预应力锚索桩板墙工程病害分析及整治措施

陈 华，赵有明，张发春

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.云南省交通规划设计研究院，云南昆明650011)

预应力锚索桩板墙是桩、锚索、挡土板、填土、桩嵌固段岩体共同作用的轻型支挡结构体系［1－3］。由于这种结构较为复杂，且受场地质条件的制约，在设计施工过程中往往处理不当造成工程病害。工程病害的整治比较费时费力，且能否对症下药则是病害整治成功的关键［4－6］。本文通过调查大量锚索桩板墙结构的病害现象，提炼归纳出这种结构物病害的特征，为预应力锚索桩板墙的设计和病害整治提供参考。

1 预应力锚索桩板墙典型病害分析

预应力锚索桩板墙的主要工程病害可以分为3类，即局部破坏、连接体破坏和整体破坏［7－8］。

1.1 局部破坏

锚索桩板墙的局部破坏主要是指组成挡墙的各结构物的变形破坏，具体可分为4种形式，即锚索破坏、桩体破坏、锚固板破坏及桩嵌固段岩体破坏。

1.1.1 锚索破坏

锚索破坏的主要形式有两种:钢绞线拉断和剪断破坏，锚固体拔出破坏。

1)钢绞线破坏

如图1，钢绞线破坏一般有两种方式:①锚索拉力大于锚索材料本身的强度而产生拉断破坏;②锚索受到与杆体垂直方向的荷载而被剪断。破坏的部位可能在自由段也可能在锚固段。施工缺陷和设计不当都可能造成这种病害。如在施工上，各股钢绞线受力不均，自由端防腐措施不完善引起钢绞线锈蚀等，设计上则可能是锚索拉力超过设计锚固力或用于以沉降为主的错落式边坡病害治理，易引起钢绞线被岩土体剪断。

2)拔出破坏

如图2，这种病害的原因分为两种:①当锚固段位于松软岩土层时，锚固段灌浆体与钻孔壁之间的黏结强度不足或岩土体剪切破坏;②钢绞线和灌浆体之间的黏结强度不足，钢绞线直接从灌浆体中拔出。

图1 锚索束体断裂破坏Fig.1 Rupture damage of the anchor cable

图2 拔出破坏Fig.2 Pullout damage in pre-stressed sheet-pile wall

1.1.2 桩体破坏

锚固桩的破坏主要表现在因桩抗弯、抗剪能力不足引起桩体开裂和桩顶位移超限。

1)桩体开裂

锚索桩的截面弯矩超过了桩自身的抗弯能力，桩易受弯破坏，在锁口或锚索位置受到较大的剪力，引起剪切破坏，见图3。

图3 桩体开裂破坏Fig.3 Cracking damage of the pile

2)桩顶位移超限

图4 桩顶位移超限Fig.4 Displacement exceeding the pile top

在填土过程中，桩的侧向位移随着填方高度的增加而增大，如果在路面结构施工以后，桩的侧向位移过大，可能引起路面开裂或桩板分离(图4)，地表水顺裂缝下渗，可导致路基病害发生。

1.1.3 锚固板破坏

挡土板破坏主要是由于板的抗弯、抗剪能力不足，以及板桩搭接长度不够三个原因，可引起挡土板开裂或掉落。

1.1.4 桩嵌固段岩体破坏

桩嵌固段破坏主要表现为桩的竖向承载力不足和桩的侧向承载力不足两种形式。当桩的埋入段较小且桩底岩土软弱时，可能导致桩下沉位移超限。可以通过桩顶沉降位移观测发现这种病害。若锚固段地基侧向承载力不足，导致桩的侧向变形较大。如果是桩的侧向位移超出了弹性变形的范围则可能引起桩体开裂或挡墙整体倾倒。

1.2 连接体破坏

锚索桩板墙的连接体破坏主要是锚头缺陷引起的。这种病害的表现形式和原因为锚头下的钢垫板受局部承压变形，主要原因是垫板厚度不足、强度不够、套管孔径大、垫板下混凝土压碎、钢垫板凹陷等。这种病害大多是施工质量缺陷造成的。

