拼装式锚杆（索）框架现场试验研究

郑静 安孟康 苏俊霞 甄作林

（中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000）

近些年来，我国进行了大量的基础设施建设，铁路、公路向山区延伸，水电、市政工程也大量兴建，形成了大量的高边坡［1］，锚杆（索）框架作为轻型工程治理措施得到广泛应用，工程技术人员也进行了相应的研究和总结。林玮等［2］采用数值仿真方法研究了预应力锚杆框架梁支护体系中框架梁的受力特点，框架梁的弯矩在锚头处最大，在相同土质条件和同一锚固预应力作用下坡脚处框架梁的弯矩要高于坡顶。董建华等［3］针对深基坑工程在施工场地狭窄和土质松散地区施工时遇到的难题，提出了框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构，并对其结构工作机制进行详细探讨。韩爱民等［4］通过数值模拟并结合现场试验与测试，对预应力锚杆框架梁支护体系加固边坡的力学行为进行了研究，结果表明预应力锚杆框架梁的支护力学性状表现出张拉和稳定工作2个阶段，设计时应考虑位于坡脚附近的框架梁与锚杆的内力在稳定工作阶段有所上升的不利影响。廖文斌等［5］依据对膨胀土高边坡上锚杆框架梁后土压力的现场监测数据，定量分析了降雨对梁后土压力的影响。周宏元等［6］通过对预应力锚杆框架梁加固边坡应用实例的分析，认为土质和软岩路堑边坡采用坡脚墙和预应力锚杆框架轻型支护结构可有效降低边坡高度，保证边坡稳定。曹兴松等［7］通过室内模型试验对多级锚杆框架梁上坡体压力分布和各级框架梁受力进行了研究，得出各级坡框架梁上坡体压力整体均呈现出中间大两端小的特点。杨明等［8］利用Winkler地基模型分析了锚索框架的受力特征，提出了锚索框架的弹性地基梁计算模式。

现有的锚杆（索）框架都是现浇施工，以上的研究也都是在现浇混凝土框架梁的基础上进行的，但现浇支模、浇注、养护等工序花费的时间较长，锚杆（索）的张拉锁定须等混凝土框架梁达到一定设计强度后方可进行。而在高边坡和滑坡地质灾害治理中，如何让锚杆（索）框架尽快受力发挥作用，尽早控制地质灾害发展，是减少地质灾害损失、经济合理治理的前提。针对这种情况，本文通过分析提出预制混凝土拼装式锚杆（索）框架结构，以期达到边坡和滑坡病害快速治理的目的。

1 拼装式锚杆（索）框架结构

锚杆（索）框架结构受力理论研究和数值模拟的结果表明，横梁与竖肋的受力相似，节点部位（锚固点）横梁与竖肋的弯矩和剪力最大，跨中部位剪力为0，当边坡为土和软岩时跨中弯矩很小［7-9］，边坡为硬岩时跨中弯矩基本为0。根据锚杆（索）框架的这种受力特点，从减轻预制混凝土梁的重量、方便现场拼装施工的角度考虑，以预制钢筋混凝土单向（高度方向）变截面倒T形梁、单向（高度方向）变截面矩形梁、带翼缘的双向（高度、宽度方向）变截面矩形梁为基本构件（图1），拼装组合形成图2所示的3种单节点结构。将单节点结构竖肋与竖肋、横梁与横梁相互连接，就形成拼装式锚杆（索）框架，如图3所示。

图1 预制钢筋混凝土梁基本构件

图2 拼装组合形成的单节点结构

图3 Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架

由于框架跨中基本不受力，现场安装时可先将梁端预留钢筋焊接，再采用细石混凝土浇注或预留孔采用螺栓连接，连接较简单。关键技术问题是节点处纵横梁的拼装，竖肋与横梁在节点处相互咬合，可以采用高强度水泥浆灌注结合缝，以提高结构的受力性能。拼装式锚杆（索）框架和现浇锚杆（索）框架相比，施工工期可减少约30 d，框架梁的质量也相应减轻。

2 试验目的

通过结构构件的预制、拼装以确定合理的施工工艺。通过结构的受力和变形测试，分析拼装结构的受力和变形特征，确定实际承载能力。通过观察结构破坏形式、受力易损部位和分析实测数据，有针对性地进行结构的改进与完善，从而形成轻型化、简单可靠的结构系列。

3 试验场地概况

试验场地位于四川绵阳一工地，场地为低山丘陵地貌，场区位于两丘陵低山间平缓坡地。地层为残坡积层、坡洪积层和下伏白垩系七曲寺组泥岩地层。残坡积层主要为粉质黏土，砖红色、紫红色，主要由泥岩风化形成，含少量碎石。坡洪积层为粉质黏土，褐黄色，含氧化铁和氧化锰。白垩系七曲寺组地层为泥岩及粉砂质泥岩，砖红、紫红色，夹灰白色、青灰色团块及条带，泥质结构，局部夹角砾及岩屑，薄～中层状构造，强～中风化。其中强风化泥岩岩质极软，勘探搅动呈土状，角砾状；中风化泥岩质地较软，完整性较好，岩芯多呈柱状。

