压力分散型预应力锚索在高边坡防护中的应用

■陈春林

（南平高速建设有限公司，南平 353000）

1 工程概况

福建省邵武至光泽（闽赣界）高速公路第A5 标段的路堑边坡预应力锚杆、锚索位于K48+160～K48+430段右侧高边坡，该边坡最高约32.9m，分五阶开挖。为二元结构边坡，上部为坡积粉质粘土，厚度约1～4m；残积砂质粘性土，厚度约3～7m；其下为全风化花岗岩，厚度约0～6m；砂土状强风化花岗岩，厚度约0～3m；下伏碎块状强风化花岗岩（局部存在孤石）～中风化花岗岩，厚度约1～15m。该边坡地下水丰富，不利结构面发育，稳定性较差，须进行加固处理。其中K48+240～K48+300 段边坡自然坡较陡，采用陡坡强加固设计方案，处理边坡设计为2 级，第一级1：0.5～1：0.75，预应力锚索框架；第二级1∶0.75，预应力锚杆框架。本文主要介绍压力分散型预应力锚索。

2 设计方案及材料要求

2.1 设计方案

（1）框架梁体：每片框架梁由2 根横梁、2 根竖肋和1 根顶梁、1 根底梁连接组成，在横梁和竖肋接点处设置4 孔压力分散型预应力锚索。框架梁和竖肋的截面尺寸均为0.5m×0.6m，竖肋中心间距4.0m,框架采用C25混凝土现浇，内配钢筋骨架。每两片框架梁中心间距8.0m，框架梁之间设0.02m 宽的伸缩缝，缝内用浸沥青木条填塞。梁体采用C25 混凝土，框架梁肋嵌入坡体30cm。

（2）锚索：每孔锚索由三个单元锚索组成，每个单元锚索分别由两根直径15.24mm、强度1860MPa 的高强度低松弛无粘结钢绞线锚于钢制承载体组成。锚索俯角20°，锚索孔的深度大于锚固深度30cm，并用40MPa 水泥浆体固结；每孔锚索的设计拉力为520kN，锚固段长度12m，自由段长度分别为14m 和16m 两种，压力分散型预应力锚索结构参见图1。

图1 压力分散型预应力锚索结构示意图

2.2 材料要求

（1）水泥：优先选用P.O42.5R 级普通硅酸盐水泥，也可选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥。

（2）砂：采用坚硬耐久的中粗砂，其细度模数宜大于2.5，含水率宜控制在5～7%之间，砂的含泥量按重量计不大于3%；砂中所含云母、有机质、硫化物及硫酸盐等有害物质的含量，按重量计不得大于1%。

（3）骨料：应采用坚硬耐久的碎石，粒径不宜大于15mm。

（4）外加剂：水泥浆中可加入控制泌水或延缓凝结等外加剂，但必须符合产品标准；水泥浆中氯化物的总含量不得超过水泥重量的1%。

（5）水：水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质，不得使用污水以及pH 值小于4 的酸性水。

3 压力分散型预应力锚索作用机理

压力分散型预应力锚索加固边坡实际上就是通过对锚索进行张拉，主动对边坡施加作用力P 使之在可能的滑动面上产生主动压应力P×sinaα 和切向拉应力P×cosα，二者组成抗滑力P 抗，借此平衡下滑力Tm (见图2)。

P抗=P×sinaα×tgΦ+P×cosα

式中：Φ 为土内摩擦角,P 为锚索设计荷载,α 为锚索与滑裂面夹角,β 为锚索与水平面夹角,θ 为滑裂面夹角。

图2 预应力锚索加固高边坡示意图

压力分散型预应力锚索是伴随锚固材料及施工技术的不断进步而逐步发展起来的一项新技术，它是在同一钻孔中安装几个单元锚索，而每个单元锚索都有自己的杆索、自由长度和固定长度，而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加的.并通过预先的补偿张拉(补偿各单元锚杆在同等荷载下因自由段长度不等而引起的位移差)而使所有的单元锚索始终承受相同的荷载。

这种新型锚固体系可将集中荷载分散为几个较小的荷载作用于固定段的不同部位，使粘结力峰值大大降低，因单元锚索固定长度很小，不会发生粘结效应逐渐弱化的现象，能使粘结力均匀地分布在整长度上，最大限度地调用整个锚索固定长度范围内的地层强度，锚索承载力可随固定长度的增加而成比例增加。

