压力分散型锚索在高边坡加固工程中的应用研究

柴永幸 CHAI Yong-xing

（中铁十五局集团第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

路堑边坡开挖后，破坏了坡体原有的力学平衡，坡体内各点应力集中，岩土结构强度锐减，易形成大型潜在松弛面。为抑制边坡各种变形的产生、发展、恶化进而导致破坏，保证边坡的长期稳定，需要采取措施。近年来，压力分散型预应力锚索主要材料为钢绞线，具有防腐能力出色，服务年限较长，施工工艺成熟度高等优点，在高速公路典型开挖路段高边坡加固中，由于其锚固部位分散，结构合理，整体锚固力大，逐步取代常见钢筋型锚杆、锚索，应用于预应力张拉施工中。但由于预应力锚索变形差异、边坡岩体受力变形（不包含锚头受力位移）和张拉系统不稳定自重不一致等不利因素的影响，在特殊工况下，部分锚索受力差异较大，整体张拉过程中，存在个别单元应力超限及钢绞线破坏，影响边坡加固效果评价。因此，以贵州省某高速公路路堑边坡加固实施方案中的压力分散型锚索张拉力为主要研究对象，通过平行试验的方法，结合后期变形观测，主要研究了压力分散型锚索施工工艺控制要素，为同类工程施工提供借鉴。

1 工程概况

剑黎高速公路TJ-8 标段，全长10.34km，设计最大开挖高度为78m，平台的宽度为2.0m，坡比为1∶0.75-1∶1。线路边坡为板岩地质，节理裂隙发育，边坡岩体较破碎，局部坍塌，出现斜向裂缝。为确保公路高边坡的安全，在本工程中，设计采用压力分散型锚索对边坡加固处理，对高边坡加固时，采用压力分散型锚索，由无黏结高强低松弛钢绞线制作而成，直径为15.24mm，强度为1860MPa，弹性模量为1.98×105MPa。按照不同的规格划分，锚索可分为设计荷载为700kN 的6 束锚索、设计荷载为450kN 的4 束锚索两种，均为全长无粘结锚索，长度20-32m 不等。锚孔内的注浆体强度为M40。（图1）

图1 压力分散型锚索（6 索）设计图

2 锚索预应力基本原理及施工技术要点

2.1 张拉计算

K66+980～K67+170 锚索采用高强度、低松弛无粘结预应力钢绞线，其标准强度Rby=1860MPa。锚索张拉控制力P=700*1.1=770kN，各单元锚索有效作用长度分别为L1=32m，L2=28m，L3=24m（设计张拉力荷载值由下式计算，P 需超张拉至设计值的110%，Ln为n 单元的长度，每单元有2 根锚索，3 个单元为一组，每组6 根），设定无粘结预应力钢绞线的弹性模量取E=1.95×105MPa，单根无粘结预应力钢绞线截面面积由圆形面积计算公式计算可得S=140mm2

伸长量：

差异伸长值：

ΔL1=PL1/EA，ΔL2=PL2/EA，ΔL3=PL3/EA，式中ΔL1、ΔL2、ΔL3分别为第1 单元、第2 单元、第3 单元无粘结预应力钢绞线在计算得出的最终张拉荷载作用下的伸长量。对于压力分散型锚索，三个单元锚索长度不一致，张拉时应注意严格按规定顺序，按单元采用差异化分步张拉，并根据计算差异荷载进行分单元张拉。

