论文部分内容阅读
【摘 要】 某电厂的深基坑高边坡地质情况较为复杂，须采用预应力锚索支护措施。本文结合现场实际情况，对预应力锚索的设计和施工进行了探讨，阐述了设计和施工期间应注意的因素，介绍了提高预应力锚索施工质量的各项措施。
【关键词】 边坡；预应力锚索；试验；承载力
1、工程背景
某电厂取水泵房的基坑开挖深度达到23.8m，基坑北边坡与建筑物北侧的12m高永久边坡形成35.8m高的临时边坡。根据工程岩土勘查报告，基坑北边坡存在大量强风化状态的黑云斜长片麻岩，其岩体结构松散，岩芯多呈碎块状，部分呈土状，遇水容易崩解，机械扰动后易呈松散的砂状或泥状。基坑开挖后，强风化的片麻岩在机械扰动和地下水、地表水的影响下，易发生滑塌，并且有2条直径为5.5m的取水隧洞通过北边坡进入取水泵房，上述因素都对取水泵房基坑北边坡的稳定产生不利影响。因此，在设计文件中对基坑北边坡采取了专项加固处理措施，采用高强度预应力钢绞线锚索、锚钉和喷射混凝土面层等措施对其进行加固。
根据《建筑边坡工程积水规范》（GB50330），在工程锚索正式施工以前，必须进行锚索的基本试验，以确定锚索锚固体与岩土层间粘结强度特征值等锚索设计参数和施工工艺。其中，锚固体与岩土间粘结强度值是锚索基本试验所要获得的基本参数，它主要用来校核锚索的设计是否符合现场实际情况，直接关系着锚索对边坡作用力的大小，是锚索设计的关键参数。
2、设计情况
取水泵房北边坡在0.1m，-3.4m，-7.9m标高处设置有120根预应力锚索，锚索中心间距为3m，隧洞口处锚索间距7m。锚孔直径为130mm，深度23m，其中张拉段长度12m，锚固段长度11m；锚索由5根φ15.2的钢绞线组成，锚固体采用强度等级为30Mpa的水泥浆，内掺早强剂。一次注浆压力为0.3～0.6Mpa，二次注浆压力宜为1.5～2.0Mpa，且要求三根试验锚索的极限抗拉承载力不低于1200KN。锚索的大样见图1。
3、试验锚索的施工情况
设计文件要求在基坑边坡上一共布置有3根试验锚索，其中1#锚索位于中～强风化花岗岩中，2～3#锚索位于强风化片麻岩中。现场于2008年1月7日开始钻孔施工，2008年1月24日钻孔施工完毕，2008年1月27日对锚固段进行注浆。在2008年2月21日和22日对三根试验锚索进行极限抗拔力检测，其施工工艺可以简单概括为钻孔→清孔→验孔→安装锚索→一次灌浆→二次灌浆→养护→拉拔试验。其中锚索抗拉拔试验采用分级循环加卸荷载法，起始荷载为计划最大试验荷载的10%，加载等级与锚头位移测读间隔时间按表1确定。每级荷载施加或卸除完毕后测读变形量；在每次加、卸荷时间内测读锚头位移二次，连续二次测读的变形量小于0.01mm，即认为变形稳定，施加下一级荷载。
锚索试验中出现下列情况之一时可视为破坏，终止加载：
（1）锚头位移不收敛，锚固体从岩土层中拔出或锚杆从锚固体中拔出；
（2）锚头总位移量超过设计允许值；
（3）锚索试验中后一级荷载产生的锚头位移增量，超过上一级荷载位移增量的2倍。
试验时，1#和2#锚索满足破坏条件（3）结束试验，即后一级荷载产生的变形量超过前一级变形量的2倍；3#锚索试验荷载加至1030kN时达到最大值，锚头位移不收敛，表明锚固体与岩土层之间粘结破坏。结合锚索荷载-变形曲线，确定锚索极限承载力基本值分别为：
1#锚索：1080kN；
2#锚索：600kN；
3#锚索：960kN。
由于3根锚索的极限承载力值的最大差值超过30%，按规范GB50330规定，宜增加试验数量，按95%的保证概率计算锚索的极限承载力标准值。在不增加試验数量的条件下，锚索极限承载力标准值可取为600kN。
4、试验数据和施工工艺分析
由于试验锚索数据离散性过大，且远低于设计值，且工期进度异常紧张，现场专门召开了专家评审会解决此问题。经过实地踏勘、仔细研究设计图纸和施工工艺，专家提出重新施工三根试验锚索，并提出如下针对性意见：
1）试验锚索离散性过大，个别数据偏小的主要原因是锚固体与孔壁粘结力不够及地下水较为丰沛造成的，可以通过改变施工工艺解决；
