预应力锚索桩板墙在高等级公路中的应用
2012-08-09 来源：筑龙网
1、工程概况
二级公路K22+336～K22+520段预应力锚索桩板墙工程位于个旧市保和乡政府驻地以北沟谷地带。该路段地形横坡陡峻，坡脚局部形成陡壁。情况组织有关的专家和工程技术人员对该段工程进行了多次现场勘察，先后提出了调整平面线形、采用桥梁跨越等多种方案比选，但均因地形、地质及工程造价高、施工工期长等因素，无法实施。最后在详细研究工程地质状况和认真分析勘察资料的基础上，本着“技术可行、经济合理”和“一次处治、不留后患”的原则，提出了预应力锚索桩板墙支挡、锚杆框格梁防护等综合处治措施。
2、工程地质水文条件
2.1地形、地貌
K22+336～K22+520段位于深切河谷谷坡坡脚地带，与河床高差20～55米，路线纵向与斜坡走向一致。该段地形横坡十分陡峻，K22+336～K22+375段地形横坡50～55度，路中线右侧10～25米为70～80度陡坎，陡坎高度15～20米。坡脚处于河流凹岸侧向冲刷地段。K22+375～K22+430段地形横坡60～70度，路中线右侧3～8米为60～80度陡坡，因坡脚处于河流凹岸侧向冲刷而形成2～6米高的陡壁。K22+430～K22+520段地形横坡45～55度，右侧坡脚局部形成陡壁。
2.2地层岩性
K22+336～K22+520段处于河谷谷坡坡脚地带，根据钻孔揭露，该段覆盖层主要为坡洪积碎石土、亚粘土（粉质粘土）及下伏板岩、灰岩等，表层为0～2.5米最近堆积的碎石土和粘土。
2.3水文地质
该段路线位于普洒河下游区，主要穿越中三迭统法郎组泥灰岩、页岩、板岩，分布区节理裂隙发育，此类地层降水入渗系数较高，地表迳流系数一般可达0.3～0.5以内。具有纵坡比降大，水流速度快携砂能力强，对岸坡冲刷剧烈等特点。
2.4地震烈度
该段路线所经区域的地震烈度从国家地震局和建设部1992年颁布实施的《 中国 地震烈度区划图》中查得，该地区地震烈度为Ⅶ度区。
3、边坡稳定性分析
3.1设计原则
由于该段路基地面横坡陡峻，常规的挡墙和边坡设计无法解决，若采用桥梁通过，工程造价高，施工工期长。本着节约工程投资，缩短施工工期，减少工程隐患，增加工程安全性等方面因素，设计中采用预应力锚索桩板墙的设计形式：墙后的侧向土压力作用于挡土板，并通过挡土板传递给肋柱，再由肋柱传递给预应力锚索，由预应力锚索与周围地层的锚固力形成平衡。
3.2 理论 分析
依据土体极限平衡原理，采用单元分析法，考察此单元体在其自身条件下保持稳定所需的条件。具体做法是在该坡体上任意取一长、宽、高均为1米的土块，假定取消周围约束。根据土体物理性能指标取值为：C=10Kpa，Φ=30.5°，r=17KN/m3。地质模型如右：
由极限平衡理论：m=抗滑力/下滑力=（CL+Wcosθtgφ）/Wsinθ
令m=1 → θ=60.8°
因此，从理论上讲，当坡角为60.8°时，土体处于临界平衡状态，坡角大于60.8°时，土体处于不稳定状态。根据地质资料，除上坡体K22+484.05段坡角为80.5°，下坡体K22+394.95段坡角为68°，其余断面坡角均小于60.8°，即上、下坡体从理论上说是基本稳定的。
3.3综合处治方案
3.3.1 肋柱
⑴ 布置原则
根据实际地形和地质水文状况揭示，地层经受了强烈的挤压，岩体产状变化大，层理、节理发育，岩体间粘结力低，为防止岩体产生层间滑动，对此坡体采用预应力锚索加承载墩先对不稳坡体进行防护，再用预应力筋对填土及动载引起的土体侧压力进行肋柱的加固。该段路基采用上、下两排肋柱错开布置的形式进行设计，上、下排肋柱之间采用30厘米的浆砌片石进行封闭。上排肋柱共计42根，总长1087.20米，其中第14号肋柱高度为23.08米，埋深14.59米；下排肋柱共计43根，总长1264.92米，其中第16号肋柱高度为21.05米，埋深19.10米。上、下排肋柱根据高度和地质状况分别采用1.0×1.5米、1.5×2.0米矩形断面并带企口，以便安装预制挡土板，肋柱间距为4米，根据高度不同分为六种形式（见下表所示），其埋深则按地质资料具体确定。
