅山水库采用2400~3200kN的预应力锚索加固坝基。80年代初,我国开始将预应力锚固技术用于滑坡防治上,后来发展为用预应力锚索框架(格构锚固)治理滑坡,如山西太原至古交二级公路K14滑坡的治理,更多的是用预应力锚索框架(地梁或锚墩)与抗滑桩结合治理滑坡,以及加固高边坡预防滑坡的产生。如今锚固技术已经被广泛应用于道路、矿山、水利、城建等建设中。

  用于稳定滑坡的预应力锚索是将锚固段设置在滑动面(或潜在滑动面)以下的稳定地层中,在地面通过反力装置(桩、框架、地梁或锚墩),将滑坡推力传入锚固段以稳定滑坡,所以预应力锚索的设计包括了锚索本身的设计和反力装置的设计两部分。

  按荷载传递方式,锚索的类型分为3种,即直孔摩擦型锚索(包括拉伸型锚索、压缩型锚索)、支承型锚索、摩擦-支承复合型锚索。只有一种传力方式且自由段单一的锚索称为单一锚索,最常见的是摩擦型拉力锚索,这是目前使用最广的一种锚索。这种类型的锚索结构简单、施工方便;但受力状态传力机制不够合理,在锚固段的上部产生应力集中,沿锚固段摩擦阻力分布不均匀,锚固段长度超过10m后对提高锚固力没有明显的效果,且不利于防锈蚀。所以近年来出现了单孔复合型锚索,凡是一束锚索有两种以上传力方式或自由段不同的钢绞线组成的锚索均称为单孔复合型锚索。

  单孔复合型锚索的类型有:拉力分散型锚索、压力分散型锚索、拉压混合型锚索、扩孔型锚索、孔底膨胀锚索、孔底设机械内锚头锚索。

  复合锚固系统的优点是沿整个锚固段长度应力分布相对比较均匀,能充分利用围岩(土)与锚索砂浆体之间的摩擦阻力、地层的承载力,从而大幅度提高锚索的锚固力。由于复合型锚索各单元体的自由段长度不等,在张拉锁定时应进行补偿张拉,使钢绞线受力均匀,原则上对各根钢绞线施加的预应力值与其自由段长度成正比例关系。

  3)水泥砂浆与钢绞线之间的握裹力不够,钢绞线)自由段钢绞线被拉断,原因包括:自由段长度不足、材质不合格、材料安全系数与荷载安全系数不匹配等。

  5)锚头夹片不合格导致钢绞线滑移或在锚头处将钢绞线)锚索带着围岩(土)体被拖出。

  上述的6)、7)两种破坏形式可能性很小,国内外至今无先例,因此一般不进行验算,不控制设计。水泥砂浆体对钢绞线之间的握裹力远大于钢绞线的极限承载力和砂浆体与围岩(土)之间的摩擦阻力,所以第3)种破坏形式也不会出现,不需要验算。第4)、5)种破坏形式系设计失误和锚具质量低劣所致。所以,对于单一拉力型锚索,只需验算第1)种,即锚索砂浆体与围岩(土)之间的摩擦阻力以控制设计,而对于复合型锚索,则应同时验算第1)种和第2)种破坏形式。

  根据极限平衡法进行计算,需考虑预应力沿滑面施加的抗滑力和垂直滑面施加的法向阻滑。稳定系数计算公式推荐如下:

  );U为沿滑面扬压力, ,H为边坡高度(m);φ为内摩擦角(°);θ为锚索倾角(°);β为锚索与滑坡的夹角(°),它与滑坡倾角(α)、锚索倾角(θ)之间的关系为β=α+θ;T为预应力锚索锚固力(kN);A为地震加速度(重力加速度g);W为滑体的单宽重量(kN/m);C为滑带土的内聚力(kPa);L为滑面的长度(m)。如果锁定锚固力低于设计锚固力的50%时,可不考虑预应力锚索产生的法向阻滑力,稳定系数计算公式简化如下:

  根据传递系数法进行计算,考虑预应力锚索沿滑面施加的抗滑力,可不考虑垂直滑面产生的法向阻滑力。所需锚固力为

  此外,在进行预应力锚索的锁定时,锁定锚固力应根据滑坡体结构和变形状况确定。分以下3种情况:

