拉力分散型预应力锚索在高边坡支护中的应用

拉力分散型预应力锚索在高边坡支护中的应用

张 群 马海能

中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054

摘 要：预应力锚索在土体边坡加固、明挖隧道支撑及大型地下洞室围岩加固等工程中有着广泛的应用。结合旬阳太极中央都会高边坡支护工程实例，介绍了拉力分散型预应力锚索的受力特点、工作原理及其施工工艺。

关 键 词：高边坡；拉力分散型预应力锚索；施工技术；应用

Application of tensile dispersion prestressed anchor cable in high slope support

Zhangqun Mahaineng

（xi´an engineering investigation and designresearch institute of china national non-ferrous metals industry CO.,LTD， 710054）

Abstract:Prestressed anchor cable has been widely used in soil slope reinforcement, open-cut tunnel support and surrounding rock reinforcement of large underground caverns. The stress characteristics, working principle and construction technology of prestressed anchor cable with distributed tension are introduced based on the examples of high slope supporting project in the central metropolis of Xunyang .

Key words: High slope; distributed prestressed anchor cable ; The construction technology ; application

前言

在边坡支挡工程中，采用预应力锚索背拉各种类型灌注桩做边坡支护，不仅能够减小桩的侧向位移，同时也可以显著降低桩的弯曲应力以及减小桩的截面面积与长度^[1]。拉力分散性预应力锚索是该类支撑体系应用的重要形式之一，其利用注浆体将锚索的拉力分散传递至周围岩土体，效果明显，施工方便。

1.1 拉力分散型锚索结构

一般预应力锚索主要由外锚固段、自由段和锚固段构成，其中外锚固段主要由结构物或抑制件（格构、垫墩等）、锚具及钢垫板等组成。锚固段是为锚索提供抗拔力的地段，通过灌浆将钢绞线与岩土体连为整体以提供抗拔力。自由段为传递预应力的段落，自由段钢绞线通过外套塑料管与砂浆隔离来达到自由变形的目的。外锚固段是通过锚具将锚索固定于抑制物或者结构物上，在承力的条件下锁定的部分，也是施加预应力张拉后的锁定部件。

拉力分散型锚索又被称之为内锚固段分层固结式锚索，该锚固体系要求将预应力钢绞线分成数个单元，并被分层固结在锚孔的不同深度处，同单元的预应力钢绞线长度相等，不同单元的钢绞线长度不等，最后将各单元的钢绞线末端按照设计的长度锚固在岩体或土体中^[2]，其结构见图1。

图1 拉力分散性锚索结构图

1.2 拉力分散型锚索与普通锚索的异同

拉力分散性锚索与普通拉力型锚索的主要特点都是锚索在受力时锚固段的浆体受拉，同时通过浆体将拉力传递给周围土层。它们最大的区别在于，普通拉力型锚索只有一组受力构件，在其受力时，不能够将荷载比较均匀地分布于整个锚固段长度上，会产生比较严重的应力集中现象。在锚固段前端较小的范围内，剪应力存在较大的峰值，然后向末端逐渐减小并最终趋近于零，造成锚固范围内锚索受力严重不均，锚索利用率较差；而拉力分散型锚索具有多组受力构件，能够将拉力分散传递至锚固的土体中，扩大了受力面，形成多个剪应力峰值，分散作用于锚索锚固段的不同部位，其应力峰值远低于普通锚索，受力相对更为合理，从而使锚固段能够得到更充分的利用^[3]。其剪应力分布曲线特征比较见图2。

（1） 拉力分散性锚索结构示意图

（2） 锚固分段的剪应力分布

（3） 拉力分散性锚索锚固段剪应力分布特征

（4） 普通锚索锚固段剪应力分布特征

图2 拉力分散性锚索锚固结构示意及剪应力分布特征比较

2 工程概况

旬阳太极中央都会项目位于旬阳县商贸大街与健康路之间，土层主要为人工填土、第四系坡、洪积粉质粘土、碎石类土及细砂、志留系强风化及中风化千枚岩。本工程基坑开挖后形成的边坡是一个临时性深基坑和永久性高边坡相结合的特大型边坡，边坡支护高度最大约34.0m。场地周围存在较多已建、待建建（构）筑物等，环境相对较复杂。

3 设计方案

根据边坡的工程地质特征及周围施工场地等情况，本工程主要采用灌注桩+拉力分散性预应力锚索支护。边坡高度最大处采用直径1.8m灌注桩，设置10排预应力锚索，锚索水平间距及竖向间距均为3.0m，长度26.5~40.0m，锚固段15.5~26.0m，锚孔直径200mm，施加预应力300~750kN。锚索采用高强度、低松弛预应力钢绞线，极限强度1860MPa，含3个锚索单元，3级锚固拉力分散，1~3排采用6束直径15.2mm钢绞线，倾角15°，4~10排采用12束直径17.8mm钢绞线，倾角25°，设计预应力锚索剖面图详见图3。

图3 设计预应力锚索剖面图

4 拉力分散性预应力锚索施工工艺

施工工艺流程按测量定位→钻孔及清孔→编索及下索→灌浆→预应力张拉→封锚等依次进行。

4.1 测量定位

边坡开挖至锚索的设计标高后，根据锚索的设计位置，在相应地方做出标记并编号。

4.2 钻孔及清孔

根据现场工程地质条件，钻孔采用风动潜孔锤冲击回转钻进，选用设备包括MD40型锚固钻机及空压机。钻机就位后，根据标记好的位置对好开孔孔位，用地质罗盘测量好钻机角度，开孔角度为下倾15~25°。钻进方式以压缩空气作为动力，产生的冲击能量传给钻头，利用冲击器排出的压缩空气以正循环方式冷却钻头同时将孔内土屑和岩粉全部清除出孔外。钻进达到设计深度后，不得立即停钻，必须在停止进尺的情况下，稳钻1~2分钟，以防止孔底端部尖灭，达不到设计的锚固直径。

