新型快速錨固錨索的研發(fā)及應用

和曙泉，徐國民

（西南有色昆明勘測設計〈院〉股份有限公司，云南昆明 650051）

新型快速錨固錨索的研發(fā)及應用

和曙泉，徐國民

（西南有色昆明勘測設計〈院〉股份有限公司，云南昆明 650051）

介紹了直立高填方區(qū)邊坡治理工程中應用的一種新型的快速錨固技術——預應力混凝土管水平向快速錨固錨索的研發(fā)過程，闡述了其力學原理及其構造、特性，并結合工程實例，介紹了新型快速錨固錨索的實施過程及技術要點。

高填方;邊坡治理;新型錨索;快速錨固;預應力混凝土管

0 引言

在廣大山區(qū)，建設用地緊張這一矛盾日益凸顯，利用荒山、坡地進行工程建設成為緩解用地矛盾的一種選擇。山地工程建設中，常常會涉及挖方邊坡和填方邊坡的治理問題，經過若干年的工程實踐，人們探索和總結出了多種行之有效的邊坡治理方法，但在特殊情況下，也會出現(xiàn)現(xiàn)有方法不能滿足特殊需求的情況。

邊坡治理工程設計與工程實施中，常常會遇到一些特殊情況，這些特殊問題的解決，常常需要一些特別的工程技術手段。因此，解決問題過程的本身就意味著必須去思考一種新型的工藝技術方法。非常規(guī)手段往往又是不成熟的，或者是沒有類似經驗可以借鑒，但其在理論上又是成立的或者是可以詮釋的。

本文所涉及的項目中，采用了抗滑樁板墻與新型快速錨固技術的組合，以解決直立高填方邊坡的快速治理問題，其中，抗滑樁板墻是成熟可靠的工藝技術，快速錨固技術則是國內外尚無先例的、需要本項目解決的關鍵技術問題。

1 研發(fā)背景及技術思路

1.1 研發(fā)背景

在較大范圍的高填方區(qū)，常常會遇到這樣的情況:一是用地緊張，沒有分臺放坡填筑的條件，需直立或近乎直立填土;二是填方高度大，邊坡安全等級高，對支護結構要求高，擋墻等常用支擋方法滿足不了填方邊坡穩(wěn)定要求，需實施錨固支護結構;三是填土范圍較寬，不具備使錨索錨入填土后側穩(wěn)定地層的條件;四是工期緊，實施常規(guī)錨索無法滿足工期要求。

在上述情況下，對錨索性能提出了如下要求:（1）錨索起始工作時間必須與填土施工同步，快速張拉鎖定，即作即用;（2）錨固段需置于填土中，且需提供較大噸位的錨固力;（3）錨索在填土中是近水平向分布的。

在這樣的背景條件下，常規(guī)錨索不能滿足上述需求，因此需要考慮一種新型錨索，以滿足錨固力、施工速度等方面的要求。

1.2 技術思路

根據以上情況，筆者構思出了一種能實現(xiàn)快速錨固的新型錨索。即預應力鋼筋混凝土管式荷載轉換分散型錨索，這種錨索完全位于填土中，利用生產周期很短的預應力鋼筋混凝土管作為錨固段，制作成壓力型錨索，埋入填土層中即可張拉鎖定，實現(xiàn)快速錨固。荷載分散型錨索有壓力分散型和拉力分散型兩種，所謂荷載轉換分散型錨索就是壓力分散型轉換為拉力分散型的荷載分散型錨索。

2 快速錨固錨索的工作原理及結構構造

通常意義上講，錨索（錨桿）是通過外端固定于坡面，另一端錨固在滑動面以內的穩(wěn)定巖土體中，穿過邊坡滑動面的預應力鋼絞線（鋼筋），直接在滑面上產生抗滑阻力，增大抗滑摩擦阻力，使不利結構面處于壓緊狀態(tài)，以提高邊坡巖土體的整體性，從而從根本上改善邊坡的力學狀態(tài)，有效地控制巖土體的變形和位移，達到使邊坡穩(wěn)定的目的，簡言之，就是利用抗拔力所發(fā)揮出的作用來抵抗滑坡（邊坡）下滑力，屬于主動防護體系?？焖馘^固錨索的工作原理和一般錨索大致相同。

