预应力土层锚杆加固在海河护岸治理工程中的应用

胡汝兰，艾连永

(1.天津市市政工程设计研究院，天津市300051；2.天津市安居工程办公室，天津市300050)

1 概述

天津海河干流治理工程是天津市的一项重点工程。实施海河护岸的修建工程必然会对原有的建筑景观有所破坏，如果采用传统的立式板桩明开槽的工程设计和施工工艺，将增加海河岸边的拆迁工程量。许多生长了几十年的树木将被破坏，大量的地下电缆，给水排水管道，煤气热力管道将要迁移。昔日的海河公园会荡然无存，因此造成的社会影响环境影响是无法弥补的。

针对该工程的特殊地理位置和环境因素，采用预应力土层锚杆作为永久性措施应用于海河护岸景观构造，将对工程的安全、工期、投资产生积极影响，社会、经济和环境效益显著。

海河护岸治理工程地处饱和软土地层中，为预应力土层锚杆技术的设计实施提出了新的课题。

2 土层锚杆设计

目前常见的土层锚杆有3种基本类型：

(1)圆柱型锚杆，最简便、最常用的锚杆类型。

(2)扩大圆柱体式锚杆。

(3)端部或局扩孔式锚杆。

实施时要根据具体工程特点如锚杆的抗拔力，现场的土层地质情况，工程的规模，可供使用的机械设备，锚杆的孔径及长度等来确定哪种形式。

海河护岸治理工程采用了主桩加挡土板的结构形式。土层锚杆锁定在主桩上做为持力构造，因为该工程是永久结构，根据《土层锚杆设计与施工规范》规定锚杆最小安全系数取2.2，锚杆与土体间的粘结强度取40 kPa。

由海河西岸的地质报告可以得知地面以下约1.6 m内大部分是砖头、白灰、炉灰等，在临近岸边的局部有旧护岸工程回填的灰土，这些局部灰土已经历了几十年，非常坚硬，向下约3~4 m厚是黄褐色、褐色含云母铁质硬塑至软塑粘土及粉质粘土。根据这些情况决定锚固体锚杆的设计参数：轴向拉力最小值为160 kN，极限承载力应大于350 kN，锚杆直径为15 cm，锚固段长度最小为20m，锚杆自由段长为6m，由此确定锚杆总长度为26m，倾斜角为20°，端部扩大头型锚杆扩大头长度为2~3m，根据工程实际，锚杆锚固端高程为1m，锚头用锚具固定在岸边钢筋混凝土板上。试验锚杆选用钢锚索型式，用高强、低松驰、无粘结预应力钢绞线作为锚索材料，公称直径Φ15.24mm，最小破坏荷载260.7 kN，1 000 h最大松驰率2.5%~3.5%。为满足强度要求每根锚杆采用3根钢绞线。(强度为1 570 N/mm)预应力钢绞线。在设计选定的区域里开挖长15 m，深3 m，宽4m的承压台基坑，用于现场浇筑承压平台，再按设计要求绑扎钢筋后浇筑强度为C30混凝土。承压平台配筋过程中根据锚杆孔的孔位、孔向、孔径等参数准确地埋设口管。

预应力土层锚杆结构见图1。

3 土层锚杆施工

(1)成孔阶段：成孔是在土层锚杆施工中的关键，这直接影响成型锚杆的强度和抗拔力。在实际施工可以采用泥浆护壁或水泥浆护壁的措施，并且在软土地层地区必须连续施作，成孔以后应马上进行下一步工序从而减少塌孔的机率。事实证明在海河护岸治理工程中采用水泥浆护壁效果良好。

(2)拉杆安放阶段：成孔完成后应马上安放拉杆，拉杆的制做应严格遵循规范和设计，特别是拉杆的防腐处理和定位器的设置以及自由长度的保证。拉杆的定位器目前有多种型式，材料以金属的为宜，但无论哪种定位器都应切实保证拉杆位于锚固体中间并与钻孔平行，特别是使用预应力钢绞线时，因为锚索在两个定位器之间会产生一定的垂度，所以定位器间距不能过大，在设计锚杆时要求锚杆有一定的自由段长度，它与土层的剪切角有关也与锚杆的设计拉力有关，一般要求自由段的最小长度不小于5 m，锚杆受力时首先是允许自由段产生一定的弹性变形，如果自由段长度不够长，在锚杆还未达到正常工作状态的时候，自由段的锚索产生屈服变形至使整个锚杆不能正常使用。

(3)注浆阶段：灌浆的作用主要有三点，其一将拉杆锚固段固定在地层里，其次防止拉杆被腐蚀，第三充填地层中的孔隙从而起到加固锚杆周围地层的作用。水泥具有足够的流动性以使用泵将其注入钻孔，而且还有尽早凝固以具有良好的强度，一般情况的水灰比为0.45。灌浆压力则是根据注浆形式及阶段而确定，工程采用二次注浆大大提高锚杆的强度，一次注浆的压力为0.3~0.6MPa。二次注浆是待一次注浆浆液达到初凝强度后，利用提前下入孔底的带花眼的二次注浆管注浆，注浆应力为4 MPa，待孔内注入量超过400 L后结束。注浆后用混凝土对外锚头进行封闭保护。保护层不小于5 cm。

