錨索技術(shù)在邊坡治理中的實(shí)踐范文

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《廣西城鎮(zhèn)建設(shè)雜志》2014年第四期

1擴(kuò)孔錨索方案論證

1.1擴(kuò)孔錨索的分類按照錨固段形態(tài)大致可分為：①擴(kuò)大頭錨索，僅對錨索端部有限范圍內(nèi)的孔徑進(jìn)行擴(kuò)大；②分段擴(kuò)孔錨索，將錨固段分成若干段，按一定間隔分段擴(kuò)孔；③整段擴(kuò)孔錨索，對整個錨固段進(jìn)行擴(kuò)孔；④等徑擴(kuò)孔錨索，錨固段擴(kuò)孔直徑基本同徑；⑤異徑擴(kuò)孔錨索，分段按不同直徑擴(kuò)孔。按成孔原理大致可分為：①爆炸擴(kuò)孔，在鉆孔底端裝上炸藥，引爆后把孔端炸擴(kuò)成擴(kuò)大頭；②機(jī)械擴(kuò)孔，采用擴(kuò)孔鉆頭切削土體或軟巖使孔徑擴(kuò)大；③水力擴(kuò)孔，采用高壓旋噴技術(shù)擴(kuò)大孔徑形成擴(kuò)大頭或擴(kuò)大徑；④壓漿擴(kuò)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(kuò)大孔徑。

1.2機(jī)械擴(kuò)孔錨索方案技術(shù)論證該工程邊坡治理措施為采用錨索抗滑樁板墻，其中關(guān)鍵工序之一為錨索。錨索的設(shè)計與成功施工是邊坡治理必不可少的重要環(huán)節(jié)。錨索設(shè)計所需錨固力較大，而穩(wěn)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(tài)較好的黏性土作為錨固地層，可大大節(jié)約工作量，并在有限錨固段長度范圍內(nèi)獲得較大錨固力，滿足錨索設(shè)計所需錨固力較大的要求，從而大大節(jié)約工作量和造價。實(shí)際錨索設(shè)計與施工在全錨固段長度范圍內(nèi)為全錨固段等徑擴(kuò)孔錨索。施工工藝因地制宜，采用機(jī)械擴(kuò)孔二次注漿錨索技術(shù)。

2擴(kuò)孔錨索的力學(xué)機(jī)理

擴(kuò)孔錨索主要運(yùn)用于土層和有條件的軟巖。擴(kuò)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(shí)質(zhì)是依靠錨固體周圍巖土介質(zhì)的抗剪強(qiáng)度發(fā)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(kuò)孔錨索的承載力由介質(zhì)的抗剪強(qiáng)度決定。

2.1土體的抗剪強(qiáng)度土是一種彈塑性變形材料，其應(yīng)力、變形、屈服與破壞關(guān)系較復(fù)雜。按照庫侖定律，抗剪強(qiáng)度與剪切面上的法向應(yīng)力成正比，其物理本質(zhì)是土顆粒間相互滑動摩擦及鑲嵌作用產(chǎn)生的阻力，大小由土顆粒的大小、表面粗糙度和密實(shí)度等決定。黏性土的抗剪強(qiáng)度由兩部分組成：一部分是摩擦力，與法向應(yīng)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(jié)形成。庫侖定律對土體的抗剪強(qiáng)度描述為：土體發(fā)生剪切破壞時，將沿著其內(nèi)部某一曲面（滑動面）產(chǎn)生相對滑動，而該滑動面上的切應(yīng)力就等于土的抗剪強(qiáng)度。無黏性土的抗剪強(qiáng)度為τf=σ•tgφ，黏性土的抗前強(qiáng)度為τf=σ•tgφ+c，式中，τf為抗剪強(qiáng)度；σ為剪切滑動面上的法向應(yīng)力；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。摩爾-庫倫強(qiáng)度理論，即在應(yīng)力的作用下，土的破壞屬于剪切破壞，并沿一定的剪切面產(chǎn)生剪切。當(dāng)沿該剪切面上的剪應(yīng)力增大到極限值時，該單元土體就沿該剪切面發(fā)生剪切破壞。在摩爾極限平衡應(yīng)力圓中，土單元體剪切破壞的發(fā)生，取決于作用于剪切破壞面上法向應(yīng)力與土作用所產(chǎn)生的剪阻力，而不決定于施加的剪應(yīng)力。根據(jù)剪應(yīng)力是否達(dá)到抗剪強(qiáng)度τ=τf作為破壞標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力表示，這就是摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，也稱土的極限平衡條件。

