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1、预应力锚杆、锚索在高速公路高边坡防护中的应用摘 要: 预应力锚杆(索)已经是高边坡防护工程中越来越重要的手段，结合河龙高速公路第4标段预应力锚杆(索)在高边坡防护工程中的施工实践，介绍其施工工艺和施工注意事项，可供类似工程参考。关键词：预应力锚杆；高边坡防护；高速公路1 概述在高速公路的高边坡工程中,当潜在的滑体沿剪切滑动面的下滑力超过抗滑力时，将会出现沿剪切面的滑移和破坏。在坚硬的岩体中，剪切面多发生在断层、节理、裂隙等软弱结构面上。在土层中，砂性土的滑面多为平面，粘性土的滑面一般为圆弧状。有时也会出现沿上覆土层和下卧基岩间的界面滑动。为了保持边坡的稳定，一种办法是采用大量削坡直至达到稳定的
2、边坡角；另一种办法是设置支挡结构。在许多情况下单纯采用削坡或挡墙往往是不经济的或难以实现的。这时可采用锚杆(索)进行加固。采用锚杆(索)加固高边坡，是岩土锚固技术在高边坡工程中的应用，它是利用锚杆(索)周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面的自身稳定，由于锚杆、锚索的使用，使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；可以使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的复合体，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移。这是一般支挡结构所不具备的力学作用。在岩土锚固中通常将锚杆和锚索统称为锚杆。由于这种技
3、术大大减轻结构物的自重、节约工程材料并确保工程的安全和稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而目前在工程中得到极其广泛的应用。最早使用锚杆的是1911年美国矿山巷道支护中利用的岩石锚杆，1918年西利西安矿山开始使用锚索支护，1934年舍尔法坝采用了预应力锚杆（索）。目前各类岩石锚杆已达数百种之多，并且许多国家和地区先后都制定了锚杆规范或推荐性标准。我国在50年代开始应用岩石锚杆，60年代开始大量采用锚固技术，特别是在我国矿山巷道、铁路隧道、公路隧道、排水遂洞等地下工程中大量采用普通粘结型锚杆与喷射混凝土支护。近年来随着高速公路的迅猛发展，在公路边坡、大型滑坡治理中更多采用预应力锚索加固技术。
4、岩土锚固技术几乎遍及土木工程的各个领域，如边坡、基坑、隧道、坝体、码头、船闸、桥梁等。2 锚杆的结构锚杆是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系，主要由锚头、自由段和锚固段组成，如图1、图2所示。(1)锚头：锚杆外端用于锚固或锁定锚杆拉力的部件，由垫墩、垫板、锚具、保护帽和外端锚筋组成。(2)锚固段：锚杆远端将拉力传递给稳定地层的部分锚固深度和长度应按照实际情况计算获取，要求能够承受最大设计拉力。(3)自由段：将锚头拉力传至锚固段的中间区段，由锚拉筋、防腐构造和注浆体组成。(4)锚杆配件：为了保证锚杆受力合理、施工方便而设置的部件，如定位支架、导向帽、架线环、束线环、注浆塞等。1台座； 2锚具
5、；3承压板； 4支挡结构；5钻孔； 6自由隔离层；7钢筋； 8注浆体；Lf自由段长度；La锚固段长度。1台座； 2锚具；3承压板；4支挡结构；5自由隔离层；6钻孔；7对中支架； 8扩张环；9钢绞线； 10架线环；11注浆体； 12导向帽；Lf自由段； La锚固段。图1 锚杆结构示意图 图2 锚索结构示意图按是否预先施加应力分为预应力锚杆(索)和非预应力锚杆(索)：非预应力锚杆是指锚杆锚固后不施加外力，锚杆处于被动受载状态；非预应力锚杆通常采用、级螺纹钢筋，锚头较简单，如板肋式锚杆挡墙、锚板护坡等结构中通常采用非预应力锚杆。预应力锚杆是指锚杆锚固后施加一定的外力，使锚杆处于主动受载状态；预应力锚
6、杆在锚固工程中占有重要地位。预应力锚杆的设计与施工比非预应力锚杆复杂，其锚筋一般采用精轧螺纹钢筋（2532）或钢绞线,目前在公路滑坡处治中广泛采用预应力锚索加固技术。3 锚杆(索)加固边坡的应用在土层中，边坡安设锚杆（索）后所提高的安全系数可用下式条分法公式计算： (1)式中，是作用在第条滑面上的法向力；是作用在第条滑面上的切向力；是第条滑面上的粘聚力；是第条滑面长度；是锚杆锚固力沿滑面法向的分力；是锚杆锚固力沿滑面切向的分力；是滑面上的摩擦系数。在岩体中，由于岩石产状及软硬程度存在严重差异，岩石边坡可能出现不同的失稳和破坏模式，如滑移、倾倒、转动破坏等。锚杆的安设部位、倾角为抵抗边坡失稳与破