肋柱尺寸表
编号 肋柱形式 截面尺寸 肋柱高度 锚点个数
1 A型肋柱 1.0×1.5米 H≥4米
2 B型肋柱 1.0×1.5米 4＜H≤8米 1
3 C型肋柱 1.0×1.5米 8＜H≤12米 2
4 D型肋柱 1.5×2.0米 12＜H≤16米 3
5 E型肋柱 1.5×2.0米 16＜H≤20米 4
6 F型肋柱 1.5×2.0米 20＜H≤24米 5
⑵ 计算 分析
墙背土压力按库仑土压力计算，结构计算根据肋柱的埋深和工程地质水文状况，肋柱按一端固结或铰支，另一端自由的超静定连续梁进行计算，根据计算确定的内力，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）对肋柱和挡土板进行配筋，确定预应力锚索钢绞线的根数和预应力张拉吨位。现将F型肋柱的计算如下：
①. 将车辆荷载置换为等代土柱高，按库仑土压力计算墙背土压力；
②. 用力矩分配法，解得个点弯矩和剪力；
③. 根据计算得到的内力，对肋柱进行配筋；
④. 根据计算得到的内力，确定预应力锚索钢绞线的根数和预应力张拉吨位。
3.3.2挡土板
⑴ 布置原则
挡土板根据实际地形分别采用尺寸为0.5×0.3×2.3米挡土板和0.5×0.25×2.8米挡土板两种类型。
⑵ 计算分析
挡土板按以肋柱为支座的简支梁进行验算，其计算跨径lp为挡土板两支座中心的距离，荷载取挡土板所在位置土压力的平均值，即q=（σ′+σ″）*h/2。
得挡土板跨中最大弯矩Mmax=qlp2/8；支座处剪力Q= qlp/2
根据挡土板的内力进行配筋计算。
3.3.3预应力锚索
⑴ 布置原则
锚索按压力分散型锚索进行设计，每根锚索均向下与水平夹角为15°，锚索间距为4米，按肋柱高度，分别确定锚索钢绞线的根数和预应力张拉力。预应力钢绞线采用一端张拉的方式进行张拉。锚索钢绞线材料应选用高强度、低松弛环氧喷涂无粘结预应力钢绞线，（ASTM A416-88a标准270级，Rｂｙ=1860Kpa，松弛率为3.5%，Φj=15.24mm），共计设置锚索231根，其中上排桩设置101根；下排桩设置130根。
⑵ 计算分析
① 计算假定：假定锚固段传递给岩体的应力沿锚固段全长均匀分布；假定钻孔直径和锚固段注浆体直径相同（即注浆时地层无被压缩现象）；假定岩石与注浆体界面产生剪切破坏。
② 计算锚固段长度：锚索的锚固段长度按公式：
L=（SfNt）/（πDqr） 和 L=（SfNt）/（nπdξqr）
分别计算，取最大值。
⑶ 抗拉拔试验
为取得现场资料与数据，确定土体的极限承载力，以及为设计提供合理的参数，在2001年7月至9月在工地现场进行肋锚索抗拉拔试验。试验锚索共6束。分别为750KN、1200KN、1600KN级锚索各2束。试验结果见下表
编号 地层情况 钻孔直径 锚固长度 设计应力 试验荷载 最大检验荷载钢绞线理论伸长值最大检验荷载钢绞线实际伸长值
mm m KN KN mm mm
1 前12.2米为碎石土，后为板岩 前12.2米为168,后为150 24 1600 2288 60 65
2 前13.3米为碎石土，后为板岩 152 18 1200 1664 71 72.5
3 前10.7米为碎石土，后为板岩 前8.4米为168,后为150 12 750 1040 71 69
4 碎石土 153 24 1600 2288 60 64
