錨索技術在邊坡治理中的實踐范文

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《廣西城鎮建設雜志》2014年第四期

1擴孔錨索方案論證

1.1擴孔錨索的分類按照錨固段形態大致可分為：①擴大頭錨索，僅對錨索端部有限范圍內的孔徑進行擴大；②分段擴孔錨索，將錨固段分成若干段，按一定間隔分段擴孔；③整段擴孔錨索，對整個錨固段進行擴孔；④等徑擴孔錨索，錨固段擴孔直徑基本同徑；⑤異徑擴孔錨索，分段按不同直徑擴孔。按成孔原理大致可分為：①爆炸擴孔，在鉆孔底端裝上炸藥，引爆后把孔端炸擴成擴大頭；②機械擴孔，采用擴孔鉆頭切削土體或軟巖使孔徑擴大；③水力擴孔，采用高壓旋噴技術擴大孔徑形成擴大頭或擴大徑；④壓漿擴孔，在軟弱土層中采用二次注漿或雙層管雙栓塞注漿法來擴大孔徑。

1.2機械擴孔錨索方案技術論證該工程邊坡治理措施為采用錨索抗滑樁板墻，其中關鍵工序之一為錨索。錨索的設計與成功施工是邊坡治理必不可少的重要環節。錨索設計所需錨固力較大，而穩定基巖埋藏深，且為極軟巖。若采用普通錨索時，錨固段會較長，且需做成荷載分散型錨索，造價較高。故選擇狀態較好的黏性土作為錨固地層，可大大節約工作量，并在有限錨固段長度范圍內獲得較大錨固力，滿足錨索設計所需錨固力較大的要求，從而大大節約工作量和造價。實際錨索設計與施工在全錨固段長度范圍內為全錨固段等徑擴孔錨索。施工工藝因地制宜，采用機械擴孔二次注漿錨索技術。

2擴孔錨索的力學機理

擴孔錨索主要運用于土層和有條件的軟巖。擴孔錨索的承載力由兩部分組成：一部分為錨固段漿柱體與孔壁巖土體間的摩阻力，另一部分為位移方向錨固體端部巖土體提供的端阻力。其實質是依靠錨固體周圍巖土介質的抗剪強度發揮作用來提供錨索的抗力，也就是說，在其他條件一定的情況下，擴孔錨索的承載力由介質的抗剪強度決定。

2.1土體的抗剪強度土是一種彈塑性變形材料，其應力、變形、屈服與破壞關系較復雜。按照庫侖定律，抗剪強度與剪切面上的法向應力成正比，其物理本質是土顆粒間相互滑動摩擦及鑲嵌作用產生的阻力，大小由土顆粒的大小、表面粗糙度和密實度等決定。黏性土的抗剪強度由兩部分組成：一部分是摩擦力，與法向應力成正比；另一部分為黏聚力，由黏土礦物顆粒間通過水膜接觸，相互吸引和膠結形成。庫侖定律對土體的抗剪強度描述為：土體發生剪切破壞時，將沿著其內部某一曲面（滑動面）產生相對滑動，而該滑動面上的切應力就等于土的抗剪強度。無黏性土的抗剪強度為τf=σ•tgφ，黏性土的抗前強度為τf=σ•tgφ+c，式中，τf為抗剪強度；σ為剪切滑動面上的法向應力；c為黏聚力；φ為內摩擦角。摩爾-庫倫強度理論，即在應力的作用下，土的破壞屬于剪切破壞，并沿一定的剪切面產生剪切。當沿該剪切面上的剪應力增大到極限值時，該單元土體就沿該剪切面發生剪切破壞。在摩爾極限平衡應力圓中，土單元體剪切破壞的發生，取決于作用于剪切破壞面上法向應力與土作用所產生的剪阻力，而不決定于施加的剪應力。根據剪應力是否達到抗剪強度τ=τf作為破壞標準的理論稱為摩爾-庫侖破壞理論。研究摩爾-庫侖破壞理論如何直接用主應力表示，這就是摩爾-庫侖破壞準則，也稱土的極限平衡條件。