快速錨索由鋼絞線、錨頭、自由段鋼套管、預應力鋼筋混凝土管、承壓板、基槽及填筑混凝土、灌注水泥漿硬化體等組成，如圖1所示。

圖1 快速錨固錨索構造示意圖

3 快速錨固錨索的制作方法

常規(guī)錨索的工藝流程是:鉆孔→錨索制作與錨索安裝→錨固孔注漿→錨墩制作→錨索張拉鎖定→封孔注漿及外部保護。

快速錨固錨索的工藝流程是:填土至第一排錨索設計標高→開挖基槽→安裝錨索結構→繼續(xù)填土至下一設計控制標高→張拉鎖定→注漿→補漿→封錨→填土至下一排錨索制作標高→循環(huán)施工下一排錨索。

4 快速錨固錨索的理論支撐

4.1 理論支撐

（1）土力學理論:邊坡穩(wěn)定性分析計算采用常用的土力學理論計算模型，很容易計算。

（2）支護結構力學計算:樁錨支護體系、錨固體系等已有成熟的理論計算模型，結構內力、錨固力、整體穩(wěn)定性等容易計算。

（3）錨固段可靠性:通過邊坡力學分析，可以將錨固段設置于危險滑移（破裂）面以外的穩(wěn)定的填土區(qū)域，理論上是可行的。

4.2 錨索抗拔力計算

可以采用如下幾種方法進行計算，并對比選擇符合實際者。

4.2.1 摩擦力法

將錨固段視為一段樁體，按《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-2008）計算樁的抗拔極限承載力標準值，并將其看作是錨索抗拔力:

式中:Uk——抗拔極限承載力標準值;ui——破壞表面周長，對于等徑圓形截面u=πd;qsik——第i層土體的抗壓極限側阻力標準值;λi——抗拔系數。

4.2.2 粘結強度法

據《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330-2002），按照地層與錨固體粘結強度特征值計算錨桿軸向拉力標準值和設計值:

式中:Nak——錨桿軸向拉力標準值;ξ1——錨固體與地層粘結工作條件系數，永久性錨桿取1.0;D——錨固體直徑;la——錨固段長度;frb——地層與錨固體粘結強度特征值;Na——錨桿軸向拉力設計值;rQ——荷載分項系數，可取1.3。

4.2.3 抗剪強度法

林宗元提出的計算公式，即按照土的物理力學性質及埋桿埋深與注漿工藝等計算錨桿軸向抗拉力:

式中:P——錨桿設計拉力;D——錨固段直徑;Lm——錨固段總長度;γ——錨固段上覆土體的平均重度;h——錨固段中點埋深;kc——土壓力系數，一次注漿 kc=0.5，二次注漿 kc=1.0;φ、c——錨固區(qū)土體的內摩擦角和粘聚力。

或者按照土層的抗剪強度計算錨桿的極限抗拔力:

式中:Tu——極限抗拔力;Le——錨固段長度;τ——錨固段土體的抗剪強度;k0——錨固段孔壁的土壓力系數，一般取1.0。

4.2.4 《巖土錨桿（索）技術規(guī)程》（CECS 22:2005）法

按下式計算錨固力設計值:

式中:Nt——錨桿或單元錨桿的軸向拉力設計值;D——錨桿錨固段的鉆孔直徑;La——錨桿錨固段長度;fmg——錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值;Ψ——錨固長度對粘結強度的影響系數;K——錨桿錨固體的抗拔系數。

對于壓力分散型錨桿錨固段注漿體的承壓面積按下式驗算:

式中:Kp——單元錨桿錨固段注漿體的局部抗壓安全系數，取2.0;Nt——單元錨桿的軸向拉力設計值;Ap——單元錨桿承載體與錨固段注漿體橫截面的凈接觸面積，即毛受壓面積扣除孔道面積;Am——錨固段注漿體的橫截面面積;η——有側限錨固段注漿體的強度增大系數，由試驗確定;fc——錨固段注漿體的軸心抗壓強度標準值。