5 前13米为碎石土，后为板岩 151 12 750 1040 71 73
6 前16米为碎石土，后为板岩 152 18 1200 1920 71 70
注：①试验中6号锚索超规范拉至0.923Afptk，未见破坏，其余锚索都按规范拉至0.8Afptk，未见破坏；②表中钢绞线伸长量系指基准钢绞线长度反映到大千斤顶上的值。
3.3.4 其他处治措施
⑴ 由于场区分布的碎石土、亚粘土（粉质粘土）抗剪性能较差，加之位于高角度边坡之上，边坡稳定性差，对段落进行削坡和在河岸边设置挡墙，挡墙高度均大于最大洪峰线位。
⑵ 根据 自然 坡体的特点，上坡体采用锚杆框格梁进行防护，地梁之间暴露部分为防止坡面风化、剥蚀，采用种草进行处理。
⑶ 为排除地下水，提高岩土的抗剪强度，对于富水的高边坡，在坡脚及回填土处，设置仰斜排水孔，孔间距5～7m，孔径Φ100，仰斜5～10°，并采用特殊的透水型排水软管。
⑷ 对于工程地质条件较差，有倾向于临空面的不利结构面的高边坡，其坡脚应力集中，有滑塌可能，根据推力计算，在各级设置支挡工程，工程措施既要满足坡体的整体稳定，又要满足局部稳定的要求，同时要保证施工过程中的临时稳定。
4、施工工艺
4.1 施工工艺要求
4.1.1肋柱及护壁
⑴ 采用挖孔灌注桩结合护壁施工，挖掘及支撑护壁两个工序应连续作业，护壁每1米为一节，锁口与护壁，护壁与护壁间上、下节带弯钩的纵向钢筋搭接绑扎。施工期间应认真观测井壁变形，在岩质松软或可能滑动的层面应加密钢筋，并适当加厚护壁。
⑵终孔并清理孔底后，吊入钢筋笼，应将其调正，准确就位；地面以上的主筋应预留一定的焊接长度接头间隔错开，在同一断面内接头钢筋面积不应超过钢筋总面积的50%。终孔后清孔后必须干净，孔底沉淀土层厚度应满足施工规范要求。
⑶ 肋柱柱身混凝土应连续浇注，不留施工缝，如必须间歇而又超过下层混凝土凝结时间时，应停止浇注，以施工缝处理。柱身较高时可采取分段浇筑的方式，分段位置不得低于锚索标高以上1.0米，柱身连接处必须焊接主筋时，焊接长度不得小于30cm。所有钢筋的加工、安装和质量验收等均应按照施工规范的有关规定进行。
⑷ 在肋柱的施工全过程中必须对肋柱进行位移监测，加强预警预报工作，保证施工安全。
⑸ 肋柱施工应隔桩进行。
4.1.2 挡土板
⑴ 挡土板为预制钢筋混凝土矩形板，预制时于板两端1/4板长处预留吊装孔，同时作为泄水孔，孔内壁涂抹沥青，预制场设置的规模和配备应结合实际情况而定。
⑵ 挡土板宜平面堆放，其堆积高度不宜超过5块，板块间宜用木材支垫，并应置于设计支点位置，运输过程中应轻搬轻放。
⑶ 挡土板安装时，应竖向起吊，二头挂有绳索，以手牵引，对准柱两侧划好的放样线，将挡土板正确就位，应防止与柱相撞，必要时，在两侧和中间设斜模支承，确保挡土板的稳定。
⑷ 挡土板采取直接搭接柱身的形式，柱、板连接处的间隙用沥青麻絮填塞。挡土板之间的上下安装缝宜小于10mm，较大时可用砂浆填塞或沥青软木板衬垫。要求板面平整，外形轮廓清晰，线条顺直，各部尺寸应符合要求。
⑸ 安装挡土板时应做好防排水设施及填筑墙背填料；当土板顶面不齐时，可用砂浆或现浇小石子混凝土作顶面调整层；对于土质松软，地表水丰富地段，挡土板应老虑埋入原地面下1.0米左右。
4.1.2预应力锚索
⑴ 根据锚索的设计图纸，按设计要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位误差不得超过±5cm。
⑵ 钻孔