2.2擴孔錨桿的力學機理錨桿的拉力最終表現為對錨固體周圍介質產生的剪應力，由介質的剪阻力抵抗剪應力。擴孔錨桿的承載力是指錨桿錨固體所能夠承受的極限拉拔力，它由錨固段錨固體與土體摩擦力及擴大頭端部阻力兩部分組成，也就是說錨桿承載力的大小取決于土體的抗剪強度。當受力超過極限平衡狀態，土體發生剪切破壞時，錨桿承載力也就隨之喪失。由強度理論分析可知，一般已知σ1=γh及實測內摩擦角φ、黏聚力c，依據摩爾-庫侖理論，我們就可以求得錨桿所在土體剪切滑動面上的法向應力φ及抗剪強度τ。土體作為錨固體的介質，對其強度水平的認識是至關重要的。

2.3擴孔錨桿受力分析一般認為，其受力過程可分為3個階段。第一階段：彈性受力階段。錨桿受力較小時，錨固段側壁受摩阻力，擴大端不受力或受力較小，擴大頭端阻力為彈性土壓力。此時錨桿力學性能由錨固段摩阻力決定。相當于靜止土壓力階段。第二階段：過渡階段。當錨桿受力超過摩阻力峰值，側阻力達到極限時，錨固體開始位移，擴大端部阻力逐漸增大，擴大端前土體受壓，形成局部塑性區。此時錨桿力學性能由擴大端前土體的壓縮性能決定。其特征是位移曲線有一個拐點，擴大端處位移處于彈性階段，壓縮區土體強度由摩爾圓控制。第三階段：塑性區階段。當錨桿受力繼續增大時，錨桿向前發生較大位移，塑性區的土體不斷被壓密，擴大端部阻力隨之增加，錨桿位移趨于穩定。錨固力得到提高的同時，土體塑性范圍擴大并連通，結束彈性階段開始進入塑性階段。當錨桿受力繼續加大，在土體中產生的剪應力達到抗剪強度（τ=τf）時，土的極限平衡形成，土體可能產生剪切破壞，錨固力隨之衰減乃至喪失。

2.4擴孔錨索抗拔力計算在理論研究與工程時間的基礎上，現行多種計算方法如下該工程根據具體情況，采用基于邊坡規范的錨桿抗拔力計算公式④進行錨固力計算，設計錨固力為600kN。

3擴孔二次注漿施工工藝

該工程錨索實施，整個全錨固段長度范圍，錨索設計與施工為全錨固段等徑擴孔錨索，錨固段孔徑400mm，二次注漿，設計錨固力為600kN。錨固力計算采用基于邊坡規范的錨桿抗拔力計算公式進行。代表性支護結構如圖1、圖2所示。成孔設備采用江蘇金帆鉆鑿設備股份有限公司生產的擴孔錨索鉆機，先以常規孔徑成孔至將近設計孔深，之后采用擴孔鉆頭擴大錨固段直徑。然后下錨、注漿，注漿工藝為二次注漿。整個施工工藝和步驟如下：①錨桿孔位測量：平整場地后，對錨桿樁中心位置進行準確放樣，將所要鉆孔的樁位用紅油漆畫圓涂勻，使鉆孔時標志醒目，又不易損毀。②鉆機就位：錨桿樁施工的第一道工序就是將鉆機安置在測設的樁位上，使鉆頭對準樁位。③鉆孔：為了確保從開鉆起到灌漿完成全過程保持成孔形狀，不發生塌孔事故，應根據地質條件、設計要求、現場情況等，選擇合適的成孔方法和相應的鉆孔機具。該工程采用成孔機械為旋轉式鉆機。靠鉆具旋轉切削鉆進成孔，遇到有地下水時，用加套管成孔；無地下水用螺旋鉆桿直接排土成孔。④擴孔：成孔的錨固段進行局部擴孔，采用機械擴孔。提出鉆桿，將鉆頭換成擴孔器，在擴孔器不擴張狀態下，將其置于錨桿孔底部，并在鉆桿或機架上標記錨桿孔深度線；啟動鉆機帶動擴孔器旋轉，同時給鉆機逐漸向下加壓，使擴孔器旋轉并向外擴張切削巖土，錨桿孔底部擴大為設計孔徑；錨桿鉆機鉆進時應避免鉆機的劇烈振動，跳動及鉆桿擺動，確保勻速鉆進。注意成孔深度是否滿足設計要求，可適當增加孔深，但不宜超過設計深度的1%。⑤水洗：在擴孔同時，鉆機供水系統給水，沖洗切削物和清洗孔壁，觀察水中切削物含量，當孔中溢流出的水中切削物含量較少時，完成水洗。⑥錨桿鋼筋加工：錨桿是受拉力的關鍵部件，采用強度高、延伸率大、疲勞強度高、穩定性好的材料。⑦安放錨桿：安放錨桿用鐵絲將注漿管與鋼絞線束綁扎牢固，綁扎點每2m一個。非錨固端預留20cm～40cm以方便注漿。為防止土壤對錨桿的腐蝕，錨桿應進行防腐處理，或用抗腐蝕的特殊鋼制作錨桿。錨桿成孔后，應立即將加工好的鋼絞線束放到鉆孔內。安放鋼絞線時，應保持鋼絞線束平直不彎曲。⑧制備漿液及注漿：水泥漿的配比是工藝中重要的一環，該工程為一次灌注采用魚峰牌42.5的普通硅酸鹽水泥，灰砂比為1∶0.5～1∶1的水泥砂漿，內摻0.7%的FDN-2外加劑。首先提出擴孔器，將錨桿筋體和注漿管插入錨桿孔底部，用注漿泵及與其連通的注漿管一次灌注，達到設計長度，并在漿液終凝前拔出注漿管；漿液的配制強度要求不低于30MPa。一次灌注壓力不小于0.8MPa。該工程二次注漿的方法中采用高壓注漿管進行注漿，漿液采用水灰比為0.5的純水泥漿，內摻入0.7%的FDN-2外加劑，二次注漿的灌注瞬間壓力不小于2.5MPa。時間間隔與一次注漿時間為6h。高壓注漿，高壓泵輸送漿液，漿液從環狀出漿口的小孔噴出，向巖土層擠壓滲透，形成更大直徑的錨桿擴大體。連續提升注漿管至環狀出漿口處，重復上述過程，直至完成不同深度的二次注漿，其后拔出注漿管。