2）对于锚索的自由段建议增加套管，保证其无粘结；由于原设计无PVC套管，增加套管之后，架线环宜需扩孔。在锚固段与张拉段通长灌浆，取消原设计的止浆环；
3）钻孔遇有破碎带及渗水地段采用固壁灌浆，保证成孔的质量，一般在灌浆之后24小时之后钻孔；
4）原设计的灌浆工艺为：张拉段采用一次灌浆工艺，灌浆压力0.3～0.6MPa（常压），锚固段为二次灌浆工艺，灌浆压力为1.5～2.0MPa（高压）。改为先对孔锚固段围岩进行固结注浆后重新钻孔，再安装锚索进行注浆，对锚固段采用二次劈裂灌浆工艺，即在第一次灌浆凝结后浆体强度达5MPa时再进行二次高压劈裂灌浆，保证锚固段灌浆的密实度，提高锚固段与岩体的粘结力。
5、第二次试验锚索施工情况
1）清孔：用高压风枪对钻孔进行清理，保证孔内基本干燥的施工环境；
2）固壁灌浆和二次成孔：为保证锚固段浆体的质量，对钻孔遇有破碎带及裂隙水发育丰富地段施工时，采用对锚固段周边的孔壁进行固结注浆，保证成孔的质量。固结注浆主要针对孔内有裂隙发育及有承压水的围岩部分进行固结，待所注入浆体凝结后有一定的强度后再进行第二次成孔，第二次成孔采用直径130mm的锚索钻机钻孔，待成孔清理完毕后经验收合格后方可安装锚索并对其进行灌浆。
3）灌浆：锚索内锚固段根据设计要求，将钢绞线穿入架线环，每隔2.0m设置一个，架线环间每隔1.0m用12#铁丝把钢绞线束捆扎收紧，与架线环相间使之成为波纹状，注浆后形成枣核状。一次、二次注浆的注浆管均从架线环中穿入，二次注浆的注浆管穿过架线环后尽量靠着锚索的边部，固定牢靠后与钢绞线预应力束同时入孔。由于一次注浆灌满整个锚孔，取消原设计在张拉段与内锚固段分界处的止浆环。 锚索的内锚固段二次灌浆采用高压劈裂灌浆，使水泥浆能够挤压渗透一次注浆的水泥体和孔壁间的缝隙和岩体上的缝隙，使锚固段与孔壁紧密结合，可以较大的提高锚索承载力。二次劈裂灌浆在一次灌浆的水泥浆初凝后进行，其时间应在一次灌浆完成后的20小时左右，具體时间应以一次灌浆的浆体强度达到5MPa时进行。
6、现场实施工情况反馈及分析
1）由于边坡裂隙水异常发育，在使用高压风枪进行清孔时可以看到有水流从锚索孔中喷出，最远射程可达将近10m，持续外涌时间最长可达30分钟。在水流停止外涌后，由于锚索孔中裂隙水位下降，其它各处的裂隙水会顺着水力坡度渗透至锚索孔，此时必须马上进行固壁灌浆，否则将无法隔离开锚索孔周边的裂隙水。
2）每个孔口的固壁灌浆量差别较大，从0.48m3～0.72m3不等。现场判断为各个锚索孔的裂隙发育程度不一样，很多固壁灌浆都用来填充锚索孔的裂隙，从而保证锚索和后期的灌浆处于相对干燥的环境中。
3）约有50%的锚索孔二次灌浆后存在反浆现象，分别从相邻锚索孔的灌浆口、泄水孔和马道等地方反浆。说明一次灌浆并没有将岩土中的裂隙真正填实，二次高压劈裂灌浆对于此地质条件下的预应力锚索施工是必不可缺的。
7、第二批试验锚索情况和小结
2008年4月11日～13日，对第二批试验锚索进行了拉拔试验（试验方法同第一批）。根据试验进程，三根试验锚索在最大试验荷载1200KN时均不满足规范规定的破坏条件，因此确定三根试验锚索极限承载力基本值均为1200KN，满足设计要求。
综上所述，保证试验锚索拉拔试验承载力的关键是保证锚固体与岩土间的粘结强度。在第一批试验锚索中，由于没有采取保证锚索孔相对干燥的环境，导致锚固体长期被裂隙水浸泡，甚至可能被裂隙水冲跑，因此试验数据自然偏低。而在第二批试验锚索中，通过固壁灌浆、整个锚索孔通长一次灌浆和对锚固段的二次高压劈裂灌浆等方式，确保了锚固体与岩壁紧密结合，最大程度上避免了裂隙水对锚固体的影响，对提高锚索的承载力有着极为重要的作用。
参考文献：
【1】中华人民共和国建设部《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002
【2】中华人民共和国建设部《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001
