锚索技术在边坡治理中的实践范文

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《广西城镇建设杂志》2014年第四期

1扩孔锚索方案论证

1.1扩孔锚索的分类按照锚固段形态大致可分为：①扩大头锚索，仅对锚索端部有限范围内的孔径进行扩大；②分段扩孔锚索，将锚固段分成若干段，按一定间隔分段扩孔；③整段扩孔锚索，对整个锚固段进行扩孔；④等径扩孔锚索，锚固段扩孔直径基本同径；⑤异径扩孔锚索，分段按不同直径扩孔。按成孔原理大致可分为：①爆炸扩孔，在钻孔底端装上炸药，引爆后把孔端炸扩成扩大头；②机械扩孔，采用扩孔钻头切削土体或软岩使孔径扩大；③水力扩孔，采用高压旋喷技术扩大孔径形成扩大头或扩大径；④压浆扩孔，在软弱土层中采用二次注浆或双层管双栓塞注浆法来扩大孔径。

1.2机械扩孔锚索方案技术论证该工程边坡治理措施为采用锚索抗滑桩板墙，其中关键工序之一为锚索。锚索的设计与成功施工是边坡治理必不可少的重要环节。锚索设计所需锚固力较大，而稳定基岩埋藏深，且为极软岩。若采用普通锚索时，锚固段会较长，且需做成荷载分散型锚索，造价较高。故选择状态较好的黏性土作为锚固地层，可大大节约工作量，并在有限锚固段长度范围内获得较大锚固力，满足锚索设计所需锚固力较大的要求，从而大大节约工作量和造价。实际锚索设计与施工在全锚固段长度范围内为全锚固段等径扩孔锚索。施工工艺因地制宜，采用机械扩孔二次注浆锚索技术。

2扩孔锚索的力学机理

扩孔锚索主要运用于土层和有条件的软岩。扩孔锚索的承载力由两部分组成：一部分为锚固段浆柱体与孔壁岩土体间的摩阻力，另一部分为位移方向锚固体端部岩土体提供的端阻力。其实质是依靠锚固体周围岩土介质的抗剪强度发挥作用来提供锚索的抗力，也就是说，在其他条件一定的情况下，扩孔锚索的承载力由介质的抗剪强度决定。

2.1土体的抗剪强度土是一种弹塑性变形材料，其应力、变形、屈服与破坏关系较复杂。按照库仑定律，抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其物理本质是土颗粒间相互滑动摩擦及镶嵌作用产生的阻力，大小由土颗粒的大小、表面粗糙度和密实度等决定。黏性土的抗剪强度由两部分组成：一部分是摩擦力，与法向应力成正比；另一部分为黏聚力，由黏土矿物颗粒间通过水膜接触，相互吸引和胶结形成。库仑定律对土体的抗剪强度描述为：土体发生剪切破坏时，将沿着其内部某一曲面（滑动面）产生相对滑动，而该滑动面上的切应力就等于土的抗剪强度。无黏性土的抗剪强度为τf=σ•tgφ，黏性土的抗前强度为τf=σ•tgφ+c，式中，τf为抗剪强度；σ为剪切滑动面上的法向应力；c为黏聚力；φ为内摩擦角。摩尔-库伦强度理论，即在应力的作用下，土的破坏属于剪切破坏，并沿一定的剪切面产生剪切。当沿该剪切面上的剪应力增大到极限值时，该单元土体就沿该剪切面发生剪切破坏。在摩尔极限平衡应力圆中，土单元体剪切破坏的发生，取决于作用于剪切破坏面上法向应力与土作用所产生的剪阻力，而不决定于施加的剪应力。根据剪应力是否达到抗剪强度τ=τf作为破坏标准的理论称为摩尔-库仑破坏理论。研究摩尔-库仑破坏理论如何直接用主应力表示，这就是摩尔-库仑破坏准则，也称土的极限平衡条件。

