預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻工程病害分析及整治措施

陳 華，趙有明，張發(fā)春

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650011)

預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻是樁、錨索、擋土板、填土、樁嵌固段巖體共同作用的輕型支擋結(jié)構(gòu)體系［1－3］。由于這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且受場(chǎng)地質(zhì)條件的制約，在設(shè)計(jì)施工過程中往往處理不當(dāng)造成工程病害。工程病害的整治比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且能否對(duì)癥下藥則是病害整治成功的關(guān)鍵［4－6］。本文通過調(diào)查大量錨索樁板墻結(jié)構(gòu)的病害現(xiàn)象，提煉歸納出這種結(jié)構(gòu)物病害的特征，為預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻的設(shè)計(jì)和病害整治提供參考。

1 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻典型病害分析

預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻的主要工程病害可以分為3類，即局部破壞、連接體破壞和整體破壞［7－8］。

1.1 局部破壞

錨索樁板墻的局部破壞主要是指組成擋墻的各結(jié)構(gòu)物的變形破壞，具體可分為4種形式，即錨索破壞、樁體破壞、錨固板破壞及樁嵌固段巖體破壞。

1.1.1 錨索破壞

錨索破壞的主要形式有兩種:鋼絞線拉斷和剪斷破壞，錨固體拔出破壞。

1)鋼絞線破壞

如圖1，鋼絞線破壞一般有兩種方式:①錨索拉力大于錨索材料本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生拉斷破壞;②錨索受到與桿體垂直方向的荷載而被剪斷。破壞的部位可能在自由段也可能在錨固段。施工缺陷和設(shè)計(jì)不當(dāng)都可能造成這種病害。如在施工上，各股鋼絞線受力不均，自由端防腐措施不完善引起鋼絞線銹蝕等，設(shè)計(jì)上則可能是錨索拉力超過設(shè)計(jì)錨固力或用于以沉降為主的錯(cuò)落式邊坡病害治理，易引起鋼絞線被巖土體剪斷。

2)拔出破壞

如圖2，這種病害的原因分為兩種:①當(dāng)錨固段位于松軟巖土層時(shí)，錨固段灌漿體與鉆孔壁之間的黏結(jié)強(qiáng)度不足或巖土體剪切破壞;②鋼絞線和灌漿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度不足，鋼絞線直接從灌漿體中拔出。

圖1 錨索束體斷裂破壞Fig.1 Rupture damage of the anchor cable

圖2 拔出破壞Fig.2 Pullout damage in pre-stressed sheet-pile wall

1.1.2 樁體破壞

錨固樁的破壞主要表現(xiàn)在因樁抗彎、抗剪能力不足引起樁體開裂和樁頂位移超限。

1)樁體開裂

錨索樁的截面彎矩超過了樁自身的抗彎能力，樁易受彎破壞，在鎖口或錨索位置受到較大的剪力，引起剪切破壞，見圖3。

圖3 樁體開裂破壞Fig.3 Cracking damage of the pile

2)樁頂位移超限

圖4 樁頂位移超限Fig.4 Displacement exceeding the pile top

在填土過程中，樁的側(cè)向位移隨著填方高度的增加而增大，如果在路面結(jié)構(gòu)施工以后，樁的側(cè)向位移過大，可能引起路面開裂或樁板分離(圖4)，地表水順裂縫下滲，可導(dǎo)致路基病害發(fā)生。

1.1.3 錨固板破壞

擋土板破壞主要是由于板的抗彎、抗剪能力不足，以及板樁搭接長(zhǎng)度不夠三個(gè)原因，可引起擋土板開裂或掉落。

1.1.4 樁嵌固段巖體破壞

樁嵌固段破壞主要表現(xiàn)為樁的豎向承載力不足和樁的側(cè)向承載力不足兩種形式。當(dāng)樁的埋入段較小且樁底巖土軟弱時(shí)，可能導(dǎo)致樁下沉位移超限。可以通過樁頂沉降位移觀測(cè)發(fā)現(xiàn)這種病害。若錨固段地基側(cè)向承載力不足，導(dǎo)致樁的側(cè)向變形較大。如果是樁的側(cè)向位移超出了彈性變形的范圍則可能引起樁體開裂或擋墻整體傾倒。

1.2 連接體破壞

錨索樁板墻的連接體破壞主要是錨頭缺陷引起的。這種病害的表現(xiàn)形式和原因?yàn)殄^頭下的鋼墊板受局部承壓變形，主要原因是墊板厚度不足、強(qiáng)度不夠、套管孔徑大、墊板下混凝土壓碎、鋼墊板凹陷等。這種病害大多是施工質(zhì)量缺陷造成的。

1.3 整體破壞

錨索樁板墻的整體破壞主要是擋墻結(jié)構(gòu)沿下臥軟巖土層滑動(dòng)的整體破壞。由于勘察資料不足或設(shè)計(jì)不當(dāng)，樁板墻前部巖土體抗力不夠、錨固段過短或下部有軟弱夾層時(shí)，在地表水和地下水的作用下易導(dǎo)致樁板墻整體“坐船”，如圖5。這種病害可根據(jù)樁和邊坡的監(jiān)測(cè)資料、勘探、設(shè)計(jì)和挖孔樁的地質(zhì)編錄等資料進(jìn)行分析計(jì)算。

