预应力锚杆框格梁设计施工中的问题

(昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500)

近几年，随着我国西南山区基础设施的建设，边坡支护问题已成为国内外研究的热点问题。针对该问题，国内外新兴了一种轻型支护结构-预应力锚杆框格梁，该结构巧妙利用基层岩体自身强度来加固边坡土体，克服了重力式挡墙支护高度受限、笨重、稳定性差、造价高等缺点，在高边坡支护工程中发挥了极大的作用[1]。但对于该类支护结构的设计与施工正处于边研究、边应用的阶段，没有统一完整的设计施工方法，在应用过程中出现了不少问题，本文以预应力锚杆框格梁的加固机理为基础，分析预应力锚杆框格梁在设计和施工中存在的问题。

1 预应力锚杆框格梁加固机理

预应力锚杆框格梁是由框格梁和预应力锚杆复合构成的轻型柔性支护结构，框格梁锚固在边坡稳定岩土上，当坡面沿着破裂面开始下滑时，锚杆将承受拉应力，并将该力传递给框格梁，框格梁受力后，主动箍住边坡表层岩体，减缓表层岩土的破坏和变形。相比单独使用预应力锚杆加固，框格梁起到锚墩的作用，分散锚杆的集中应力，除此之外，框格内还可以进行绿化，通过植被防护减缓雨水对坡面的冲刷，起到减缓坡面岩体分化侵蚀的作用。

2 设计施工中关键问题分析

2.1 施工中的问题

1）安全系数的确定 边坡设计人员往往将边坡稳定安全系数误认为圆弧滑动面上的抗滑力与滑移力的比值，将安全系数片面的理解为边坡稳定的力学平衡条件。但是根据规范要求，如果要准确分析边坡整体稳定性，则既要找出所有满足力学平衡条件，又要合理的满足规范规定的安全系数解集。边坡稳定性验算时，圆弧滑动面上抗滑力与滑移力的比值不应小于规范所规定的安全系数，否则应对边坡支护方式重新设计[2]。

2）锚固力的确定 根据预应力锚杆框格梁加固机理，设计的锚杆为拉力型锚杆，根据规范[3]锚固力一般用下面公式确定

式中：P1为锚固力；L1为锚固段长度；f为单位锚固段长度提供的摩擦力；k为安全系数。

式(1)可以理解为：设计人员在锚固力的计算过程中，一般认为锚杆上的应力是均匀分布的，与锚固段长度成正比。但实际上锚固段的应力分布是非线性的，应力主要集中在锚固段顶端，成抛物线沿端部递减。因此，在计算锚固力时，若安全系数选取不当，锚固段顶端可能会出现剪应力大于极限锚固力，导致锚固段由顶端向尾端逐步破坏，最终造成锚杆失效。

3）锚杆长度的确定 在锚杆设计过程中，设计员一般会在保持锚杆总长度不变的情况下，有意识的加长锚固段的长度，潜意识的认为锚固段长度越长锚固力越大。因此在部分锚杆支护工程中常常会存在锚杆自由段设计过短的情况，导致部分锚固段处于滑裂面主动区内，如图1所示。当边坡开挖时，坡壁在主动土压力作用下会产生变形，主动区内的锚固段粘结力会逐渐减少甚至转变为反方向的负粘结力，使得有效锚固长度减小，削弱了锚固效果。

图1 锚固段偏长

从图2中可看出，锚杆锚固段上的粘结应力是非线性分布的，从锚固段顶端逐渐向尾端端减少。当张拉荷载较小时，仅上部锚固段发挥作用，下部不发挥作用；随着荷载的增加，粘结应力峰值逐渐向下端转移，由此可知，并不是锚固段的全长都得以调用，主要发生在锚固段前段，当锚固段长超过某值(与土性有关)后，长度的增加对锚杆承载力的提高就非常有限了[4]。

图2 锚固段抗拔力分布示意图

2.2 设计中的问题

1）边坡修坡和锚杆定位问题 框格梁整体是否美观、受力是否均匀与边坡修坡和锚杆定位有着密切的关系。因为修坡不平整就不能保证梁柱在一个平面；锚杆定位不精确，就不能保证梁柱形成的交点恰好在锚杆的位置。在边坡支护过程中，必须保证这两步要同时达到标准，否者将导致框格梁扭曲变形，部分锚杆将并非处于交点上，这样将导致框格梁在各个节点上受力不均。

2）锚杆注浆 通常锚杆注浆方式通常有两种：一次常压注浆和二次高压注浆。一次常压注浆是指将注浆管连同杆体一起下入孔底，在常压（一般0.5MPa左右）下，浆液由孔底注入，边注浆边拔出注浆管，待孔口溢出浆液后即停止灌浆。一般认为一次灌浆时所施加的预应力仅仅是锚固段提供的摩擦力P1,但实际情况中还存在自由段的粘结力P2和水泥浆体的支撑力σ。滑动带活动时,若设计者未考虑锚杆P2和σ的存在，表面上达到设计施工要求的锚索可能会存在安全隐患。一次灌浆法是将锚杆自由段和锚固段一次灌注连接起来形成连续的刚性水泥体，如图3所示，锚杆上的预应力是3个分力的总和P＝P1+P2+σ。

图3 锚索抗拔力分布示意图

二次高压注浆是指在下锚的同时下两条注浆管，一条预埋花管（预留小孔，并用胶带封闭），另一条在锚固段灌注水泥沙浆（采取孔底灌浆）后拔出。待浆体达到絮凝状态后，再通过预埋花管进行高压（＞2.5MPa）劈裂注水泥净浆，使浆体挤入周围土体，增加土体对锚固段的法向应力。在进行二次灌浆时，预埋花管的密封问题十分重要，若封闭不严，管外浆液可能会进入花管，二次注浆就无法进行；如果密封太牢固，浆液可能无法冲破胶带。

3 结 论

框架预应力锚杆支护结构设计和施工中存在的一些问题，主要结论如下。

1）锚杆的设计不但要满足力学平衡条件，还要对边坡整体稳定进行分析。

2）锚杆锚固段的粘结应力分布是不均匀的，从锚固段顶端逐渐向底端减少。若按锚固段的粘结应力是均匀分布来计算，顶端可能会出现剪应力大于极限粘结力的情况。

3）预应力锚杆的设计不能盲目的加长锚固段长度，因为边坡滑动区内的锚固段会产生负粘结力，从而影响锚固效果。

4）预应力锚杆框格梁结构的施工过程中，首先应将坡面修平整，然后锚杆定位要准确。

5）若锚杆注浆采用一次注浆法，则在预应力施加时，张拉表上反映所施加的预应力并非仅仅是锚固段所提供的抗拔力；若锚杆注浆采用二次注浆法，应注意预埋花管的密封问题。

[参考文献]

[1]牛希顺，秦国刚.框架式锚杆挡墙施工工法(YJGF06-1998)[J].施工技术，2001，30(5)：37-39.

[2]中华人民共和国建设部.建筑边坡工程技术规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]冶金工业部.锚杆喷射混凝土支护技术规范[M].北京：国家计委基本建设标准定额局，1985.

[4]谭文烜.深基坑支护中土层锚杆设计与施工的几个问题探讨[J].广州建筑，2003，(4)：310-311.