5 快速錨固錨索的技術要點

（1）注漿問題:必須采取特殊手段（注漿管、排氣管、封堵等），使預應力混凝土管內的水泥漿充填飽滿。

（2）防腐問題:包括承壓板、自由段、錨頭等必須做好防腐措施。

（3）應力損失問題:必須確保錨固段和自由段在一條直線上，張拉鎖定最好在錨固段溝槽回填水泥砂漿初凝后進行。

（4）承壓板的強度、預應力混凝土管的強度必須滿足應力計算要求，承壓板上的鎖定裝置必須牢靠。

（5）前、后錨固段的連接部位應有措施，確保從底部返回的漿液和空氣暢通進入到前端。

（6）嚴格控制填土質量，確保填土的抗剪強度，控制填土變形和不均勻變形，防止因填土變形給錨索帶來的損傷和應力損失。

（7）在錨索構造上，需采取技術措施，使之在快速張拉鎖定后，通過注漿由壓力分散型錨索轉換成拉力分散型錨索。

6 快速錨固錨索的優(yōu)點與應用前景

6.1 優(yōu)點

（1）工期很短。一根常規(guī)錨索從開始到張拉鎖定封錨需要一個月左右的時間，而這種新型錨索可以即做即用，安裝完成后，有一定厚度上覆填土即可張拉鎖定，從制作安裝到鎖定封錨只要3天左右時間，可以大大縮短工期。

（2）這種錨索操作直觀、簡單，全部在肉眼可控的地面完成操作。作為錨固段使用的預應力混凝土管（PHC）可以在預制管廠定制且從生產到投入使用周期很短，從開挖溝槽、預應力混凝土管吊裝、管周水泥砂漿充填、承壓板及拉筋安裝、注漿設施安裝到張拉鎖定等工藝操作都很便捷。

（3）可以實現(xiàn)大噸位錨固力的需求。錨固體直徑及錨固段長度可以根據需要靈活掌握，就錨固段直徑而言，可以做到常規(guī)工藝所不及的大直徑，也很容易制作多段錨的荷載分散型錨索。

（4）可以讓錨固段置于填土區(qū)域，不必將錨固段設置于填土后的良好地層中，大大減少了自由段長度，從而可以在大面積填方中使用錨索。

（5）這種錨索提供的錨固力大，從而使大面積直立高填方邊坡的治理及其穩(wěn)定性要求容易滿足，滿足了建設用地的需求。

6.2 應用前景

基于以上特點，快速錨固錨索為直立高填方邊坡治理提供了一種新型、實用的快速錨固方法，在工期緊、用地緊、填方面積大、填方高度大、設計錨固力大的直立邊坡、特別是需要快速錨固的高填方邊坡中具有應用優(yōu)勢。

7 快速錨固錨索的工程應用

7.1 工程應用之一

7.1.1 工程概況及場地條件（見圖2）

圖2 工程場地圖片

某水泥廠工程建設于由斜坡經挖填整平而成的臺階狀場地上，其中電力設施——總降系統(tǒng)位于1766 m建筑平臺上，其下為1744 m建筑平臺。總降系統(tǒng)前沿邊坡所在地段填土前斜坡原始標高為1740 m左右。

斜坡場地原始坡度10°～25°不等，1744平臺至1766平臺間高差22 m。1766平臺西段邊坡全由填方組成，累計填土厚度最大達26 m。由于用地原因，填方邊坡以直立坡為主。填土料為來自挖方區(qū)的全～強風化玄武巖、石灰?guī)r碎塊石及其殘、坡積土。

7.1.2 原設計與工期

最先擬采用斜錨式錨索樁板墻，但要錨固到穩(wěn)固地層中難以實現(xiàn)，故原設計采用的支護結構形式為墩式錨拉樁板墻;由于樁板墻后為大范圍的厚大填土，要采用斜錨將錨索置于穩(wěn)定地層中的難度較大，故原設計采用了墩式水平拉錨，將錨墩置于穩(wěn)定區(qū)域的填土中，利用填土的強度提供錨固力（見圖3）。

支擋樁施工完成后，由于總降系統(tǒng)建設工期要提前完成，建設方要求22 m高的場地填方必須在一個月左右時間以內完成。如是，僅4排拉錨之錨墩齡期一項就不可能滿足工期要求（需4個月左右），因此，必須想出一種即做即用不誤填土施工、滿足工期和錨固力要求的快速錨固方法。