2.2擴(kuò)孔錨桿的力學(xué)機(jī)理錨桿的拉力最終表現(xiàn)為對錨固體周圍介質(zhì)產(chǎn)生的剪應(yīng)力，由介質(zhì)的剪阻力抵抗剪應(yīng)力。擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)度。當(dāng)受力超過極限平衡狀態(tài)，土體發(fā)生剪切破壞時，錨桿承載力也就隨之喪失。由強(qiáng)度理論分析可知，一般已知σ1=γh及實(shí)測內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c，依據(jù)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(yīng)力φ及抗剪強(qiáng)度τ。土體作為錨固體的介質(zhì)，對其強(qiáng)度水平的認(rèn)識是至關(guān)重要的。

2.3擴(kuò)孔錨桿受力分析一般認(rèn)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(cè)壁受摩阻力，擴(kuò)大端不受力或受力較小，擴(kuò)大頭端阻力為彈性土壓力。此時錨桿力學(xué)性能由錨固段摩阻力決定。相當(dāng)于靜止土壓力階段。第二階段：過渡階段。當(dāng)錨桿受力超過摩阻力峰值，側(cè)阻力達(dá)到極限時，錨固體開始位移，擴(kuò)大端部阻力逐漸增大，擴(kuò)大端前土體受壓，形成局部塑性區(qū)。此時錨桿力學(xué)性能由擴(kuò)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(diǎn)，擴(kuò)大端處位移處于彈性階段，壓縮區(qū)土體強(qiáng)度由摩爾圓控制。第三階段：塑性區(qū)階段。當(dāng)錨桿受力繼續(xù)增大時，錨桿向前發(fā)生較大位移，塑性區(qū)的土體不斷被壓密，擴(kuò)大端部阻力隨之增加，錨桿位移趨于穩(wěn)定。錨固力得到提高的同時，土體塑性范圍擴(kuò)大并連通，結(jié)束彈性階段開始進(jìn)入塑性階段。當(dāng)錨桿受力繼續(xù)加大，在土體中產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度（τ=τf）時，土的極限平衡形成，土體可能產(chǎn)生剪切破壞，錨固力隨之衰減乃至喪失。

2.4擴(kuò)孔錨索抗拔力計算在理論研究與工程時間的基礎(chǔ)上，現(xiàn)行多種計算方法如下該工程根據(jù)具體情況，采用基于邊坡規(guī)范的錨桿抗拔力計算公式④進(jìn)行錨固力計算，設(shè)計錨固力為600kN。