4 试验与结果分析

根据锚杆（索）框架跨中基本不受力，单节点结构为一相对独立受力单元的这种特点，选取各型拼装单节点结构进行现场张拉加载试验。

4.1 Ⅰ型拼装式结构

4.1.1 结构尺寸

Ⅰ型拼装式框架梁设计跨度3.0 m，预制构件长2.9 m（预留跨中连接段），横梁构件截面0.4 m（宽）×0.2 m（高）～0.4 m（宽）×0.25 m（高），竖肋倒T型梁构件0.5 m（宽）×0.2 m（高）～0.5 m（宽）×0.45 m（高），翼缘板厚0.12 m，梁肋宽0.2 m。采用HRB400钢筋配筋，C30混凝土浇注，构件预制完成后，须洒水养护28 d方可拼装。

4.1.2 仪器设备与测点布置

试验选择在中风化泥岩坡面上进行，泥岩受节理切割呈块状，节理面为土所充填，边坡坡面较陡。试验主要采用OVM⁃250型穿心千斤顶和油泵进行张拉加载试验，百分表量测变形。具体测点布置如图4所示。

4.1.3 试验加载

结构设计荷载600 kN，试验采用分级张拉加载，每一级荷载200 kN，待百分表读数稳定后，施加下一级荷载，直至结构破坏或位移增大而荷载无法增加。张拉至1 000 kN，试验终止。当时未见结构破坏产生的裂缝，但在试验结束后的第15 d，现场观察发现框架节点的下部有3条张性裂缝。

图4 框架位移测点布置示意（单位：cm）

4.1.4 试验结果分析

Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架结构现场试验测点位移见表1。

表1 Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架结构现场试验测点位移mm

由表1可知，节点附近测点A2和测点A5的位移大于同一构件上其他部位的位移，这与理论研究和数值模拟结果相一致［8］，但测点位移的对称性不好，除了与百分表的安装固定有关外，与坡面泥岩风化不均也有关。横梁的位移大于竖肋，主要是横梁的刚度小于竖肋。结构在最大荷载1 000 kN时最大位移为14.71 mm，最大荷载800 kN时最大位移为12.12 mm，由此可见拼装结构整体位移不大，可满足边坡加固使用要求。试验张拉加载至1 000 kN，在试验结束数天后发现框架节点处有张性裂缝。这一方面说明在中风化泥岩这种地基承载力较大的坡面，框架结构可以承载更大的荷载，但另一方面也说明在风化不均的坡面，若加载持时不够长，框架结构可能会破坏滞后。按结构破坏的上一级荷载并考虑加载持时不够长会导致破坏滞后，确定Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架结构在中风化泥岩坡面的承载力为800 kN。

4.2 Ⅱ-1型拼装式框架结构

4.2.1 结构尺寸

根据Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架试验结果，构件承载力满足设计要求，但存在单根构件较重（单根竖肋构件质量达800 kg/根，单根横梁构件质量达648 kg/根），拼装需要借助吊车进行，限制了其使用范围。且横梁和竖肋底部不在同一平面上，施工时必须预先设计基础高度差，增加了施工的难度。

针对以上问题，在Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架基础上，根据弯矩、剪力沿梁身长度变化规律，把预制构件更改为双向变截面梁，即在满足抗弯、抗剪要求的条件下，尽量减少截面面积，从而减小构件质量；同时，为了满足梁底地基承载力要求，在横梁和竖肋底部节点附近设计了翼缘（见图2（b）），并将竖肋和横梁底面设计为同一平面。单根预制构件质量为120 kg，可由4名工人抬移进行拼装。

Ⅱ⁃1型拼装式框架梁设计跨度3.0 m，预制构件长3.0 m，横梁、竖肋构件截面0.1 m（宽）×0.1 m（高）～0.2 m（宽）×0.35 m（高），在节点两侧0.75 m范围内设翼缘以增加梁底宽度至0.3 m，翼缘板厚0.1 m，设计荷载500 kN，具体见图5。

图5 Ⅱ⁃1型拼装式框架结构试验现场

4.2.2 仪器设备与测点布置

构件预制、仪器设备与测点布置同Ⅰ型拼装式结构。试验选择在坡、洪积粉质黏土坡面上进行。

4.2.3 试验加载

结构设计荷载500 kN，试验采用分级张拉加载，每一级荷载100 kN，待百分表读数稳定后，再施加下一级荷载，直至结构破坏或位移增大而荷载无法增加。试验张拉至612 kN时因框架节点附近出现裂缝，荷载无法维持而终止试验，见图6。