1.3 整体破坏

锚索桩板墙的整体破坏主要是挡墙结构沿下卧软岩土层滑动的整体破坏。由于勘察资料不足或设计不当，桩板墙前部岩土体抗力不够、锚固段过短或下部有软弱夹层时，在地表水和地下水的作用下易导致桩板墙整体“坐船”，如图5。这种病害可根据桩和边坡的监测资料、勘探、设计和挖孔桩的地质编录等资料进行分析计算。

图5 锚索桩板墙“坐船”效应Fig.5 The sliding with large distance of the wall

2 预应力锚索桩板墙病害整治

病害整治的关键是找到结构物病害的主因，对症下药。根据上述锚索桩板墙病害特征，对每一种病害形式提出针对性整治措施。

2.1 锚索破坏加固

2.1.1 锚索补强加固

如果预应力的锚固条件好，桩的性能良好，仅仅是原有锚索的锚固力不够或者存在缺损病害，则可采用增加预应力锚索的方法进行加固。根据新增预应力锚索设置的位置不同，可选择在桩上或桩间增加锚索两种加固方法，如图6、图7。

图6 桩上新增预应力锚索加固示意图Fig.6 New anchoring cables on the pile

图7 桩间设预应力锚索加固示意图Fig.7 Schematic diagram of new anchoring cables between piles

2.1.2 增加桩加固

当需要提供的支挡作用力较大，且锚索的锚固条件较差，采用增加预应力锚索方法费用高，或者根本不具备锚固条件时(如地层对锚索有腐蚀作用，不能恢复锚固力)，可采用增加桩的方法进行加固。设计中应根据地形条件、变形体的空间分布，将新加的桩设在原有预应力锚索桩板墙的中间或前部，如图8。

图8 增加桩的方法加固示意图Fig.8 Schematic diagram of new piles

2.1.3 注浆加固

当锚固条件不好，且需要提供的支挡作用力较小，或加固的面积较大时，可采用注浆措施进行加固。注浆可以选择在桩内侧或者桩外侧的土体中，如图9。

图9 竖向钢花管注浆加固示意图Fig.9 Schematic diagram of uprightness steel tube injecting reinforce soil

2.2 桩的破坏加固

2.2.1 桩抗弯或抗剪能力加固

桩抗弯能力或抗剪能力不足导致的病害，根据地质条件和病害程度主要采用以下治理方法:

1)如果桩缺损较小且有施工条件时可在桩上采用增加预应力锚索或锚索框架的方法进行加固，以减小桩的内力。

2)如果在桩上出现裂缝和露筋等现象，要进行修复处理。

3)如果是桩身混凝土的强度没有达到设计要求，或因受力钢筋不够等原因造成的缺陷，可在桩身裂缝侧打钻孔，插粗钢筋或钢轨并结合高压注浆的措施进行补强加固。

4)如果对原有的桩进行结构补强不能达到设计要求时，需要进行减荷加固。减荷加固主要有如下措施:当需要提供的支挡作用力较大时，可采用新增预应力锚索桩的方法进行减荷加固;当需要提供的支挡作用力较小，或加固的面积较大时，可采用竖向钢花管注浆的方法进行加固;当需要提供的支挡作用力较小时，也可以采用普通预应力钢筋锚索框架进行加固，如图10。

图10 桩顶山侧采用锚索框架加固示意图Fig.10 Schematic diagram of adding anchoring cables frame to reinforce the wall

在需原有预应力锚索发挥作用的情况下，不宜采用被动受力的抗滑挡墙、普通抗滑桩进行加固。

2.2.2 桩顶位移超限加固

1)增加预应力锚索

当桩的位移过大时，可以通过在桩上增加预应力锚索的方法进行加固。

2)注浆加固

当需要提供的支挡作用力较小，土体变形较小时，可采用注浆加固的方法，如图11。

图11 桩顶山侧采用注浆加固示意图Fig.11 Schematic diagram of steel tube injecting at the pile inboard

3)锚索框架加固

当土体变形较大时，可采用锚索框架加固的方法。这种加固措施多用于路堤式锚索桩板墙加固，如图10。

2.2.3 板的缺损病害加固

对于已出现变形裂缝而未发生破坏的板，可采用下面的加固方法:

1)增加排水措施，提高挡土板山侧土体强度

对于因挡土板山侧岩土体的含水量大、排水不畅，使土压力增大导致挡土板的变形的，可采用仰斜排水孔、截排水隧洞等措施加强排水，以提高挡土板山侧土体强度，如图12。

图12 挡土板山侧设仰斜排水孔Fig.12 Schematic diagram of adding drainage hole at the soil shield inboard

对挡土板山侧岩土进行注浆加固，提高岩土的强度，如图13。

图13 挡土板山侧设竖向钢花管注浆Fig.13 Schematic diagram of adding steel tube injecting at the soil shield inboard

2)桩间注浆加固

对已经发生破坏(弯断或剪断)的板，可采用下面的措施:

①在桩外侧挂挡土板并锚定，见图14。

图14 桩外侧挂挡土板并锚定Fig.14 Schematic diagram of adding new soil shield on piles

②根据现场地质、地形条件，也可在挡土板河侧设锚杆框架、锚索框架、桩等加固措施。

2.2.4 桩嵌固段岩体病害加固

对于桩嵌固段岩体竖向承载力不足，可以采用的加固方法为:

图15 通过桩身加固桩底示意图Fig.15 Schematic diagram of reinforce base according to pile body

1)可采用在桩身进行注浆的方法加固，如图15。其方法可分为3种:①在桩身钢筋间隙内打垂直孔至桩底以下一定的深度，而后注浆加固;②在桩底以下采用高压注浆技术进行压力注浆;③在桩底以上采用常压注浆到孔口溢浆为止。

2)在桩底四周进行注浆的方法加固，但这种加固方法往往造价高，谨慎采用。

对于桩嵌固段岩体侧向承载力不足，可以采用的加固方法为:

1)当桩的侧向位移过大时，可采用增加预应力锚索的方法限制桩的侧向变形，如图7。

2)桩嵌固段岩体侧向承载力不足，也可采用注浆加固措施，以提高桩侧地基的侧向承载力，参考图16的方法。

图16 桩河侧注浆提高侧向承载力的示意图Fig.16 Schematic diagram of reinforce transverse capacity through the steel tube injecting

2.3 连接破坏的加固

连接破坏主要表现为锚头的破坏，锚索已完全失去作用，可采用下面的加固方法:

2.3.1 采用增加预应力锚索的方法进行加固

如果锚索的锚固条件好，可采用新增预应力锚索的加固措施，参照图7。

2.3.2 采用增加锚索桩进行加固

当需要提供的支挡作用力较大时，可采用增加桩的方法进行加固。设计中应根据地形条件、变形体的空间分布，将新加的桩设在原有预应力锚索桩板墙的中间或前部。

2.3.3 采用其他方法进行加固

在需要提供的支挡作用力较小时，也可以采用注浆或普通预应力钢筋锚杆框架进行加固。

2.4 整体破坏加固

1)对于坡体已完全破坏、滑坡推力较大的工程，可采用新设预应力锚索桩板墙的方法进行加固。如果新设桩板墙山侧坡体松散，可结合采用注浆加固。新增桩体及锚固体均应进入稳定地层。

2)对于推测可能发生整体破坏的桩板墙，根据监测资料、勘探资料、原设计资料和桩基施工资料，推测该桩板墙有整体破坏可能的工点，可在桩前或桩间增设预应力锚索桩加固，新增锚索桩要进入稳定地层。

3 结论

预应力锚索桩板墙病害类型主要有局部破坏、连接体破坏、整体破坏3种类型。局部破坏是最常见的破坏形式，可进一步分为锚索破坏、桩破坏、板破坏、嵌固段岩体破坏;连接体破坏主要是锚头缺陷破坏，整体破坏表现为沿桩底下卧软弱层的整体滑动。病害整治措施总体上可分为直接加固和减荷加固两种方式。采用在结构上增加桩、锚索或在桩外侧注浆以提高结构抗力的方法是直接加固方式;而采用在桩体内侧注浆、增加锚索框架(多用于路堤式锚索桩板墙)或增加排水孔以减小填土作用于结构上的力的方法属于减荷加固方式。具体采用哪一种加固措施，应根据结构物病害特征选择最优最省的加固措施。

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