3擴(kuò)孔二次注漿施工工藝

該工程錨索實(shí)施，整個全錨固段長度范圍，錨索設(shè)計與施工為全錨固段等徑擴(kuò)孔錨索，錨固段孔徑400mm，二次注漿，設(shè)計錨固力為600kN。錨固力計算采用基于邊坡規(guī)范的錨桿抗拔力計算公式進(jìn)行。代表性支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。成孔設(shè)備采用江蘇金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的擴(kuò)孔錨索鉆機(jī)，先以常規(guī)孔徑成孔至將近設(shè)計孔深，之后采用擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)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(jìn)行準(zhǔn)確放樣，將所要鉆孔的樁位用紅油漆畫圓涂勻，使鉆孔時標(biāo)志醒目，又不易損毀。②鉆機(jī)就位：錨桿樁施工的第一道工序就是將鉆機(jī)安置在測設(shè)的樁位上，使鉆頭對準(zhǔn)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(fā)生塌孔事故，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、設(shè)計要求、現(xiàn)場情況等，選擇合適的成孔方法和相應(yīng)的鉆孔機(jī)具。該工程采用成孔機(jī)械為旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)。靠鉆具旋轉(zhuǎn)切削鉆進(jìn)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(kuò)孔：成孔的錨固段進(jìn)行局部擴(kuò)孔，采用機(jī)械擴(kuò)孔。提出鉆桿，將鉆頭換成擴(kuò)孔器，在擴(kuò)孔器不擴(kuò)張狀態(tài)下，將其置于錨桿孔底部，并在鉆桿或機(jī)架上標(biāo)記錨桿孔深度線；啟動鉆機(jī)帶動擴(kuò)孔器旋轉(zhuǎn)，同時給鉆機(jī)逐漸向下加壓，使擴(kuò)孔器旋轉(zhuǎn)并向外擴(kuò)張切削巖土，錨桿孔底部擴(kuò)大為設(shè)計孔徑；錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)時應(yīng)避免鉆機(jī)的劇烈振動，跳動及鉆桿擺動，確保勻速鉆進(jìn)。注意成孔深度是否滿足設(shè)計要求，可適當(dāng)增加孔深，但不宜超過設(shè)計深度的1%。⑤水洗：在擴(kuò)孔同時，鉆機(jī)供水系統(tǒng)給水，沖洗切削物和清洗孔壁，觀察水中切削物含量，當(dāng)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(guān)鍵部件，采用強(qiáng)度高、延伸率大、疲勞強(qiáng)度高、穩(wěn)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(diǎn)每2m一個。非錨固端預(yù)留20cm～40cm以方便注漿。為防止土壤對錨桿的腐蝕，錨桿應(yīng)進(jìn)行防腐處理，或用抗腐蝕的特殊鋼制作錨桿。錨桿成孔后，應(yīng)立即將加工好的鋼絞線束放到鉆孔內(nèi)。安放鋼絞線時，應(yīng)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(huán)，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(nèi)摻0.7%的FDN-2外加劑。首先提出擴(kuò)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(dá)到設(shè)計長度，并在漿液終凝前拔出注漿管；漿液的配制強(qiáng)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(jìn)行注漿，漿液采用水灰比為0.5的純水泥漿，內(nèi)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(huán)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(kuò)大體。連續(xù)提升注漿管至環(huán)狀出漿口處，重復(fù)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(jìn)行施工效果檢驗，結(jié)果作為進(jìn)一步全面施工錨索基本參數(shù)的依據(jù)。錨索基本試驗的檢查和驗收，經(jīng)過各方的研究，最后要求為兩個方面：①錨索錨固段即擴(kuò)孔段漿柱體的實(shí)體外形檢查。經(jīng)開挖檢驗，擴(kuò)孔段漿柱體實(shí)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(qiáng)度，也提高了錨固能力，直徑數(shù)據(jù)最小為430mm、435mm，均在400mm以上，滿足設(shè)計要求。②實(shí)際錨固力的試驗檢查。檢驗的實(shí)際錨固力，試驗數(shù)據(jù)為900kN、920kN后不再加荷載，均滿足設(shè)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(guī)范要求進(jìn)行，抽取總量的5%進(jìn)行驗收試驗。試驗加荷載按照設(shè)計錨固力600kN的25%、50%、75%、100%、120%、150%依次進(jìn)行。正式加荷載前按照設(shè)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(shù)據(jù)準(zhǔn)確。擴(kuò)孔段漿柱體直徑數(shù)據(jù)和錨索基本試驗及驗收工程錨張拉表明，實(shí)際錨固力均大于設(shè)計錨固力600kN以上，均滿足設(shè)計的要求。該工程已建成使用5年，邊坡運(yùn)行效果良好。機(jī)械擴(kuò)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(yōu)點(diǎn)，在該項目上是成功的。

5結(jié)語

通過該項目實(shí)踐，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）機(jī)械擴(kuò)孔二次注漿錨索工藝治理邊坡，采用基于邊坡規(guī)范的錨桿抗拔力計算公式，抗拔力有保障。（2）基于強(qiáng)度理論提出的擴(kuò)孔錨索設(shè)計錨固力的幾種計算方法，具體采用需視實(shí)際情況考慮理論值與實(shí)際更接近。（3）土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)十分重要，需實(shí)測與實(shí)踐經(jīng)驗相結(jié)合。（4）擴(kuò)孔錨索的破壞機(jī)理在理論上是清晰的，但極限平衡狀態(tài)下，隨著拉力增加，孔壁和擴(kuò)大端部土體誰先破壞尚需進(jìn)一步實(shí)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(zhì)特性及錨索的使用年限問題，安全系數(shù)宜取大一些。擴(kuò)孔錨索在土體及軟巖錨固中作為錨桿的新技術(shù)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(shè)公司桂南分公司副主任工程師