  2)当滑坡体蠕滑明显,预应力锚索与抗滑桩相结合时,锁定锚固力应为设计锚固力的50%~80%。

  有效锚固段长度可根据下列3种方法综合确定,其中经验类比方法更为重要。规范规定有效锚固段长度不宜大于10m。

  为避免锚索体从胶结体中拔出所需的有效锚固长度(m);T为设计锚固力(kN);K为安全系数,取值为2.0~4.0,一般情况下建议取2.0;n为钢绞线根数;d为钢绞线

  为避免胶结体与锚索体一起沿孔壁滑移所需的有效锚固长度(m);d为孔径(mm);C

  (2)类比法根据链子崖危岩体锚固工程等经验,推荐有效锚固长度见表2-16。

  预应力锚索倾角主要由施工条件确定。设单束锚索的设计承载力为P,它所提供的抗滑力(F)为

  当θ=φ时可取得最大抗滑力,但锚索过长,施工困难、不经济;若θ过大,虽然锚索的长度减小了,但提供的抗滑力也减小了,同样不经济,因此存在选取一个最优倾角的问题。可根据以下两种方法综合考虑其最优倾角。

  式中:D为锚索最小间距(m);d为锚索钻孔孔径(m);L为锚索长度(m)。

  6.锚索内端排列相邻锚索不宜等长设计,可根据岩体强度和完整性交错布置,长短差在1~2m之间。

  锚索的腐蚀是影响锚索寿命的重要因素。造成锚索腐蚀的主要因素是地层和地下水的侵蚀、锚索防护系统失效、双金属作用以及地层水存在杂散电流等。它们可引起不同形态的腐蚀发生,如全面腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀。除了由侵蚀介质引起的腐蚀外,高拉应力作用下的应力腐蚀及由此引起的破坏,可直接造成钢丝和钢绞线的断裂。如法国朱克斯大坝几根承载力为1300kN的锚索预应力钢丝仅使用几个月就发生断裂,钢丝所用的应力为极限值的67%。经多次试验后的结论是,处于高拉伸应力状态下的锈蚀是钢丝破坏的主要原因。

  2)。此外,锚墩底面最好与锚索垂直以使受力均匀。若有夹角时,应考虑锚墩受力不均及受力后沿坡面滑移的可能性。锚墩一般设置为上小下大的梯形断面以分散锚索对坡面的压力,减小表土因压缩变形而产生的预应力损失,一般为钢筋混凝土锚墩。在锚头钢垫板下应适当加密钢筋布置,在锚墩和锚具之间加设钢质承压板或孔口设置螺旋钢筋。对于土质边坡,由于表层土承载力小,常需很大的锚墩,外观不良,故一般采用地梁或框架作反力装置。

  梁的计算比较简单,仍按弹性地基梁计算,滑坡推力在梁长范围内按矩形均布,把锚索作为支点,一根梁上布两根锚索时按简支梁计算,布三根以上锚索时按连续梁计算,每根梁所承受的滑坡推力为相邻梁间距宽度的滑坡推力。当滑坡推力较大时,地梁可设计为上、下多排。梁的设计同钢筋混凝土梁设计,此处不详述。值得注意的问题是以下5个方面:

  1)地梁按两种受力阶段进行设计计算和配筋。第一种为滑坡处于相对稳定状态,没有或只有很小的滑坡推力作用在地梁上,地梁主要承受锚索上施加的预应力,即预应力阶段,此时梁中部的外侧弯矩大,配筋多;第二种是预应力施加后滑坡推力达到设计推力时,滑坡推力为主要外荷载(当滑坡推力未达最大值时,有时主动土压力也可成为主要外荷载),即地梁工作阶段,此时梁中部靠山一侧出现最大弯矩,控制配筋。故地梁需双面配筋。

  5)为防止梁在加预应力时受力不均匀而造成破坏,各孔锚索张拉时应分级张拉,不可一次拉到设计拉力。如一根梁上有两束锚索,第一次各张拉50%设计拉力,第二次再张拉剩余50%及超张拉部分。若一根梁上有三束锚索,则最好是三根同时张拉,但施工时,往往受设备限制难以做到,可先张拉中间一根到设计拉力的50%,再张拉上下两束。第二次按此方法再循环一次,达到设计拉力及超张拉部分,以防地梁在张拉过程中开裂。

