粤赣高速公路高边坡锚索锈蚀及有效应力检测分析

2022-03-21戴巍侯文腾李清冯青山

西部交通科技 2022年1期

戴巍　侯文腾　李清　冯青山

作者简介：

戴巍（1988—），硕士，工程师，主要从事高速公路路基工程、岩土工程检测、设计、咨询等工作。

摘要：粤赣高速公路高边坡锚固结构已服役十多年，长期处于地下水丰富、排水不畅、水质具有腐蚀性的环境，锚索的锚固性能可能受到锈蚀影响造成预应力损失，使边坡存在一定的安全隐患。文章通过对五处锚索锚固边坡的外观检查和锚索工后有效应力检测，分析了锚索腐蚀性及有效应力检测情况。结果表明：粤赣高速公路边坡锚索检测主要病害为锚头轻微锈蚀，预应力损失情况与锚头腐蚀程度情况成正比，其中，开锚后锈蚀较为严重的强风化花岗岩地层锚索预应力损失近55%，与砂岩、板岩地层相比，强风化花岗岩地层锚头锈蚀和锚索有效应力损失更为严重。

关键词：高边坡;锚索;锈蚀;有效应力;检测

中国分类号：U418.5+2A070234

0 引言

随着我国山区高速公路的建设，为了保证高速公路边坡的稳定性，大量的公路边坡采用预应力锚索结构进行加固[1-4]。锚索结构属于隐蔽性工程，在经历较长的工作时间后，受岩土体的蠕变、钢绞线的松弛、锈蚀以及降雨等因素的影响，锚索结构出现预应力损失以及承载能力降低，存在极大安全隐患，而一旦预应力锚索失效，有可能引起治理工程的整体失效。因此对锚固工程边坡在工后一段时间进行安全检测及承载力评估是十分必要的[5-7]。

粤赣高速公路高边坡锚固结构已服役十多年，长期处于地下水丰富、排水不畅、水质具有腐蚀性的环境，锚索的锚固性能可能受到锈蚀影响造成预应力损失，边坡存在一定的安全隐患。本文根据近几年粤赣高速公路路堑边坡病害情况以及变形监测情况，共选取了五处锚索锚固的边坡进行专项检测，主要检测内容为：锚索锚固结构的外观检查和锚索工后有效应力检测。

1 工程概况

广东粤赣高速公路是国家规划的重点干线——内蒙古自治区阿荣旗至广东深圳高速公路的重要组成部分，是粤赣两省的运输大通道，也是构筑泛珠三角经济圈的战略通衢，其全长为138.103 km，于2005-12-28建成通车。

广东粤赣高速公路沿线穿越丘陵、洼地，大部分路段处于山区，有多处深路堑路段。所经地段地形复杂多变，地质情况较为复杂，岩质边坡从浅层至深层的风化情况大多为全风化、强风化、弱风化，局部存在软弱夹层现象，部分边坡浅层分布着不同厚度的坡积土，个别山谷有软土地质分布。底层岩性软弱，且分布不均，地质结构面发育，岩体破碎，风化程度较高，降雨充沛，地下水发育构成了边坡失稳破坏的不良地质条件。

2 检测目的

通过对边坡锚固工程结构开展锈蚀检测和试验，使得运营养护部门能够根据该边坡检测结果，及时掌握高边坡锚固工程结构的工作状态及安全情况。同时，检测结果可为采取相应的补强维护措施提供直接的数据依据。因此，对典型高边坡锚固工程结构开展锈蚀检测和试验很有必要，[JP4]重点摸清锚索目前的锚墩完好情况、锚索锈蚀情况，以及錨索预应力状态，判断边坡的稳定性，为排除边坡安全隐患提供科学依据[9-11]。

3 检测内容及方法

本文根据近几年粤赣高速公路路堑边坡病害情况以及变形监测情况，选取了五处锚索锚固的边坡进行一次专项检测。五处边坡工程概况如表1所示。主要检测工作内容为：安全拆除封锚混凝土后，对锚索锚固结构的外观工作状况进行检查和对锚固工程结构的工后有效应力进行检测。