7.1.3 設計變更

圖3 填方區(qū)水平墩式錨拉抗滑樁板墻支護剖面

預應力混凝土管可廠內快速生產，從生產到使用只需3～5天時間。將錨索用承載板與預應力混凝土管連接在一起制作成錨固系統(tǒng)埋在壓實填土中，即可成為壓力型錨索，這種錨索結構施工安裝方便快捷，可以實現(xiàn)快速鎖定，幾乎不影響填土施工速度?；谏鲜鏊伎迹瑳Q定將原設計的墩式拉錨改為預應力混凝土管式錨索，待填土填到設計標高時進行錨索安裝。

7.1.4 新型錨索的構造

本工程原設計錨墩抗力為750 kN，經計算，改為預制管錨索后，若采用50 mm預應力混凝土管替代原錨固體，錨固段長度需要20 m，可用兩節(jié)10 m長的預制管制作成壓力分散型錨索（見圖4）。

圖4 填方區(qū)新型錨索抗滑樁板墻支護剖面

錨固段設于經計算的最危險潛在滑移面之后1.5 m之外，鋼鉸線自管內穿過，兩個承載板分別與兩節(jié)預制管的尾部相連。為便于填土碾壓，自由段設鋼管外套并預置注漿管。為便于注漿及防腐，承載板及預制管端頭均用快速凝結混凝土封包。

之所以先做成壓力分散型錨索，是為了解決工期問題，即先安裝好預制管錨索，當填土填到下一排錨索安裝標高時即可鎖定本排錨索。在完成壓力分散型錨索的鎖定后，通過預置注漿管注漿，注漿后便可形成對土層適應性更好的拉力分散型錨索，也使錨索的防腐更可靠。為了便于漿液充填飽滿，錨索安裝時，做成內傾3°～5°的傾角。

7.1.5 錨固力的計算

采用不同方法計算所得錨固力如表1所示。

表1 錨固力計算結果

7.1.6 預制管錨索抗拔力的取舍

從計算結果可以看出，采用樁的極限抗拔力計算所得的值最小，而采用粘結強度和抗剪強度計算所得的錨固力要大一些。

根據預制管預應力錨索的實際工作情況，認為采用以抗剪強度計算所得的錨固力作為抗拔力設計值是有一定可靠度的。本工程錨固力設計計算取Ψ=12°，c=15 kPa，有可以借鑒的經驗數據為依據。本工程取錨索拉力設計值為750 kN。

7.1.7 內錨段的基本受力狀態(tài)的轉換

本工程對錨索的要求是即做即用，沒有注漿凝結的時間，根據錨索通過傳力板與預制管連接后即可受力的特性，將錨索做成壓力型，即內錨段的基本受力形式為壓力型。

根據計算，提供設計錨固力的錨固段總長度需要20 m，根據相關規(guī)定，將錨固段分為10 m長的兩段形成壓力分散型錨索。

最初形成的壓力分散型錨索的內錨段是無粘結式的，通常認為，粘結式內錨段工作可靠、耐久性好，因此，在安裝錨索時，將錨索按拉力分散型錨索預置，待錨索處于工作狀態(tài)后進行注漿，這樣，壓力分散型錨索就轉為拉力分散型錨索。

7.1.8 工程實施

7.1.8.1 工藝流程

分層填土至設計標高→開挖溝槽→鋪墊C20水泥砂漿→安裝預制管→安裝錨索及注漿系統(tǒng)→管周充填C20水泥砂漿→分層填土至一定高度張拉鎖定→錨索注漿及封錨頭等→分層填土至下一設計標高并重復以上步驟實施下一排錨索。

7.1.8.2 實施效果

本工程采用了4排即做即用型水平向預制管預應力錨索，實現(xiàn)了錨索的快速工作，經過張拉，錨固力均超過設計要求，22 m的高填方，總工期用了35天，達到了預期目的。經張拉，錨索承載力全部滿足設計要求。

7.1.9 需要注意的幾個問題

（1）壓實度與錨固力。一般情況下，對于作為地基土使用的壓實填土，根據擬建場地的特性不同，壓實系數的要求不同，但一般要求其壓實系數≥0.94，以使填土達到足夠的強度，確保填土層中錨索的錨固力，同時防止填土變形給錨索造成的損傷。

（2）錨索注漿與防腐。注漿的效果影響錨固力與防腐，因此注漿也是錨固工程至關重要的環(huán)節(jié)。設計為3°左右傾斜并設排氣管。此外，錨索底部、兩節(jié)管樁接頭部位、錨固段與自由段交替部位、錨索與擋土樁的銜接部位，必須采取輔助措施，確保不漏漿和最終使鋼鉸線都在漿體的握裹之中。