① 锚索钻孔要求干钻，禁止开水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡岩体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。为清除钻孔及孔壁上附着的粉尘、泥屑，钻孔完成后必须使用高压空气（风压0.2～0.4Ｍpa）将孔中岩粉及水全部清除出孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩体的粘结强度，保证孔内干燥和孔壁的干净粗糙；钻孔完成并清洗干净后，应对孔口进行暂时封堵，不得使碎屑、杂物进入孔口。
② 锚孔下倾与水平夹角为15°，允许误差±1°，为确保锚孔深度，实际钻孔深度不小于设计长度且不大于设计长度的1％，当有不可排出的松散物时，应考虑松散物所占据孔的深度。
③ 钻进过程中应对每个孔的地层变化，钻进状态（钻压、钻速），地下水及一些特殊情况作现场记录，如遇地层松散，破碎时，应采用跟套管钻进技术，以使钻孔完整不坍。如有地下水从孔口溢出时，应采用固结注浆，以免锚固段注浆体流失或强度降低；如遇坍孔，应立即停钻，进行固壁灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2Mpa），待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。
④ 钻孔的精度应满足以下要要求：
a.钻孔的孔径不小于设计要求；
b.锚索钻孔在任何一个方向上的入口误差不得大于2.5°;
c.钻孔在钻进长度方向上的孔斜偏差不宜大于钻孔长度的1/30;
d.钻孔水平方向的误差不应大于50mm，垂直方向的误差不应大于100mm。
⑤ 此边坡表层岩体破碎，锚孔倾角较小，坡体又很陡峻，建议采用潜孔冲击钻或旋转钻钻进，同时须备带套管。
⑶压水实验：
为了保证在锚索注浆时注浆不从孔内的的裂缝中流失，就要对钻孔的渗漏情况进行确定，为此，在第一次成孔后和锚索推送前，应对钻孔进行压水实验。压水实验的水压力一般不大于0.3Mpa。
① 进行压水实验时应按岩层的不同特性划分实验段，实验段长度宜5～10m;
② 实验的起始压力、最大压力和压力级数按需要和现场情况确定；
③ 应在每10分钟的间隔记录一次压入水量，当连续四次读数的最大值或最小值与最终值之差小于最终值的5%时，该值即为该压力下的最终压入水量；
④ 压力应由小到大逐级进行，达到最大压力后再由大到小逐级减少到起始压力，并及时绘制压力与压入水量的相关图；
⑤ 当测得钻孔在0.1Mpa的压力下10min内平均漏水量超过5L/min时，应对钻孔进行预注浆；待注浆体固化后再进行钻孔并重复压水实验，直到漏水量满足要求为止；
⑥ 当有水从钻孔渗出，且在邻近岩体区域内的节理裂隙中可看到渗水时，可不做压水实验而直接进行预注浆。
⑷ 锚索制作
① 锚索制作前应对钻孔实际长度进行测量，并按孔号截取锚索体长度；钢铰线宜使用机械切割，不得用电弧切割，制作好的锚索应按对应孔号进行编号；编束前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，对有死弯，机械损伤处应剔出。无粘结绞线外套PE管不得有破损。
② 锚索制作应进行防腐处理，钢铰线全长涂刷带锈防锈剂，采用全长波纹套管防护；
③ 锚索锚固段的隔离支架和束线环应根据现场装配情况而定，一般间距为0.6～1.0m；锚索自由段和锚固段外波纹套管周围设对中支架，间距一般为1.5～2.0m，以保证钢绞线顺直。锚索头部应放有导向帽，以利穿索入孔。
⑷ 注浆
① 注浆材料为普通525水泥，中细砂、砂浆强度≥40Mpa。
② 采用孔底返浆进行注浆，注浆管应随锚体一同送入孔底，在注浆时边注边拔，使注浆管始终有一段埋于注浆液中，直到注满；当孔中存有积水时，注入的浆液会将积水全部排出，待溢出浆液的稠度与注入浆液的稠度一样后再抽出注浆管，注浆压力≥0.3Mpa。