2.2扩孔锚杆的力学机理锚杆的拉力最终表现为对锚固体周围介质产生的剪应力，由介质的剪阻力抵抗剪应力。扩孔锚杆的承载力是指锚杆锚固体所能够承受的极限拉拔力，它由锚固段锚固体与土体摩擦力及扩大头端部阻力两部分组成，也就是说锚杆承载力的大小取决于土体的抗剪强度。当受力超过极限平衡状态，土体发生剪切破坏时，锚杆承载力也就随之丧失。由强度理论分析可知，一般已知σ1=γh及实测内摩擦角φ、黏聚力c，依据摩尔-库仑理论，我们就可以求得锚杆所在土体剪切滑动面上的法向应力φ及抗剪强度τ。土体作为锚固体的介质，对其强度水平的认识是至关重要的。

2.3扩孔锚杆受力分析一般认为，其受力过程可分为3个阶段。第一阶段：弹性受力阶段。锚杆受力较小时，锚固段侧壁受摩阻力，扩大端不受力或受力较小，扩大头端阻力为弹性土压力。此时锚杆力学性能由锚固段摩阻力决定。相当于静止土压力阶段。第二阶段：过渡阶段。当锚杆受力超过摩阻力峰值，侧阻力达到极限时，锚固体开始位移，扩大端部阻力逐渐增大，扩大端前土体受压，形成局部塑性区。此时锚杆力学性能由扩大端前土体的压缩性能决定。其特征是位移曲线有一个拐点，扩大端处位移处于弹性阶段，压缩区土体强度由摩尔圆控制。第三阶段：塑性区阶段。当锚杆受力继续增大时，锚杆向前发生较大位移，塑性区的土体不断被压密，扩大端部阻力随之增加，锚杆位移趋于稳定。锚固力得到提高的同时，土体塑性范围扩大并连通，结束弹性阶段开始进入塑性阶段。当锚杆受力继续加大，在土体中产生的剪应力达到抗剪强度（τ=τf）时，土的极限平衡形成，土体可能产生剪切破坏，锚固力随之衰减乃至丧失。

2.4扩孔锚索抗拔力计算在理论研究与工程时间的基础上，现行多种计算方法如下该工程根据具体情况，采用基于边坡规范的锚杆抗拔力计算公式④进行锚固力计算，设计锚固力为600kN。

3扩孔二次注浆施工工艺

该工程锚索实施，整个全锚固段长度范围，锚索设计与施工为全锚固段等径扩孔锚索，锚固段孔径400mm，二次注浆，设计锚固力为600kN。锚固力计算采用基于边坡规范的锚杆抗拔力计算公式进行。代表性支护结构如图1、图2所示。成孔设备采用江苏金帆钻凿设备股份有限公司生产的扩孔锚索钻机，先以常规孔径成孔至将近设计孔深，之后采用扩孔钻头扩大锚固段直径。然后下锚、注浆，注浆工艺为二次注浆。整个施工工艺和步骤如下：①锚杆孔位测量：平整场地后，对锚杆桩中心位置进行准确放样，将所要钻孔的桩位用红油漆画圆涂匀，使钻孔时标志醒目，又不易损毁。②钻机就位：锚杆桩施工的第一道工序就是将钻机安置在测设的桩位上，使钻头对准桩位。③钻孔：为了确保从开钻起到灌浆完成全过程保持成孔形状，不发生塌孔事故，应根据地质条件、设计要求、现场情况等，选择合适的成孔方法和相应的钻孔机具。该工程采用成孔机械为旋转式钻机。靠钻具旋转切削钻进成孔，遇到有地下水时，用加套管成孔；无地下水用螺旋钻杆直接排土成孔。④扩孔：成孔的锚固段进行局部扩孔，采用机械扩孔。提出钻杆，将钻头换成扩孔器，在扩孔器不扩张状态下，将其置于锚杆孔底部，并在钻杆或机架上标记锚杆孔深度线；启动钻机带动扩孔器旋转，同时给钻机逐渐向下加压，使扩孔器旋转并向外扩张切削岩土，锚杆孔底部扩大为设计孔径；锚杆钻机钻进时应避免钻机的剧烈振动，跳动及钻杆摆动，确保匀速钻进。注意成孔深度是否满足设计要求，可适当增加孔深，但不宜超过设计深度的1%。⑤水洗：在扩孔同时，钻机供水系统给水，冲洗切削物和清洗孔壁，观察水中切削物含量，当孔中溢流出的水中切削物含量较少时，完成水洗。⑥锚杆钢筋加工：锚杆是受拉力的关键部件，采用强度高、延伸率大、疲劳强度高、稳定性好的材料。⑦安放锚杆：安放锚杆用铁丝将注浆管与钢绞线束绑扎牢固，绑扎点每2m一个。非锚固端预留20cm～40cm以方便注浆。为防止土壤对锚杆的腐蚀，锚杆应进行防腐处理，或用抗腐蚀的特殊钢制作锚杆。锚杆成孔后，应立即将加工好的钢绞线束放到钻孔内。安放钢绞线时，应保持钢绞线束平直不弯曲。⑧制备浆液及注浆：水泥浆的配比是工艺中重要的一环，该工程为一次灌注采用鱼峰牌42.5的普通硅酸盐水泥，灰砂比为1∶0.5～1∶1的水泥砂浆，内掺0.7%的FDN-2外加剂。首先提出扩孔器，将锚杆筋体和注浆管插入锚杆孔底部，用注浆泵及与其连通的注浆管一次灌注，达到设计长度，并在浆液终凝前拔出注浆管；浆液的配制强度要求不低于30MPa。一次灌注压力不小于0.8MPa。该工程二次注浆的方法中采用高压注浆管进行注浆，浆液采用水灰比为0.5的纯水泥浆，内掺入0.7%的FDN-2外加剂，二次注浆的灌注瞬间压力不小于2.5MPa。时间间隔与一次注浆时间为6h。高压注浆，高压泵输送浆液，浆液从环状出浆口的小孔喷出，向岩土层挤压渗透，形成更大直径的锚杆扩大体。连续提升注浆管至环状出浆口处，重复上述过程，直至完成不同深度的二次注浆，其后拔出注浆管。