4 施工工艺

压力分散型预应力锚固索的主要施工工艺为：

搭设脚手架→整修边坡→测放孔样→钻孔→清孔→锚孔检验→锚索制安→注浆→钢筋砼框架施工→预应力张拉锁定→抗拔力试验→封锚。

（1）搭设脚手架

脚手架搭设前必须先对现有边坡的稳定情况进行观察，在确定其安全后再搭设脚手架。钢管支架立柱应置于稳定的坡上，不得置于浮渣上。立柱间距1.5m，架子宽度1.2～1.5m，横杆高度1.8m，以满足施工操作需要。

（2）坡面整修

将松散的浮石和岩渣清除干净，确保坡面曲面平顺；对边坡局部不稳定处进行清刷或支补加固；对较大的裂缝进行灌浆或勾缝处理。

（3）测放孔样

锚索框架放线时，按竖肋对应中心线里程桩号放线，并使竖肋投影垂直于线路，横梁与竖肋垂直；每片框架上的锚索孔以第一根竖肋最上部的孔为基准，然后再确定其余孔位，第二根竖肋的上、下自由端长度根据线路纵坡进行确定。

（4）钻孔

①用红油漆在现场施工部位标明锚索开孔位置，锚索孔位测放要准确，偏差不得超过±10cm，钻孔倾角按设计取定，为确保锚索深度，实际钻孔深度要大于设计深度30cm；搭建钻机平台要求稳固牢靠，钻机倾角及方位角要进行严格校验。

②钻进过程中设专人对每孔地层变化、进尺速度、地下水情况等作现场记录；若遇坍孔，立即停钻，进行固壁灌浆处理，注浆36h 后重新钻进。

③在钻孔施工过程中要加强钻机的导向作用，及时检测孔斜误差，合理采用纠偏措施，并做好施工班报记录。施工人员按照设计及规范要求，对造孔的孔位、孔深、孔径等参数进行检查验收。

（5)清孔

钻进达到设计深度之后，不应立即停钻，要稳钻3～5min，在钻孔完成后，使用高压空气将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥浆与孔壁岩体的粘结强度。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下安锚筋与注浆；对锚孔内部积聚的水体，采用灌浆封堵二次钻进等方法处理，必要时在周围适当部位设置排水孔进行处理。

（6）锚孔检验

锚孔造孔结束后，经现场监理检验合格方可进行下道工序施工。孔径、孔深检查采用设计孔径钻头和标准钻杆，并在现场监理旁站的条件下进行。验孔过程中钻头平顺推进，应尽量减小钻机所产生的冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻顺畅，用高压风吹验不存在明显飞溅尘碴及水体现象。同时复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔各分项工作合格后，即可认为锚孔检验合格。

（7）锚索制安

本设计采用的压力分散型锚索由3 个单元锚索组成，每个单元锚索由2 根直径15.24mm 无粘结低松弛钢绞线内锚于钢质承载体组成。各单元锚索的固定长度分别为L1=L2=L3=4m，共同组成复合型锚索的锚同段自由段长度分别为14、16m 两种。锚固段钢质承载体与挤压套之问采用对拉栓结固定，所有钢质材料外露部分要求涂刷防锈漆保护。各单元锚索制作时应有明确、可靠的标记.以便采用差异分步张拉。钢绞线下料长度为锚固段长度+自由段长度+1.5m，用砂轮锯切断，安装时不能损坏元粘结钢绞线表皮。

（8）注浆

锚索钢绞线与孔壁是以水泥浆胶结体为介质粘结在一起的，水泥浆是控制胶结体质量的关键。为提高锚固段的锚固力，加快施工进度，采用江西“万年青”牌早强高标号水泥(P.O.42.5R)和合理的水泥浆配合比：水灰比为0.38；流动度为15～17 cm；外加剂为厦门宏发FS-G 混凝土高效减水剂，外掺料为厦门宏发FS-Ⅲ混凝土膨胀剂。锚孔注浆采用孔底反浆方式注浆，注浆压力控制在0.5～1MPa 左右。孔口溢浆时间不低于2 min时可停止注浆。如发现孔口浆面回落，应在1h 内进行孔底压注补浆1～2 次。

（9）钢筋砼框架施工

框架采用C25 砼浇筑，竖肋基础先铺垫5cm 厚砼垫层，再进行钢筋制作安装。框架嵌入坡面30cm,外露30cm。框架刻槽后采用厚2～5cm 的水泥砂浆进行基地调平，遇局部架空采用C25 砼嵌补。浇筑砼时注意保护无粘结钢绞线管道密封。一个单元格由四个锚索加横梁、竖肋、顶梁、低梁组成。