伸长量：

则差异伸长量：

式中，ΔP1，ΔP2为分步差异张拉之第1、2 步级张拉荷载增量。

差异荷载增量：

据千斤顶与油压表检测数据一次线性关系，可得其一次线性方程：y=13.377x-2.2231（y：负荷，KN；x：压力表值，MPa）

表1 张拉力与压力表读数统计表

2.2 预应力施工技术要点

2.2.1锚索制作及安装

①锚筋制作台应高于场坪50cm 以上，锚筋设计长度与制作台长度相适应，材料下垫上盖。挤压锚固头，挤压保护套、挤压弹簧安装应保证挤压千斤顶工作推进速度均匀，施工中控制好挤压保护套的推进工艺，并进行现场抽样检测，抽样比例取1%-3%，确保单根挤压强度符合要求。组装钢质承载体时，挤压保护套通过螺栓在钢质承载体和限位片之间必须采用四颗以上螺栓固定。架线环间距为1.0～1.5m，现场施工过程中要求锚孔孔口位置必须设置1 个架线环。保证注浆管穿索定位准确，并应深入导向帽内一定长度。导向帽采用2 处以上点焊固定于承载板上，并预留有溢浆孔。所有外露的挤压锚固头，挤压保护套、挤压弹簧等钢质部件均应涂刷环氧树脂防锈漆。②锚筋按要求整齐存放。锚筋体经现场取样验收，检验合格方可进场张拉，按设计顺序进行安装。安装完成后，需安装警示标志，禁止无关人员靠近，不得敲击锚筋，杜绝在端头处悬挂重物的行为。③锚筋制作台应高于场坪50cm 以上，锚筋设计长度与制作台长度相适应，材料下垫上盖。锚筋下料应整齐，误差范围±50mm，预留长度1.5m。施工过程中必须对钢绞线不同单元和钢筋锚接头做统一明显的标记。本段锚索长度为32m、30m、28m，故自由段长度分别为27m、25m、23m。钢绞线一律采用机械切割下料。严禁采取电弧切割的方式，切割后的无粘结预应力钢绞线不得进行焊接。经切割后的钢绞线按照锚索长度、数量进行编束，此过程在编束平台上完成，编束前应将钢绞线拉直处理，保证锚索长度满足设计要求。④压力分散型锚索的钢绞线对称锚固于钢质承载体上，由于钢纤线全长无粘结，钢绞线与钢质承载体之间的连接性能直接决定了锚索的作用效果，施工前应对钢质承载体质量、挤压工艺及连接性能进行试验，要求单根钢绞线连接强度大于200kN。承载体和限位片之间采用栓接处理，组装承载体应精确定位。⑤锚索体整体加工完成后，检查锚索体的外观质量，对钢质部分进行喷涂油漆防腐处理，同时对不同锚固单元的钢绞线进行标记，避免后续张拉使用时出现错误。⑥钢质承载体与钢绞线连接完成后，在锚索体底端接装导向帽及钢绞线架线环，架线环间距1.0～1.5m，锚孔孔口位置必须设置1 个以上架线环。PVC 注浆软管从架线环中间预留孔穿过并深入导向帽5～10cm，注浆浆液从导向帽顶部溢浆孔注入，保证孔底返浆。

2.2.2锚索注浆

锚孔钻进须保证设计孔径。钻孔孔壁必须清理干净。锚孔施工结束后，经现场检验孔深孔径倾角和方位各项设计指标合格后，方可进行灌浆操作。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆。同时要求复查锚孔各设计参数，全部锚孔施工合格后，应及时安装锚固单元并进行注浆，注浆时间不得超过24h。注浆材料采用水灰比（0.4∶1～0.5∶1）的纯水泥浆，并聚丙烯腈纤维（PAN），控制掺入量为每方1.8kg～2.0kg（纤维抗拉强度不小于700MPa），注浆所需浆体材料要求强度≥40MPa。注浆过程中如发现孔口浆面回落，应在30 分钟内且浆液未完全凝固时完成补浆，确保孔口浆体充满。注浆过程中须留试块2 组，浆体强度未达75%前，禁止碰撞扰动。锚孔钻造完成至注浆完成，总时差不得超过24 小时。需加强锚固体围岩强度而采用二次劈裂注浆时，一次注浆体强度为5MPa，二次注浆应采用镀锌铁管或钢管，锚固段内设花孔和封塞。注浆材料聚丙烯腈纤维（PAN）掺入量为每立方米1.85kg（纤维抗拉强度设计值700MPa）。

2.2.3锚索张拉锁定

压力分散型锚索的张拉，采用设计张拉力与锚索体伸长值来综合控制锚索应力，以控制油表读数为准，用伸长量校核（±6%）。在注浆浆体与台座混凝土强度达到设计强度80%以上时，方可锁定。在进行整体张拉前，进行预张拉操作（15%设计值），使钢绞线完全平直。张拉时按照一定的速度进行。张拉设备必须采用标定有效期内的专用配套设备（且在有效期6 个月内，张拉次数超过300 次的，应由具有相应资质的计量单位对张拉设备进行重新标定。）

压力分散型锚索的张拉操作程序如下：

安装千斤顶→0→AP1（初应力为设计值的15%，要求将钢绞线拉直）→25%P（正式整体张拉，双控校核）→50%P（双控校核）→75%P（双控校核）→100%P（双控校核）→110%P（双控校核合格后，持荷15 分钟，合格后锁定）。

所选千斤顶最大张拉力为600kN，各单元锚索实际伸长值校核时，分级张拉伸长值须加相应的差异伸长值。各单元在补足差异荷载后分5 级按上述张拉程序操作。钢绞线锚索在锁定48 小时内，发现预应力损失，且应力损失达到0.1 倍设计值以上时，必须补充张拉，保证施加到锚固体上的预应力满足要求。

2.2.4锚固和封端

①打开送油阀门，张拉活塞在预应力筋回缩下回程5-8mm，用工作夹片分别锚固预应力筋。

②关闭送油阀门，活塞慢慢回程到底。控制卸荷速率每分钟不超过设计值的0.2 倍（80kN）。依次拆除工具夹片、工具锚板、张拉千斤顶和限位板。锚索锁定48h 内，发现预应力损失的，及时进行补充张拉。