【3】中国岩土锚固工程协会《岩土锚固工程技术》，1998
【关键词】 边坡；预应力锚索；试验；承载力
1、工程背景
某电厂取水泵房的基坑开挖深度达到23.8m，基坑北边坡与建筑物北侧的12m高永久边坡形成35.8m高的临时边坡。根据工程岩土勘查报告，基坑北边坡存在大量强风化状态的黑云斜长片麻岩，其岩体结构松散，岩芯多呈碎块状，部分呈土状，遇水容易崩解，机械扰动后易呈松散的砂状或泥状。基坑开挖后，强风化的片麻岩在机械扰动和地下水、地表水的影响下，易发生滑塌，并且有2条直径为5.5m的取水隧洞通过北边坡进入取水泵房，上述因素都对取水泵房基坑北边坡的稳定产生不利影响。因此，在设计文件中对基坑北边坡采取了专项加固处理措施，采用高强度预应力钢绞线锚索、锚钉和喷射混凝土面层等措施对其进行加固。
根据《建筑边坡工程积水规范》（GB50330），在工程锚索正式施工以前，必须进行锚索的基本试验，以确定锚索锚固体与岩土层间粘结强度特征值等锚索设计参数和施工工艺。其中，锚固体与岩土间粘结强度值是锚索基本试验所要获得的基本参数，它主要用来校核锚索的设计是否符合现场实际情况，直接关系着锚索对边坡作用力的大小，是锚索设计的关键参数。
2、设计情况
取水泵房北边坡在0.1m，-3.4m，-7.9m标高处设置有120根预应力锚索，锚索中心间距为3m，隧洞口处锚索间距7m。锚孔直径为130mm，深度23m，其中张拉段长度12m，锚固段长度11m；锚索由5根φ15.2的钢绞线组成，锚固体采用强度等级为30Mpa的水泥浆，内掺早强剂。一次注浆压力为0.3～0.6Mpa，二次注浆压力宜为1.5～2.0Mpa，且要求三根试验锚索的极限抗拉承载力不低于1200KN。锚索的大样见图1。
3、试验锚索的施工情况
设计文件要求在基坑边坡上一共布置有3根试验锚索，其中1#锚索位于中～强风化花岗岩中，2～3#锚索位于强风化片麻岩中。现场于2008年1月7日开始钻孔施工，2008年1月24日钻孔施工完毕，2008年1月27日对锚固段进行注浆。在2008年2月21日和22日对三根试验锚索进行极限抗拔力检测，其施工工艺可以简单概括为钻孔→清孔→验孔→安装锚索→一次灌浆→二次灌浆→养护→拉拔试验。其中锚索抗拉拔试验采用分级循环加卸荷载法，起始荷载为计划最大试验荷载的10%，加载等级与锚头位移测读间隔时间按表1确定。每级荷载施加或卸除完毕后测读变形量；在每次加、卸荷时间内测读锚头位移二次，连续二次测读的变形量小于0.01mm，即认为变形稳定，施加下一级荷载。
锚索试验中出现下列情况之一时可视为破坏，终止加载：
（1）锚头位移不收敛，锚固体从岩土层中拔出或锚杆从锚固体中拔出；
（2）锚头总位移量超过设计允许值；
（3）锚索试验中后一级荷载产生的锚头位移增量，超过上一级荷载位移增量的2倍。
试验时，1#和2#锚索满足破坏条件（3）结束试验，即后一级荷载产生的变形量超过前一级变形量的2倍；3#锚索试验荷载加至1030kN时达到最大值，锚头位移不收敛，表明锚固体与岩土层之间粘结破坏。结合锚索荷载-变形曲线，确定锚索极限承载力基本值分别为：
1#锚索：1080kN；
2#锚索：600kN；
3#锚索：960kN。
由于3根锚索的极限承载力值的最大差值超过30%，按规范GB50330规定，宜增加试验数量，按95%的保证概率计算锚索的极限承载力标准值。在不增加試验数量的条件下，锚索极限承载力标准值可取为600kN。
4、试验数据和施工工艺分析
由于试验锚索数据离散性过大，且远低于设计值，且工期进度异常紧张，现场专门召开了专家评审会解决此问题。经过实地踏勘、仔细研究设计图纸和施工工艺，专家提出重新施工三根试验锚索，并提出如下针对性意见：
1）试验锚索离散性过大，个别数据偏小的主要原因是锚固体与孔壁粘结力不够及地下水较为丰沛造成的，可以通过改变施工工艺解决；
2）对于锚索的自由段建议增加套管，保证其无粘结；由于原设计无PVC套管，增加套管之后，架线环宜需扩孔。在锚固段与张拉段通长灌浆，取消原设计的止浆环；