(4)张拉及锁定阶段：在锚杆注浆体达到强度以后即可以进行张拉，本次试验是在注浆后15 d进行张拉，采用60 t穿芯千斤顶加载，用液压表测读荷载，试验的反力装置采用现场浇筑的承压平台，承压平台的强度和刚度经验算能满足试验要求。张拉要按照一定的操作规程和步骤进行。一般采用能同时张拉锚杆全部钢束或钢丝绳的千斤顶直接拉伸使锚杆受力。在正式张拉之前应进行预拉，用0.1~0.2倍的设计轴向拉力进行预张拉，使锚索的各部位的接触紧密，钢束完全平直。在加载过程中缓慢逐渐加载而不允许加载过快，每次都应按照规程保持一定的时间。锚杆的锁定也是整个施作过程的重要一环。在每级加荷等级观测时间内锚固力测量不少于3次。每分钟加荷不大于10 kN。锚头位移量不大于1mm时，可施加下一级荷载，否则要延长观测时间。在每级加荷等级观测期内，待锚头位移稳定后，记录测力计，应变计读数和锚头位移量。锚杆的锁定还应选择适宜的夹具、锚枕以及垫板，垫板设置必须保证垂于加载方向。同时由于锚索承受很大的拉力，所以在加载锁锚时应提醒操作人员注意人身安全。

4 锚杆的试验

检验锚杆最及时有效的手段就是现场试验，锚杆施做完成以后通常根据不同的需求要进行如下四种试验。

(1)基本试验：基本试验是为确定锚杆极限承载力和获得有关设计参数而进行的试验，在锚杆用于未曽应用过的土层时必须进行基本试验。完成锚杆的设计以后，根据设计制作不少于3根的锚杆用于试验。根据试验来整理出锚杆的荷载与位移曲线，以确定出锚杆的实际安全系数K。

(2)验收试验：验收试验是为检验锚杆施工质量及承载力是否满足设计要求而进行的试验。在锚杆锁锚之前取锚杆总数的5%，检验荷载对永久性锚杆一般取设计荷载的1.5倍，对临时性锚杆一般设计荷载的1.2倍。

(3)蠕变试验：蠕变试验是为掌握锚杆的蠕变性能而进行的试验。该试验主要针对塑性指数较大的淤泥及淤泥质土层中的锚杆进行，加载等级及观侧时间都应满足有关规定，并且试验根数不应少于3根。

(4)监测试验：监测试验是对永久性锚杆及重要工程的临时性锚杆的预应力值进行长期监测以了解锚杆工作状态的试验。一般取锚杆总数的5%~10%，监测时间不小于1 a。

锚杆试验是优化设计确保施工质量安全的重要措施。在试验中除了应选取合适的测试手段，测试工具并严格按照操作规程进行测试外，还应在试验数据的整理分析过程中，尽可能的减少试验误差，去除一些不合理的数据。

(5)通过海河护岸治理工程中的锚杆试验及以往的工程经验，目前了解到锚杆试验中有可能发生的数值误差有如下几种：

a.锚杆的实际自由段长度误差，这种误差通常可以通过预拉来解决一部分，但实际形成的自由段长度的准确值无法测得。

b.在快速加荷受力时，由于自由段没有完全松懈，在自由段上产生的摩擦力误差，这种误差通过控制加荷速度可以减少。

c.荷载量测中的误差，特别是液压千斤顶中的摩擦。

d.变形量测中的误差，如楔块嵌入时的富余空隙，以及实地测量时周围环境的影响。

e.锚索变形模量本身的误差。

f.背后土体的变形引起的误差。

g.测量仪器的精度以及测试人员读取数据时的误差等。

5 结论及建议

锚杆现场试验表明，二次灌浆技术可以显著提高锚杆的承载力，可以将普通圆柱型的承载力提高约80%，但其对端部扩大头型锚杆的施工要求工艺复杂，为此推荐使用二次灌浆技术的普通圆柱型锚杆。

预应力锚杆施工对工艺要求较高，应保证工程材料符合设计要求，严格控制各工序施工质量。特别是在软土层进行预应力土层锚杆施工，根据锚杆试验建议采用有水和跟管钻进工艺，减小钻进阻力和解决塌孔问题并严格控制一次，二次注浆质量，按照锚杆试验所确定的施工工艺实施，保证工程质量的稳定性。该工程竣工多年运行状态良好。预应力土层锚杆加固应用到海河护岸中工程是一个非常成功的范例。

[1]CECS22:90,土层锚杆设计与施工规范[S].中国工程建设标准化协会,1990.