（10）预应力张拉锁定

当浆体及砼砼框架梁强度达到设计强度后方可进行张拉，应按一定次序分单元采用差异分步张拉，共分7 级进行张拉。3 单元锚索张拉具体步骤：

①锚索正式张拉前，应取15%的设计张拉荷载，对6 根钢绞线预张拉1～2 次，使其各部件接触紧密，钢绞线完全平直，测量出钢绞线伸缩量，持荷5min 并量测不小于3 次的锚头位移。

②预张拉退荷后，对于长束及中束钢绞线进行补张，补足差异荷载；该过程分两步进行，其中先对长束进行补张△P1，并测出长束钢绞线伸缩量，持荷10min并量测不小于3 次的锚头位移，然后退荷，对长束及中束进行补张△P2，并测出长束钢绞线伸缩量，持荷10min 并量测不小于3 次的锚头位移。

③补张完成后退荷，对6 根钢绞线同时进行张拉工作，张拉过程中做好记录，在设计张拉力520kN 的30%、50%、75%、100%荷载时分别进行持荷10min，对于张拉最后一级荷载时，应持荷稳定10～15min 后退荷锁定，其中在最后5 级加载过程中，量测出钢绞线伸缩量及持荷期间锚头的位移。

各单元锚索在给定最终张拉(锁定)荷载作用下，3 单元6 束压力分散型锚索差异伸长量按下式计算：

差异伸长量：

△L1-2=△L1-△L2,△L2-3=△L2-△L3

△L1=(PL1)/(EA)，△L2=(PL2)/(EA)，△L3=(PL3)/(EA)

差异荷载增量：

△P1=2×EA△L1-2/L1，△P2=2×EA(△L2-3/L2+△L2-3/L1)

其中，L1、L2、L3 分别为第一、二、三单元锚索的长度，L1＞L2＞L3；△L1、△L2、△L3 分别为各单元锚索在给定最终张拉（设计锁定）荷载作用下的伸长量；△L1-2、△L2-3 分别为各单元锚索在给定最终张拉（设计锁定）荷载作用下的差异伸长量，P 为给定最终张拉（设计锁定）荷载作用下单根钢绞线束荷载；A为单根钢绞线束的截面面积，一般为140mm2，具体应根据钢绞线检测报告数据为准；E 为钢绞线的弹性模量，具体应根据钢绞线检测报告数据为准；△P1、△P2分别为分步差异张拉之第一、第二步级张拉荷载增量。

(11)抗拔力试验

抗拔力验收标准：

①根据试验要求，最大试验荷载为锚索（杆）设计荷载的1.5 倍。验收试验中，从50%设计荷载到最大试验荷载之间所测得的总位移量，应当超过该荷载范围内锚筋自由段长度预应力筋理论弹性伸长量的80%，且小于自由段与1/2 锚固段长度之和的预应力筋的理论弹性伸长值。且锚筋实测伸长量与理论计算伸长量的误差不大于理论计算伸长量的6%。

②在最后一级荷载作用下的位移观测期内，锚头位移稳定即在10min 内位移不超过1mm，或者2h 内蠕变量不大于2mm。

(12)封锚

锚具外的钢绞线除留存15cm 外，其余部分切除。对外锚具或钢绞线端头用标号为C15 混凝土封闭保护，混凝土保护层厚度2.5cm。

5 压力分散型锚索的优越性

通过与普通预应力锚索的对比分析可知，压力分散型锚素的优越性为：

（1）普通预应力锚索在自由段与锚固段连接处会出现拉应力集中，锚固段钢绞线受到摩擦力共同作用来承担自由段张拉力；压力分散型锚索比普通预应力锚索受力更加分散、合理，减缓了应力集中。

（2）由于压力分散型锚索分三个单元，因此在钻孔长度相同的情况下采用压力分散型锚索较普通预应力型锚索钢绞线长度缩短，缩短长度为L=2L2+4L3，材料更节省；费用相对减少。

6 结语

邵光高速公路A5 合同段K48+160～K48+430 段右侧高边坡锚索共计152 孔预应力锚索，总长644m。经福建省高速公路边坡工程中心试验室现场抽检，施工质量优良，证明了压力分散型锚素适用于高边坡的防护加固，而且具有技术先进、投资少等优点。通过与普通预应力锚索的对比分析，压力分散型锚素具有分散集中应力和节约材料等优越性，结合目前国内国际情况，压力分散型锚索加固是综合治理高边坡病害的重要方法之一。