  框架的设计计算理论上以三维空间受力计算比较合理,但实际工程中,多简化为按竖梁和横梁分别设计,并按预应力施加阶段和滑坡推力作用阶段两种状态控制设计。竖梁和横梁上力的分配通常有以下3种处理方法:

  1)以竖梁承担滑坡推力,横梁只作连接构件,扩大竖梁的承载面积。设计计算与地梁相同,横梁截面尺寸可小一些。

  承压反力装置包括锚墩、地梁和框架3类,用钢筋混凝土制作。锚墩是单束锚索在地面的反力装置,是纯受压构件,一般做成梯形断面,其功能是把锚具的集中荷载扩散后传递给滑体。地梁是在滑坡(或高边坡)表面垂直主滑方向布设的一排或数排竖梁,每一根梁上布置两束或三束锚索。当滑体为土体或风化破碎岩体时,为使锚固体系能整体受力以稳定滑坡或加固边坡,应采用钢筋混凝土框加做反力装置。框架一般由两根竖梁、两根或三根横梁构成。

  预应力锚索施工包括以下工序:锚索钻孔、清孔;钢绞线编束成型;锚索安装;内锚固段固结灌浆;浇筑外锚墩;锚索的张拉与锚固力锁定。

  预应力锚索孔径与钢绞线根数、砂浆保护层厚度和滑坡体结构有关。一般地,5~10根钢绞线根钢绞线根钢绞线mm。当滑坡体结构松散,或钻孔缩径明显时,可增大孔径。滑体为土层或软质岩层,滑床为坚硬岩层时,孔口至滑动面一段应采用三牙轮钻头钻进,用高压风出渣。若这段地层成孔性较好,则可裸孔钻进;若这段地层成孔性较差,则可采取跟管钻进,下套管保护孔壁,或用水泥浆加固孔壁;滑面至孔底一段,可采用冲击钻进。

  钻孔结束后,拔出钻杆和钻具。用一根含标尺的聚乙烯管复核孔深,并以高压风吹孔或用高压水洗孔,待孔内粉尘吹洗干净,且孔深达到要求时,拔出聚乙烯管,并将孔口盖住备用。

  锚索放在工作台上编织组装,对于长度过大的锚索可在有棚架的场地上组装,然后搬运并吊装入孔。在平整场地上架设高约0.5m、宽1.5m的工作台架,将截好的钢绞线平顺放在架上,逐根检查,凡有损伤的钢绞线均宜剔除。按要求绑扎架线环、紧箍环、导向壳及注浆管。自由段钢绞线涂防腐油后分别套上塑料管,并在底部封堵。塑料管在编织、运输和安装过程中不得有破损。

  为了保证注浆均匀,注浆速度不宜太快。用毫安表作一期注浆指示仪,但应保证两探头之间相隔800mm以上,裸露部分不能与钢绞线接触。用含标尺的聚乙烯管复校内锚固段的灌浆长度,达不到要求时,需补浆。所用砂浆应用搅拌机拌匀,使其达到规定指标,搅拌直至灌浆结束方可停止。在砂浆未完全固化前,不得拉拔和移动锚索。注浆完毕后,将一期灌浆管拔出。当锚固段地层较软弱,锚固力不足时,可采用二次劈裂灌浆。

  在内锚固段灌浆7天后进行张拉。张拉作业前,需对张拉设备进行标定。标定时,千斤顶、油管、压力表和高压泵联好。在压力机上用千斤顶主动出力的方法反复三次,取平均值,绘出千斤顶出力与压力表指示压强曲线,作为锚索张拉的依据。标定时,千斤顶的最大出力应高于锚索超张拉时的值。

  锁定锚固力的大小可用两种方法确定:测力传感器直接测定及张拉锁定时预应力钢绞线变形量计算得出。计算公式如下:

  1.预应力锚索的质量检验内容包括锚孔、锚索杆体的组装与安放、注浆、张拉与锁定等。2.实测项目1)锚孔:孔位、孔径、锚固角度、内锚固段长度等项目。2)锚索杆体的制作与安放:钢绞线强度、钢绞线配置、杆体长度、架线环密度,采用钢绞线)注浆:砂浆配合比、强度、注浆管的插入深度等。


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