圖5 錨索樁板墻“坐船”效應(yīng)Fig.5 The sliding with large distance of the wall

2 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻病害整治

病害整治的關(guān)鍵是找到結(jié)構(gòu)物病害的主因，對(duì)癥下藥。根據(jù)上述錨索樁板墻病害特征，對(duì)每一種病害形式提出針對(duì)性整治措施。

2.1 錨索破壞加固

2.1.1 錨索補(bǔ)強(qiáng)加固

如果預(yù)應(yīng)力的錨固條件好，樁的性能良好，僅僅是原有錨索的錨固力不夠或者存在缺損病害，則可采用增加預(yù)應(yīng)力錨索的方法進(jìn)行加固。根據(jù)新增預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置的位置不同，可選擇在樁上或樁間增加錨索兩種加固方法，如圖6、圖7。

圖6 樁上新增預(yù)應(yīng)力錨索加固示意圖Fig.6 New anchoring cables on the pile

圖7 樁間設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索加固示意圖Fig.7 Schematic diagram of new anchoring cables between piles

2.1.2 增加樁加固

當(dāng)需要提供的支擋作用力較大，且錨索的錨固條件較差，采用增加預(yù)應(yīng)力錨索方法費(fèi)用高，或者根本不具備錨固條件時(shí)(如地層對(duì)錨索有腐蝕作用，不能恢復(fù)錨固力)，可采用增加樁的方法進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形條件、變形體的空間分布，將新加的樁設(shè)在原有預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻的中間或前部，如圖8。

圖8 增加樁的方法加固示意圖Fig.8 Schematic diagram of new piles

2.1.3 注漿加固

當(dāng)錨固條件不好，且需要提供的支擋作用力較小，或加固的面積較大時(shí)，可采用注漿措施進(jìn)行加固。注漿可以選擇在樁內(nèi)側(cè)或者樁外側(cè)的土體中，如圖9。

圖9 豎向鋼花管注漿加固示意圖Fig.9 Schematic diagram of uprightness steel tube injecting reinforce soil

2.2 樁的破壞加固

2.2.1 樁抗彎或抗剪能力加固

樁抗彎能力或抗剪能力不足導(dǎo)致的病害，根據(jù)地質(zhì)條件和病害程度主要采用以下治理方法:

1)如果樁缺損較小且有施工條件時(shí)可在樁上采用增加預(yù)應(yīng)力錨索或錨索框架的方法進(jìn)行加固，以減小樁的內(nèi)力。

2)如果在樁上出現(xiàn)裂縫和露筋等現(xiàn)象，要進(jìn)行修復(fù)處理。

3)如果是樁身混凝土的強(qiáng)度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或因受力鋼筋不夠等原因造成的缺陷，可在樁身裂縫側(cè)打鉆孔，插粗鋼筋或鋼軌并結(jié)合高壓注漿的措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

4)如果對(duì)原有的樁進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要進(jìn)行減荷加固。減荷加固主要有如下措施:當(dāng)需要提供的支擋作用力較大時(shí)，可采用新增預(yù)應(yīng)力錨索樁的方法進(jìn)行減荷加固;當(dāng)需要提供的支擋作用力較小，或加固的面積較大時(shí)，可采用豎向鋼花管注漿的方法進(jìn)行加固;當(dāng)需要提供的支擋作用力較小時(shí)，也可以采用普通預(yù)應(yīng)力鋼筋錨索框架進(jìn)行加固，如圖10。

圖10 樁頂山側(cè)采用錨索框架加固示意圖Fig.10 Schematic diagram of adding anchoring cables frame to reinforce the wall

在需原有預(yù)應(yīng)力錨索發(fā)揮作用的情況下，不宜采用被動(dòng)受力的抗滑擋墻、普通抗滑樁進(jìn)行加固。

2.2.2 樁頂位移超限加固

1)增加預(yù)應(yīng)力錨索

當(dāng)樁的位移過大時(shí)，可以通過在樁上增加預(yù)應(yīng)力錨索的方法進(jìn)行加固。

2)注漿加固

當(dāng)需要提供的支擋作用力較小，土體變形較小時(shí)，可采用注漿加固的方法，如圖11。

圖11 樁頂山側(cè)采用注漿加固示意圖Fig.11 Schematic diagram of steel tube injecting at the pile inboard

3)錨索框架加固

當(dāng)土體變形較大時(shí)，可采用錨索框架加固的方法。這種加固措施多用于路堤式錨索樁板墻加固，如圖10。

2.2.3 板的缺損病害加固

對(duì)于已出現(xiàn)變形裂縫而未發(fā)生破壞的板，可采用下面的加固方法:

1)增加排水措施，提高擋土板山側(cè)土體強(qiáng)度

對(duì)于因擋土板山側(cè)巖土體的含水量大、排水不暢，使土壓力增大導(dǎo)致?lián)跬涟宓淖冃蔚?，可采用仰斜排水孔、截排水隧洞等措施加?qiáng)排水，以提高擋土板山側(cè)土體強(qiáng)度，如圖12。

圖12 擋土板山側(cè)設(shè)仰斜排水孔Fig.12 Schematic diagram of adding drainage hole at the soil shield inboard

對(duì)擋土板山側(cè)巖土進(jìn)行注漿加固，提高巖土的強(qiáng)度，如圖13。

圖13 擋土板山側(cè)設(shè)豎向鋼花管注漿Fig.13 Schematic diagram of adding steel tube injecting at the soil shield inboard

2)樁間注漿加固

對(duì)已經(jīng)發(fā)生破壞(彎斷或剪斷)的板，可采用下面的措施:

①在樁外側(cè)掛擋土板并錨定，見圖14。

圖14 樁外側(cè)掛擋土板并錨定Fig.14 Schematic diagram of adding new soil shield on piles

②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、地形條件，也可在擋土板河側(cè)設(shè)錨桿框架、錨索框架、樁等加固措施。

2.2.4 樁嵌固段巖體病害加固

對(duì)于樁嵌固段巖體豎向承載力不足，可以采用的加固方法為:

圖15 通過樁身加固樁底示意圖Fig.15 Schematic diagram of reinforce base according to pile body

1)可采用在樁身進(jìn)行注漿的方法加固，如圖15。其方法可分為3種:①在樁身鋼筋間隙內(nèi)打垂直孔至樁底以下一定的深度，而后注漿加固;②在樁底以下采用高壓注漿技術(shù)進(jìn)行壓力注漿;③在樁底以上采用常壓注漿到孔口溢漿為止。

2)在樁底四周進(jìn)行注漿的方法加固，但這種加固方法往往造價(jià)高，謹(jǐn)慎采用。

對(duì)于樁嵌固段巖體側(cè)向承載力不足，可以采用的加固方法為:

1)當(dāng)樁的側(cè)向位移過大時(shí)，可采用增加預(yù)應(yīng)力錨索的方法限制樁的側(cè)向變形，如圖7。

2)樁嵌固段巖體側(cè)向承載力不足，也可采用注漿加固措施，以提高樁側(cè)地基的側(cè)向承載力，參考圖16的方法。

圖16 樁河側(cè)注漿提高側(cè)向承載力的示意圖Fig.16 Schematic diagram of reinforce transverse capacity through the steel tube injecting

2.3 連接破壞的加固

連接破壞主要表現(xiàn)為錨頭的破壞，錨索已完全失去作用，可采用下面的加固方法:

2.3.1 采用增加預(yù)應(yīng)力錨索的方法進(jìn)行加固

如果錨索的錨固條件好，可采用新增預(yù)應(yīng)力錨索的加固措施，參照?qǐng)D7。

2.3.2 采用增加錨索樁進(jìn)行加固

當(dāng)需要提供的支擋作用力較大時(shí)，可采用增加樁的方法進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形條件、變形體的空間分布，將新加的樁設(shè)在原有預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻的中間或前部。

2.3.3 采用其他方法進(jìn)行加固

在需要提供的支擋作用力較小時(shí)，也可以采用注漿或普通預(yù)應(yīng)力鋼筋錨桿框架進(jìn)行加固。

2.4 整體破壞加固

1)對(duì)于坡體已完全破壞、滑坡推力較大的工程，可采用新設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻的方法進(jìn)行加固。如果新設(shè)樁板墻山側(cè)坡體松散，可結(jié)合采用注漿加固。新增樁體及錨固體均應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定地層。

2)對(duì)于推測(cè)可能發(fā)生整體破壞的樁板墻，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料、勘探資料、原設(shè)計(jì)資料和樁基施工資料，推測(cè)該樁板墻有整體破壞可能的工點(diǎn)，可在樁前或樁間增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索樁加固，新增錨索樁要進(jìn)入穩(wěn)定地層。

3 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻病害類型主要有局部破壞、連接體破壞、整體破壞3種類型。局部破壞是最常見的破壞形式，可進(jìn)一步分為錨索破壞、樁破壞、板破壞、嵌固段巖體破壞;連接體破壞主要是錨頭缺陷破壞，整體破壞表現(xiàn)為沿樁底下臥軟弱層的整體滑動(dòng)。病害整治措施總體上可分為直接加固和減荷加固兩種方式。采用在結(jié)構(gòu)上增加樁、錨索或在樁外側(cè)注漿以提高結(jié)構(gòu)抗力的方法是直接加固方式;而采用在樁體內(nèi)側(cè)注漿、增加錨索框架(多用于路堤式錨索樁板墻)或增加排水孔以減小填土作用于結(jié)構(gòu)上的力的方法屬于減荷加固方式。具體采用哪一種加固措施，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物病害特征選擇最優(yōu)最省的加固措施。

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