图6 Ⅱ⁃1型拼装式锚杆（索）框架构件节点挤裂变形

4.2.4 试验结果分析

由于试验坡体在试验之前产生坍塌，后用挖机清理出锚索并拼装框架结构进行试验。在试验张拉加载过程中拼装结构整体向上位移，因而造成框架梁位移观测数据不完整，但试验张拉加载至612 kN时因框架节点附近出现裂缝而终止试验。试验坡体坍塌变形造成地基承载力降低致使结构变形增大、承载力降低，但也达到了612 kN，因而结构的承载力基本达到了设计要求。构件节点顶部挤裂变形，主要是因为拼装时构件凹槽空隙部分未采用砂浆灌缝处理，造成接触面减小应力集中。

4.3 Ⅱ⁃2型拼装式框架结构

针对Ⅱ⁃1型拼装式结构节点相对薄弱等问题，对其进行了优化。主要是适当增加框架节点处的尺寸，形成Ⅱ⁃2型拼装式框架结构（见图7）。并对框架梁跨度2.0，3.0 m 2种构件进行了设计与试验。

图7 Ⅱ⁃2型拼装式框架结构试验现场

4.3.1 结构尺寸

预制横梁、竖肋构件长度2.0 m，截面0.1 m（宽）×0.1 m（高）～0.2 m（宽）×0.25 m（高），在节点两侧0.5 m范围内设翼缘以增加梁底宽度至0.3 m，翼缘板厚0.1 m，设计荷载500 kN，见图8（a）。

预制横梁、竖肋构件长度3.0 m，截面0.1 m（宽）×0.1 m（高）～0.2 m（宽）×0.35 m（高），在节点两侧0.75 m范围内设翼缘以增加梁底宽度至0.3 m，翼缘板厚0.1 m，设计荷载500 kN，具体见图8（b）。

采用HRB400钢筋配筋，C30混凝土浇注，构件预制完成后，需洒水养护28 d方可拼装。

4.3.2 仪器设备与测点布置

试验选择在坡洪积粉质黏土坡面上进行。试验主要采用OVM⁃250型穿心千斤顶和油泵进行张拉加载，在孔口安装锚索测力计以测锚索拉力，百分表量测变形，具体测点布置如图8所示。

图8 框架位移测点布置示意（单位：cm）

4.3.3 试验加载

试验采用分级张拉加载，每一级荷载100 kN，待百分表读数稳定后，再施加下一级荷载，直至结构破坏或位移增大而荷载无法增加。

框架梁跨度2.0 m的构件试验张拉至620 kN时节点附近横梁出现裂缝，跨度3.0 m的构件试验张拉至626 kN时节点附近横梁出现裂缝，试验终止。

4.3.4 试验结果分析

Ⅱ⁃2型跨度2.0，3.0 m拼装式锚杆（索）框架结构现场试验测点位移分别见表2、表3。

表2 跨度2.0 m拼装式锚杆（索）框架测点位移 mm

表3 跨度3.0 m拼装式锚杆（索）框架测点位移 mm

由表2可知，横梁左侧测点B1，B2的位移远大于右侧测点B6的位移，左右两侧测点位移的对称性不好。这主要是由于横梁左侧下部找平砂浆铺垫较右侧厚且未完全凝固强度较低所致。因此在现场刻槽时应尽量控制槽底平整从而减小砂浆找平层的厚度，若找平层较厚则应待砂浆终凝达到一定强度后再张拉；竖肋在最大荷载620 kN时最大位移为8.92 mm，满足边坡加固使用要求。

由表3可知，横梁左右两侧测点位移的对称性很好，且距离节点较近测点C2，C5的位移大于同一构件上距离节点较远测点C1，C6的位移，这与理论分析和数值模拟结果相一致［8］；在最大荷载626 kN时横梁最大位移为14.49 mm，竖肋最大位移为9.72 mm，结构整体位移不大，可满足边坡加固使用要求。

试验张拉加载至620 kN和626 kN时，节点附近横梁出现裂缝，此时张拉荷载已达到设计荷载500 kN的1.2倍，满足结构设计的要求，因而按结构破坏上一级荷载考虑，确定Ⅱ⁃2型拼装式锚杆（索）框架结构的承载力为500 kN。

5 结论

1）拼装式锚杆（索）框架结构的破坏出现在节点附近，同现浇框架结构破坏类似，与数值模拟和理论计算节点处弯矩、剪力最大的结果相一致。

2）Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架单根预制构件较Ⅱ型重，但拼装结构变形小、刚度大，因而Ⅰ型拼装式锚杆（索）框架结构适用于单孔锚索拉力600～800 kN且吊机可以到达的边坡治理工程，Ⅱ型拼装式锚杆（索）框架结构适用于单孔锚索拉力300～500 kN而需人工扛抬构件的边坡治理工程。

3）拼装式锚杆（索）框架竖肋中间放置横梁的凹槽槽壁顶部混凝土容易产生挤裂破坏，在横梁拼装到位后通过向拼装缝隙灌注水泥浆可以达到要求。

4）在现场进行梁槽开挖时应尽量控制槽底平整从而减小砂浆找平层的厚度，若找平层较厚则应待砂浆终凝达到一定强度后再张拉。