3）钻孔遇有破碎带及渗水地段采用固壁灌浆，保证成孔的质量，一般在灌浆之后24小时之后钻孔；
4）原设计的灌浆工艺为：张拉段采用一次灌浆工艺，灌浆压力0.3～0.6MPa（常压），锚固段为二次灌浆工艺，灌浆压力为1.5～2.0MPa（高压）。改为先对孔锚固段围岩进行固结注浆后重新钻孔，再安装锚索进行注浆，对锚固段采用二次劈裂灌浆工艺，即在第一次灌浆凝结后浆体强度达5MPa时再进行二次高压劈裂灌浆，保证锚固段灌浆的密实度，提高锚固段与岩体的粘结力。
5、第二次试验锚索施工情况
1）清孔：用高压风枪对钻孔进行清理，保证孔内基本干燥的施工环境；
2）固壁灌浆和二次成孔：为保证锚固段浆体的质量，对钻孔遇有破碎带及裂隙水发育丰富地段施工时，采用对锚固段周边的孔壁进行固结注浆，保证成孔的质量。固结注浆主要针对孔内有裂隙发育及有承压水的围岩部分进行固结，待所注入浆体凝结后有一定的强度后再进行第二次成孔，第二次成孔采用直径130mm的锚索钻机钻孔，待成孔清理完毕后经验收合格后方可安装锚索并对其进行灌浆。
3）灌浆：锚索内锚固段根据设计要求，将钢绞线穿入架线环，每隔2.0m设置一个，架线环间每隔1.0m用12#铁丝把钢绞线束捆扎收紧，与架线环相间使之成为波纹状，注浆后形成枣核状。一次、二次注浆的注浆管均从架线环中穿入，二次注浆的注浆管穿过架线环后尽量靠着锚索的边部，固定牢靠后与钢绞线预应力束同时入孔。由于一次注浆灌满整个锚孔，取消原设计在张拉段与内锚固段分界处的止浆环。 锚索的内锚固段二次灌浆采用高压劈裂灌浆，使水泥浆能够挤压渗透一次注浆的水泥体和孔壁间的缝隙和岩体上的缝隙，使锚固段与孔壁紧密结合，可以较大的提高锚索承载力。二次劈裂灌浆在一次灌浆的水泥浆初凝后进行，其时间应在一次灌浆完成后的20小时左右，具體时间应以一次灌浆的浆体强度达到5MPa时进行。
6、现场实施工情况反馈及分析
1）由于边坡裂隙水异常发育，在使用高压风枪进行清孔时可以看到有水流从锚索孔中喷出，最远射程可达将近10m，持续外涌时间最长可达30分钟。在水流停止外涌后，由于锚索孔中裂隙水位下降，其它各处的裂隙水会顺着水力坡度渗透至锚索孔，此时必须马上进行固壁灌浆，否则将无法隔离开锚索孔周边的裂隙水。
2）每个孔口的固壁灌浆量差别较大，从0.48m3～0.72m3不等。现场判断为各个锚索孔的裂隙发育程度不一样，很多固壁灌浆都用来填充锚索孔的裂隙，从而保证锚索和后期的灌浆处于相对干燥的环境中。
3）约有50%的锚索孔二次灌浆后存在反浆现象，分别从相邻锚索孔的灌浆口、泄水孔和马道等地方反浆。说明一次灌浆并没有将岩土中的裂隙真正填实，二次高压劈裂灌浆对于此地质条件下的预应力锚索施工是必不可缺的。
7、第二批试验锚索情况和小结
2008年4月11日～13日，对第二批试验锚索进行了拉拔试验（试验方法同第一批）。根据试验进程，三根试验锚索在最大试验荷载1200KN时均不满足规范规定的破坏条件，因此确定三根试验锚索极限承载力基本值均为1200KN，满足设计要求。
综上所述，保证试验锚索拉拔试验承载力的关键是保证锚固体与岩土间的粘结强度。在第一批试验锚索中，由于没有采取保证锚索孔相对干燥的环境，导致锚固体长期被裂隙水浸泡，甚至可能被裂隙水冲跑，因此试验数据自然偏低。而在第二批试验锚索中，通过固壁灌浆、整个锚索孔通长一次灌浆和对锚固段的二次高压劈裂灌浆等方式，确保了锚固体与岩壁紧密结合，最大程度上避免了裂隙水对锚固体的影响，对提高锚索的承载力有着极为重要的作用。
参考文献：
【1】中华人民共和国建设部《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002
【2】中华人民共和国建设部《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001
【3】中国岩土锚固工程协会《岩土锚固工程技术》，1998