7.2 工程實例二

某水泥廠工程堆場平臺建于大面積的直立高填方區(qū)，該處原始地形為一沖溝，填方高度22 m，填方后的坡面形態(tài)與圖5相似，采用錨索樁板墻支護。本工程錨索同樣采用新型快速錨固錨索，錨索設計錨固力為750 kN，如圖6所示。

通過工程實例一的錨索實施，取得了成功經驗，為了提高效率，節(jié)約材料和成本，本工程的設計與實施中，對錨索進行了改進，主要是錨固段長度由工程實例一的20 m改為10 m，而埋設預應力混凝土管的管溝截面由工程實例一的高×寬=70 cm×60 cm改為90 cm×80 cm，管周用C25砼充填。其施工方法與工程實例一相同。

圖5 填方后的坡面形態(tài)

圖6 錨索抗滑樁板墻支護示意

改進理由是:預制管和水泥砂漿之間的握裹力是沒有問題的，充分發(fā)揮管周砼和填土之間的粘結強度（抗剪強度）就能得到需要的錨固力。

經工程實施與張拉結果表明，改進型快速錨索的錨固力滿足設計要求。

8 結語

（1）預制預應力管錨索這種新型的錨索結構可以解決大范圍的厚大、直立高填方邊坡的抗滑樁板墻的快速錨固問題，可以實現(xiàn)常規(guī)錨索無法實現(xiàn)的錨固問題。

（2）預應力管錨索在解決快速填土與錨固之間在工期上的矛盾方面具有明顯優(yōu)勢。

（3）由于是新型錨索，尚無成功經驗可以借鑒，這就是最大的風險所在。如錨固力計算模式，應該采用何種最切合實際的工作狀態(tài)?在壓力分散型向拉力分散型轉換過程中，出現(xiàn)的“先張法”預應力錨索對錨索的工作性能有什么樣的改變?還有其它哪些沒有預料到的問題?如此等等都需在實踐中不斷地探索總結。但其理論和實踐依據是可靠的。

（4）實踐證明，通過對錨固段構造形式的改進，還可大大縮短錨固段的長度來獲得相同錨固力，但必須合理選擇管溝的尺寸及其填筑材料。解決了預制管和管周砼的握裹力問題，管徑還可以縮小。

（5）由于填土工期短、速度快，填方壓實度控制不好，勢必會產生較大工后沉降，為了控制沉降和不均勻變形，可在填土中設置土工格柵。

（6）工程檢驗證明，這種新型的快速錨固錨索是可靠的，對邊坡安全是有保障的。

［1］ GBJ 10-89，混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［2］ GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術規(guī)范［S］.

［3］ 林宗元，等.巖土工程治理手冊［M］.遼寧沈陽:遼寧科技出版社，1993.

［4］ CECS 22:2005，巖土錨桿（索）技術規(guī)程［S］.

［5］ CECS 22:90，土層錨桿設計與施工規(guī)程［S］.

注:本文撰寫過程中參考了《富民水泥廠邊坡治理施工圖設計》（徐國民，李四全，等.西南有色昆明勘測設計〈院〉股份有限公司，2007）。

Development of New Rapid Anchoring Cable and the Application

HE Shu-quan，XU Guo-min（Southwest Non-ferrous Kunming Investigation and Design〈Institute〉Ltd.，Co.，Kunming Yunnan 650051，China）

The development process of a new rapid anchoring technology applied in vertical high fill slope control project is introduced，that is horizontal direction rapid anchoring cable by pre-stressed concrete tube.The mechanical principles，the structure and the features were described，and the construction process and the technical points of the new rapid anchoring cable were introduced with engineering case.

high fill;slope control;new anchoring cable;rapid anchoring;pre-stressed concrete tube

TU757

A

1672-7428（2012）07-0071-06

2012-02-28

和曙泉（1969-），男（納西族），云南人，西南有色昆明勘測設計（院）股份有限公司高級工程師、注冊一級建造師，地質學專業(yè)，從事巖土工程勘察、設計、施工技術與管理工作，云南省昆明市東風東路東風巷29號，hsqcmh@163.com。