4效果检验

锚索效果检验分为两次，首先在全面施工前用2根锚索进行施工效果检验，结果作为进一步全面施工锚索基本参数的依据。锚索基本试验的检查和验收，经过各方的研究，最后要求为两个方面：①锚索锚固段即扩孔段浆柱体的实体外形检查。经开挖检验，扩孔段浆柱体实体外形检查为浆脉状的锯齿形接触，明显提高了锚固段的抗剪强度，也提高了锚固能力，直径数据最小为430mm、435mm，均在400mm以上，满足设计要求。②实际锚固力的试验检查。检验的实际锚固力，试验数据为900kN、920kN后不再加荷载，均满足设计锚固力600kN以上的要求。全部施工完成后的锚索效果检查验收，按照规范要求进行，抽取总量的5%进行验收试验。试验加荷载按照设计锚固力600kN的25%、50%、75%、100%、120%、150%依次进行。正式加荷载前按照设计锚固力600kN的10%即60kN施加一次荷载，使之各部分紧固伏贴、筋体完全平直，保证张拉数据准确。扩孔段浆柱体直径数据和锚索基本试验及验收工程锚张拉表明，实际锚固力均大于设计锚固力600kN以上，均满足设计的要求。该工程已建成使用5年，边坡运行效果良好。机械扩孔二次注浆锚索，具有缩短锚固段长度、提高锚索承载力、降低造价等优点，在该项目上是成功的。

5结语

通过该项目实践，得出以下几点结论：（1）机械扩孔二次注浆锚索工艺治理边坡，采用基于边坡规范的锚杆抗拔力计算公式，抗拔力有保障。（2）基于强度理论提出的扩孔锚索设计锚固力的几种计算方法，具体采用需视实际情况考虑理论值与实际更接近。（3）土体的抗剪强度参数十分重要，需实测与实践经验相结合。（4）扩孔锚索的破坏机理在理论上是清晰的，但极限平衡状态下，随着拉力增加，孔壁和扩大端部土体谁先破坏尚需进一步实践来证明。（5）永久性工程特别是锚固段位于土层或其软岩层的边坡工程中需慎用，考虑到岩土介质特性及锚索的使用年限问题，安全系数宜取大一些。扩孔锚索在土体及软岩锚固中作为锚杆的新技术新工艺，能有效缩短锚固段长度和提高锚索承载力，降低造价。

作者：吕良军李毅单位：广西冶金建设公司桂南分公司副主任工程师