3.1 锚头外观检查

锚头外观检查内容如下：

（1）检查抽检锚索结构封锚混凝土是否完整、是否损坏。

（2）检查锚头各部位的工作状态：锚板、夹片是否松动;检查钢绞线滑移、滑脱、断丝、外露钢绞线切割长度;锚垫板的位置、角度、完整性等其他表观情况。

（3）检查锚头各部位的锈蚀及渗水情况：锚头渗水、锚板、锚垫板、夹片及外露钢绞线的腐蚀情况。在进行相关检查时做好相应的文字及图像记录。

3.2 锚索工后有效应力检测

锚索工后有效应力试验，采用接长钢绞线的办法，检测方法及步骤如下：

（1）搭设脚手架和工作平台，检查锚索格梁结构及封锚混凝土的工作状况，然后安全拆除封锚混凝土，并将附着于钢绞线、夹片、锚具及锚垫板上的混凝土清理干净，详细记录锚头的工作状况。

（2）依次安装专用连接器、千斤顶、锚具、夹片、位移计等设备仪器，并调整设备位置。

（3）试拉几次，使连接器件消除间隙，以确保记录的数据为锚索的真实伸长量。

（4）加荷至设计值的10%后安装记录用百分表。

（5）初始荷载宜为设计值的30%，加载采用逐级等量加载，分级荷载宜为锚杆设计锁定的5%;锚头出现松动后（松动即0.5～1.0 mm塞尺可插入工作锚具与承压板之间），继续加载（2～4）级，加载后终止试验。最大试验荷载取1.5倍设计荷载，若达到1.5倍设计荷载仍未松动，则停止加载。

（6）完成上述检测步骤后，对抽检的锚索重新进行封锚。

根据相关规范规定，预应力锚索下有效应力的确定采用拐点法或插板法。具体流程如下所述：

利用拐点法确定锚索有效应力：首先利用采集到的荷载和锚索拉伸数据绘制荷载-位移关系曲线，从曲线特征点确定有效应力。若当荷载-位移关系曲线上位移突变明显时，应取其陡升起始点所对应的荷载值，如图1（[HTSS]a）中所示;若荷载-位移关系曲线难以准确确定其陡升起始点时，利用相关数据处理软件对曲线两侧进行拟合，取曲线两侧拟合直线的交汇点所对应荷载值的前一级加载荷载为锚索有效应力，如图1（[HTSS]b）中所示。

利用插板法确定锚索有效应力：在加载过程中，在某一级荷载加载完成后，利用0.5～1.0 mm塞尺可插入工作锚具，即将松动时对应加载荷载的前一级荷载确定为锚索有效应力，如图1（[HTSS]c）中所示。

在试验荷载加载过程中，当试验荷载加载至最大时，即1.5倍设计荷载，且未出现锚头位移突变或工作锚具松动，则取最大试验荷载为锚索有效应力。

4 检测结果分类依据

4.1 锚头各部件锈蚀程度划分

从外观角度对锚头各部件的锈蚀程度做了如下划分：

（1）良好：表面光洁或仅有少数点蚀，浮锈面积覆盖率在30%以下。

（2）轻微锈蚀：浮锈面积覆盖率达到30%以上，粉状颗粒锈斑面积覆盖率在30%以下。

（3）较严重锈蚀：粉状颗粒锈斑面积覆盖率在30%以上，清洗擦拭后锈面面积略微减小。

（4）严重锈蚀：表面出现锈片或锈坑，清洗擦拭后锈面面积有较大损失。

4.2 锚索应力工作状态分类

根据边坡工程锚索结构设计参数及相关规范并结合目前边坡变形现状，结合文献[9]中相关规定，锚索结构常见的应力工作状态主要有：

（1）应力不足：锚索有效应力低于设计荷载的80%，属于非正常工作状态。其中，当有效应力低于80%设计荷载但高于50%的设计荷载，认定为持有力尚可;当有效应力低于50%设计荷载但高于20%的设计荷载，认定为持有力不佳;当有效应力低于20%的设计荷载认定为持有力极差。

（2）应力损失：锚索有效应力低于设计荷载，但高于设计荷载的80%，此时属于正常工作状态。

（3）应力增加：锚索有效应力处于100%～120%设计荷载之间，属于正常工作状态。

（4）应力超限：锚索有效应力超过120%设计荷载，持有力增加需注意，认定为持有力极差，属于非正常工作状态但未失效。

（5）锚固段破坏：锚固段由于强度不足引起的锚固段结构破坏，属于非正常工作状态且已失效。

5 检测结果及分析

5.1 锚索腐蚀性情况及分析

下页表2给出了各个工点锚索相关信息，各个工点锚索腐蚀性情况具体如下：工点1边坡封锚质量较好，8处锚索开锚检查后未见明显腐蚀，1处锚索存在轻微锈蚀;工点2边坡封锚质量较好，5处锚索开锚检查后未见明显腐蚀，4处锚索存在轻微锈蚀;工点3边坡封锚质量较好，7处锚索开锚检查后未见明显腐蚀，2处锚索存在轻微锈蚀;工点4和工点5边坡封锚质量好，开锚后均未见严重锈蚀痕迹。