4效果檢驗

錨索效果檢驗分為兩次，首先在全面施工前用2根錨索進行施工效果檢驗，結果作為進一步全面施工錨索基本參數的依據。錨索基本試驗的檢查和驗收，經過各方的研究，最后要求為兩個方面：①錨索錨固段即擴孔段漿柱體的實體外形檢查。經開挖檢驗，擴孔段漿柱體實體外形檢查為漿脈狀的鋸齒形接觸，明顯提高了錨固段的抗剪強度，也提高了錨固能力，直徑數據最小為430mm、435mm，均在400mm以上，滿足設計要求。②實際錨固力的試驗檢查。檢驗的實際錨固力，試驗數據為900kN、920kN后不再加荷載，均滿足設計錨固力600kN以上的要求。全部施工完成后的錨索效果檢查驗收，按照規范要求進行，抽取總量的5%進行驗收試驗。試驗加荷載按照設計錨固力600kN的25%、50%、75%、100%、120%、150%依次進行。正式加荷載前按照設計錨固力600kN的10%即60kN施加一次荷載，使之各部分緊固伏貼、筋體完全平直，保證張拉數據準確。擴孔段漿柱體直徑數據和錨索基本試驗及驗收工程錨張拉表明，實際錨固力均大于設計錨固力600kN以上，均滿足設計的要求。該工程已建成使用5年，邊坡運行效果良好。機械擴孔二次注漿錨索，具有縮短錨固段長度、提高錨索承載力、降低造價等優點，在該項目上是成功的。

5結語

通過該項目實踐，得出以下幾點結論：（1）機械擴孔二次注漿錨索工藝治理邊坡，采用基于邊坡規范的錨桿抗拔力計算公式，抗拔力有保障。（2）基于強度理論提出的擴孔錨索設計錨固力的幾種計算方法，具體采用需視實際情況考慮理論值與實際更接近。（3）土體的抗剪強度參數十分重要，需實測與實踐經驗相結合。（4）擴孔錨索的破壞機理在理論上是清晰的，但極限平衡狀態下，隨著拉力增加，孔壁和擴大端部土體誰先破壞尚需進一步實踐來證明。（5）永久性工程特別是錨固段位于土層或其軟巖層的邊坡工程中需慎用，考慮到巖土介質特性及錨索的使用年限問題，安全系數宜取大一些。擴孔錨索在土體及軟巖錨固中作為錨桿的新技術新工藝，能有效縮短錨固段長度和提高錨索承載力，降低造價。

作者：呂良軍李毅單位：廣西冶金建設公司桂南分公司副主任工程師