4.1.3张拉、锁定
⑴ 只有当肋柱和注浆体达到预计强度后才能进行锚索张拉，通过给锚索施加预应力，使锚索主动受力，达到设计加固效果。采用小型千斤顶进行单根对称和分级循环张拉，可减少锚索的受力不均匀。张拉作业前必须对张拉机具设备进行标定，张拉机具应与锚具配套。
⑵。张拉时，加载速率不宜太快，宜控制在设计预应力值的0.1/min左右，达到每一级张拉应力的预定值后，应使张拉设备稳定一定时间，在张拉系统出力值不变时，确信油压表无压力向下漂移后再进行锁定。卸荷速率宜控制在设计预应力值的0.2/min左右。
⑶锚索超张拉力为锚索设计拉力值的1.05倍，锚索张拉应分次分级进行，按对称张拉原则进行，必须待每根绞线张拉完一级后方可进行下一级的张拉。依次按此进行，直至张拉吨位。每次分级张拉时，除第一级需稳定10～15分钟外，其余每一级需要稳定2～5分钟，并分别记录每一级钢绞线的伸长量。张拉时钢绞线受力要均匀。并做好分级绞线的标记。锚具回缩等原因造成的预应力损失采用超张拉的 方法 加以克服，超张拉值一般为设计预应力的5%～10%，其程序如下。张拉完成48小时内，若发现预应力损失大于设计预应力的10%时，应进行补偿张拉。
0 （105%～110%）设计预应力（105%～110%）设计预应力 稳压t min tmin 最小稳压时间，一般大于2min
⑷在张拉时，应采用张拉系统出力与锚索体伸长值来综合控制锚索应力，当实际伸长值与 理论 值差别较大时，应暂停张拉，待查明原因并采用相应措施后方可进行张拉；
⑸张拉到位后，即锁定。机械切除多余钢绞线，严禁电割、氧割，并应留≥10cm以防滑脱，最后用Ｃ20砼封锚。
⑹根据此边坡工程的特殊性，下坡体的张拉应先对锚固坡体的绞线进行张拉，等到板墙内的填土到一定高度后再对肋柱上的锚索按从下到上的顺序进行张拉、锁定、封锚。
4.2工程实施步骤及注意事项
预应力锚索桩板墙工程较为复杂，该工程更是如此，故合理确定项目的施工顺序显得尤为重要，为确保施工和运营过程中边坡的稳定，除应采取合理的支挡加固措施外，还必须采用 科学 有效的施工方法、工艺及程序，避免施工过程中边坡失稳破坏，造成重大损失，甚至于留下后患， 影响 边坡的长期稳定和运行的安全。
⑴ 充分做好施工前的准备工作，提前修筑、搭建施工临时便道，保证施工队伍进场能顺利开工。
⑵ 施工前应先熟悉设计图纸，认真做好各项工程施工组织计划，充分考虑当地季节性气候对施工工艺的影响，尽量避免安排在雨季施工。
⑶ 施工单位必须现场实测断面，按设计放线，放线以路线中心线及路基标高为准，所有支挡及防护工程，均应按设计型式尺寸挂线放样施工，保证施工质量。
⑷ 下坡体施工的特殊性、坡体上的锚索孔位是根据相应的肋柱位标高沿15°倾角投到相应坡体上，由于是 自然 坡体没有统一的坡率，设计出的锚孔孔位与实际坡面上的孔位会有偏差，故下坡体锚孔孔位应主要由现场实测定出，这要求测量队伍需有较高的专业水平。
⑸ 下坡体的施工应严密组织，充分协调与组织好各施工工序的合理进行，要处理好测孔位、搭设工作架、造孔与浇注肋柱的先后关系，否则会严重影响到后序工作的进行。
⑹ 此坡体上部为坡积碎石土、亚粘土（粉质粘土），其抗冲刷能力低，一遇暴雨极易产生崩塌，一旦崩塌物为较大块石，其巨大的冲击能量势必危及下部构筑物的安全，须引起高度重视，并在施工前进行有效防护处理。
⑺ 清方削坡应采用无声膨胀爆破施工以减少对山体的扰动。
5、结束语
总之，路基横向陡边坡处治工程的复杂性及边坡工程本身的隐蔽性，勘察设计人员在整个勘察设计过程中应根据水文地质条件，充分认识到潜在的地质危害，既要充分考虑工程的安全性、可靠性及经济性，又要重视施工方法、施工工艺的可行性，尽量做到节约工程投资，缩短施工工期。