由下页表3给出的锚索腐蚀性检测情况统计表分析可知：开锚检测45处锚头封锚质量均较好。开锚后，34处锚索（75.6%）外观良好，11处锚索（24.4%）开锚检测显示存在轻微锈蚀迹象，未见锈蚀严重迹象，强风化花岗岩地层较砂岩、板岩地层锚头锈蚀更为严重。

5.2 锚索有效应力检测情况及分析

本次共抽检30孔锚索进行了锚索有效应力检测，表4仅给出了各个工点锚索工后有效应力检测结果。锚索序号编号原则如下：以工点号加坡面级数加锚索编号进行标记，例如，“1-1-10”表示工点1的一级坡面第10根锚索。通过对表4分析可知各个工点边坡锚索有效应力的具体结果。

工点1边坡锚索有效应力剩余百分比为54%～83%;工点2边坡锚索有效应力剩余百分比为52%～63%，检测锚索均出现现存应力不足现象，主要原因为该边坡位于桥下，地下水较为丰富，对边坡锚固结构有一定影响;工点3边坡锚索有效应力剩余百分比为52%～74%;工点4边坡检测锚索均出现现存应力不足现象，锚索有效应力剩余總应力为47%～74%;工点5边坡锚索均出现现存应力不足现象，锚索剩余应力百分比为45%～74%。

锚索拉拔检测试验结果显示：抽检预应力锚索出现不同程度预应力损失，预应力损失情况与锚头腐蚀程度情况成正比。其中开锚后锈蚀较为严重的强风化花岗岩地层锚索预应力损失近55%;封锚完好、开锚后未见明显锈蚀的锚索预应力损失约为18%。强风化花岗岩地层较砂岩、板岩地层锚索锚下预应力损失更为严重。

6 结语

（1）封锚混凝土破损或封锚混凝土质量较差的锚头比质量好的锚头容易锈蚀，锚下预应力损伤较大，初步推断主要原因为大气、地表水以及腐殖质更容易渗入，造成锚头钢绞线、锚垫板、锚具及夹片锈蚀，导致锚索有效应力损失。目前粤赣高速公路边坡锚索检测主要病害为锚头轻微锈蚀。

（2）预应力损失情况与锚头腐蚀程度成正比，其中开锚后锈蚀较为严重的强风化花岗岩地层锚索预应力损失近55%。强风化花岗岩地层较砂岩、板岩地层锚索有效预应力损失更为严重。

（3）地下水丰富且具有腐蚀性、岩性破碎裂隙发育的边坡为锚索腐蚀提供了环境因素，对锚索自由段腐蚀造成潜在威胁。在锚索套管完好、注浆饱满的情况下地下水不易渗入;若套管破损，腐蚀性地下水渗入，则易引起锚索锈蚀。这类病害无法从表观直接判断，但是会引起锚头锚索、夹片锈蚀、锚下预应力严重损失，需重点关注。

（4）锚头各部位的防腐措施及锚索套管完好、注浆饱满对锚索防锈蚀起到重要的作用。施工质量较好的锚索在很大程度上能防止锚索锈蚀，这些在工后难以检测，需要在施工期间重视。

参考文献：

[1]程良奎，李象范.岩土锚固·土钉·喷射混凝土：原理、设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]孙凯，孙 [HTXH1]玥.拉力型和压力型预应力锚索受力分析及工程应用[J].预应力技术，2007（3）：25-29.

[3]郑静，曾辉辉，朱本珍.腐蚀对锚索力学性能影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（12）：2 469-2 474.

[4]王清标，张聪，王辉，等.预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究[J].岩土力学，2014，35（8）：2 150-2 156.

[5]朱本珍，王建松，郑静，等.锚索长期工作性能检测与荷载补偿技术研究[J].岩土力学，2011，32（S2）：683-685，692.