③锚索张拉完成及时补浆，封锚防生锈腐蚀，做好锚头防腐。张拉至最后一级时，持荷约15 分钟后进行锚固封端锁定，浇筑封端混凝土。

2.3 张拉验收

验收标准：按锚索总数的5%锚索进行多循环张拉验收（每批次不少于3 根），按总数的95%的锚索进行单循环张拉验收。在全部工程锚索经抽样验收并符合要求后，方可进行下步工序，进行张拉锁定并及时封锚处理。

验收试验中，锚固段无结构应力，其自由段须全长计。在最后一级荷载作用下的位移观测过程中，锚头位置固定，10 分钟内位移不超过1mm，或者2 小时总位移量不大于2mm，视为锚固性能达标。

验收试验应遵守分级加荷原则，起始荷载一般取设计值的25%，分级荷载依次取设计荷载值的0.5→0.75→1.0→1.2→1.33→1.5 倍，而且最大试验荷载值不超过主锚筋的0.8 倍。验收试验中，荷载每提升一级，均应稳定持荷10 分钟，并进行锚索位移伸长值记录。如果在10 分钟内位移大于1mm，则需要延长持荷观测时间至50 分钟，并在15、20、25、30、40 和50 分钟时分别记录位移变化情况。直至全部单元锚索验收合格。

3 压力分散型锚索边坡稳定性效果检验

3.1 边坡稳定性检测采用拉线式地表位移监测

选取项目K68+150～K68+288.465 右侧边坡布设拉线式位移计2 套，倾角仪2 台。

LX01 号拉线：经调试安装后，选择2022 年6 月20 日的监测数据作为该拉线监测初始值，以后监测结果与之对比来反映该监测部位位移变化情况。

表2 拉线式地表位移监测成果表

从该拉线监测曲线图（图2）可以看出，本监测期监测曲线平稳，说明该段边坡处于稳定状态。

图2 LX01 拉线位移曲线图

LX02 号拉线：经调试安装后，选择2022 年7 月1 日的监测数据作为该拉线监测初始值，以后监测结果与之对比来反映该监测部位位移变化情况。

表3 拉线式地表位移监测成果表

从该拉线监测曲线图（图3）可以看出，本监测期监测曲线平稳，说明该段边坡本期内处于稳定状态。

图3 LX02 拉线位移曲线图

3.2 倾角仪监测

QJY01：2022 年5 月16 日安装调试完成，选择2022年5 月16 日的监测数据作为该点监测初值，后期监测结果与之对比来反映该点倾角变化情况。截至2023 年8 月31 日相对倾角值为0.439°，本监测期监测曲线无明显变化。说明本监测期内该段边坡处于稳定状态。监测成果见图4。

图4 QJY01 倾角变化曲线图

QJY02：2022 年6 月2 日安装调试完成，选择2022 年6 月2 日的监测数据作为该点监测初值，后期监测结果与之对比来反映该点倾角变化情况。截至2023 年8 月31 日相对倾角值为0.003°，本监测期监测曲线无明显变化，说明本监测期内该段边坡处于稳定状态。监测成果见图5。

图5 QJY02 倾角变化曲线图

4 结语

①张拉前应结合设计图纸，选定设备情况，匹配单元张拉长度，设定各单元张拉顺序试验次序，设定多种备选试验方案，验算锚墩受力情况，通过一系列相关性试验，综合计算确定张拉施工工艺和合理的单元间差异荷载。②下步研究方向，可通过观测张拉产生的坡体变形情况，当单元拉力值较大时，可采取改变张拉荷载参数，或者调整锚头尺寸等措施，达到减小单元受力差异和总应力损失的目的。③本案例在超荷张拉的两序法基础上，进行了一定的创新研究，发现一次张拉长度长的单元超荷值高于张拉长度短的单元；张拉顺序应从初始张拉长度短的单元开始即A→B→C 顺序。二次超张拉是为了更好地防止应力损失，且超负荷程度不宜大于工作值15%。④压力分散型锚索适用性强、锚固效果明显，加强锚索施工各个环节质量控制，使锚索作用得到充分发挥，进而保证边坡在建设运营期的持续稳定、长期安全。⑤张拉是锚索应用的关键工序,张拉前应全面检查张拉系统稳定性影响因素，安全防护措施等，关于浆体制备系统，主要需要关注计量措施，水泥和水的配制情况，测量密度的仪器等，锚墩和结构混凝土强度可以通过回弹仪进行现场检测，也可以通过试块检验确定，排除客观影响因素后，张拉试验的各项评价指标将更加真实准确，更具有现场实操的指导意义，张拉力、压力表读数关系曲线与计算公式的选用，需要按规范要求选用，其中张拉试验的准确程度是决定压力分散型锚索参数合理性的关键。