4.3 编索及下索

在锚索作业区的附近选一合适区域作为加工车间，搭建锚索编制平台，在进行钻孔的同时集中编制锚索。依据锚索设计长度另外加长1.0m（预留的张拉段）进行下料，用切割机切断钢绞线。将切割下的钢绞线均匀地排列在加工平台上，要求钢绞线平直、不扭不叉，并需要除锈、除油污，对有弯死、机械损伤或锈坑处的锚索应该整根剔出。

先将锚索体制作成单元锚索，再将三个单元锚索合并组装成复合型锚索。钢绞线应平直排列，沿锚索轴线方向每隔2.0m设置一个对中支架，注浆管应当与锚索体绑扎牢靠。各单元锚索的外露端应当做好标记，用来区别各张拉单元，标记在锚索张拉前不得损坏。

锚索体可采用人工下锚，缓慢从孔口送入，应避免锚索体发生扭曲，锚索入孔时应注意用力要均匀一致，不应转动锚索体，并保证将锚索体推送至预定的深度后排气管以及注浆管保持畅通。

4.4 灌浆

锚索注浆采用水泥砂浆，水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥，水泥砂浆强度不低于35MPa，水灰比为0.4~0.5。水泥砂浆拌合均匀，随拌随用，一次拌合的水泥浆、水泥砂浆应在初凝前用完，以保证灌浆能够达到“早强、高强及高时效”的效果。

地层为粉质粘土或砂卵石时采用二次注浆法：第一次为常压注浆，第二次为高压注浆。第一次常压注浆为使用压浆泵利用灌浆管将水泥砂浆灌入孔内，管端保持高于孔底150mm。一次注浆压力为0.5~0.8Mpa。随着水泥砂浆的不断灌入，浆液从孔底部向上返回，等到孔口出现水泥砂浆时第一次常压灌浆结束。灌浆时应逐步将浆管向外拔出直至孔口，且在拔管的过程中应保证管口一直埋在浆液内。压力不应过大，以免吹散浆液或砂浆。待浆液回流到孔口时，可利用水泥袋纸等捣入孔内，然后用粘土封堵住孔口，并严密捣实。二次高压注浆是在水泥浆终凝前（约3~5小时）进行压力注浆，利用注浆管对锚固段分段注入浆液，二次注浆压力为1.0~1.5MPa，以便能够冲开一次常压注浆所形成的具有一定强度的锚固体。地层为岩层时采用一次注浆，即锚固段与自由张拉段同步注水泥砂浆，注浆压力为0.5~0.8MPa，当孔口出现溢浆且持续时间不低于5分钟后方可停止注浆，砂浆必须饱满密实，注浆完毕后待砂浆凝固收缩后，孔口进行补浆。

4.5 张拉

张拉锚具采用OVM型锚具及与之配套的穿心式千斤顶，张拉前应对张拉设备进行标定，并对锚索进行预紧张拉1~2次，张拉力可为设计值的10~20%，使其各部位紧密接触，钢绞线完全平直。

拉力分散性锚索各单元锚索的自由段长度不等，张拉时与普通拉力型锚索有着较大的区别。张拉时应严格按照设计次序分单元差异张拉，根据设计荷载及锚筋长度计算来确定差异荷载，并根据计算的差异荷载进行分单元张拉，其张拉的次序为：第一单元锚索→第二单元锚索→第三单元锚索。即先张拉长单元后张拉短单元。

等到第一、二、三组锚索单元补偿差异荷载后，再分5级按照相关规范要求施加预应力锁定的25%、50%、75%、100%及110%，每级荷载张拉完成后，稳定观测时间不低于10分钟，最后一级荷载稳定30分钟，并及时记录每级张拉时钢绞线的伸长量与受力情况，确定伸长量与受力值的相符性，待锚索索定后48小时内，如果发现有明显的预应力损失现象，应及时进行补偿张拉。

4.6 封锚

封锚前采用砂片切割机切掉多余的外露钢绞线，并涂上防腐油脂，对锚头空隙处进行补充注浆并充填密实，采用C30混凝土进行封闭，以防止发生风化侵蚀。本工程封锚时间为临时基坑回填后3个月。

5 结语

从锚索监测和基坑周边地表沉降监测结果表明，支护结构及附近地表变形值在规范允许范围内。拉力分散型预应力锚索在旬阳太极中央都会工程施工中的应用是成功的。应用拉力分散性预应力锚索作为高边坡支护体系，具有施工快速、受力条件好等优点，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]闫莫明,徐祯祥,苏自约.岩土锚固手册[M].北京人民交通出版社,2004.

[2]江贤锋.拉力分散性锚杆在深基坑中的应用[J].城市建设理论研究,2012,32.

[3]刘海龙,方建生,杨涛等.围岩剪切模量对拉力分散性锚索力学性能影响的数值分析[J].铁道建筑,2013(1):62-64.

作者简介：张群(1987-)，男，江苏淮安，工程师，硕士。主要从事基坑及边坡设计工作。