7、坏最有利的方向，一般锚杆轴线应当与岩石主结构面或潜在的滑移面呈大角度相交，如图4所示。 图3 锚固边坡的稳定性分析(a)锚杆平衡滑动力 (b)锚杆抵抗转动破坏 (c)锚杆抵抗倾倒图4 锚杆增强岩石边坡的稳定性锚杆在边坡加固中通常与其它支挡结构联合使用，例如：(1)锚杆与钢筋混凝土桩联合使用，构成钢筋砼排桩式锚杆挡墙。排桩可以是钻孔桩、挖孔桩或劲性砼桩，锚杆可以是预应力或非预应力锚杆，预应力锚杆材料多采用刚绞线（预应力锚索）、四级精轧螺纹钢（预应力锚杆）。锚杆的数量根据边坡的高度及推力荷载可采用桩顶单锚点作法和桩身多锚点作法。在边坡支护中排桩式锚杆挡墙主要用于下列情况: 位于滑坡区域的边坡支护、
8、路堑开挖造成的牵引式滑坡或路堤引发的推力式滑坡、工程滑坡可能性较大的潜在滑坡区域的边坡支护，在抗滑桩难以支挡边坡推力荷载时，宜采用预应力锚索抗滑桩结构，如图5所示。 边坡切坡后，由于外倾软弱结构面形成临空状楔体塌滑可能性较大，造成危害性较大的边坡。 高度大于12米、稳定性较差的土层边坡，此时由于抗滑桩悬臂较长，承受的弯矩过大，为了防止抗滑桩破坏，可采用单锚点或多锚点作法。 坡顶0.5米内有重要建筑物或较大荷载的、类岩石边坡和土层边坡宜采用排桩式锚杆挡墙支护。 图5 滑坡处治的预应力锚索抗滑桩结构(2)锚杆与钢筋混凝土格架联合使用形成钢筋砼格架式锚杆挡墙，锚杆锚点设在格架结点上，锚杆可以是预应力
9、锚杆（索）或非预应力锚杆（索）。这种支挡结构主要用于高陡岩石边坡或直立岩石切坡，以阻止岩石边坡因卸荷而失稳。如图6所示。(3)锚杆与钢筋混凝土板肋联合使用形成钢筋砼板肋式锚杆挡墙，这种结构主要用于直立开挖的、类岩石边坡或土质边坡支护，一般采用自上而下的逆作法施工。如图7所示。(4)锚杆与钢筋混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定板挡墙。 图6 钢筋砼格架式锚杆支护这种结构主要用于填方形成的直立土质边坡，如图8所示。图7钢筋砼板肋式锚杆挡墙 图8 锚定板挡墙(5)锚杆与钢筋砼面板联合使用形成锚板支护结构，适用于岩石边坡。锚杆在边坡支护中主要承担岩石压力，限制边坡侧向位移，而面板则用于限制岩石单块塌落
10、并保护岩体表面防止风化。锚板可根据岩石类别采用现浇板或挂网喷射混凝土层。(6)锚钉加固边坡，在边坡中埋入段长而密的抗拉构件与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性。这种方法主要用于土质边坡和松散的岩石边坡，加固高度较小，多用于临时边坡加固。4 工程应用实例4.1 工程概况河龙4标段里程桩号为K29+200K36+492.19，线路总长7.27761Km，本标段地势起伏较大，有多处高边坡开挖及防护工程。锚杆(索)工程在本标段有较多的运用。K29+424K29+769线路左侧为6级边破，路面至坡顶最高距离为61.08m，岩石破碎，多裂隙，有土石夹层。防护形式：第1级坡面垂直8m，坡率1：0.5，锚杆框
11、架梁防护；第2、3、4、5级单级垂直10m，坡率1：0.75，预应力锚索防护，底梁支护。第6级坡面垂直10m，坡率1：0.75，底梁锚杆防护。该坡面非预应力锚杆4488m，预应力锚索10604m。K30+120K30+440左侧7级高边坡，第1级、第7级为非预应力锚杆框架梁防护，第2、3、4、5、6级为预应力锚索防护，该边坡地势陡峭，岩石破碎，属土石边坡，上覆土层与下卧基岩有明显的界面，属高危边坡，因此锚索锚固段必须穿过土层，深入岩基。该段非预应力锚杆7875m,预应力锚索12213m。K31+120K31+300高边坡设计为4级边坡防护，第13级为非应力锚杆防护，第4级为拱形骨架防护边坡，岩
12、层走向及边坡开挖面反倾，但较破碎，属较稳定边坡，属锚杆抗倾防护。4.2 锚杆(索)施工以K30+120K30+440左侧高边坡为例谈锚杆（索）施工锚杆施工质量的好坏将直接影响锚杆的承载能力和边坡稳定安全，一般在施工前应根据工程施工条件和地质条件选择适宜的施工方法，认真组织施工。在施工过程中如遇与设计不符的地层，应及时报告设计人员，以作变更处理。锚杆施工包括施工准备、造孔、锚杆制作与安装、注浆、锚杆锁定与张拉等五个环节。4.2.1 施工前的准备工作施工前的准备工作包括施工前的调查和施工组织设计两部分。施工前的调查是为施工组织设计提供必要资料，其内容有：锚固工程计划、设计图、边坡岩土性状等资料是否
13、齐全；施工场地调查，施工对交通的影响情况；施工用水、用电条件调查；边坡工程周边可能对施工造成影响的各种状态调查；该工程紧靠东江，防止未净化的工程用水直接排入江中；掌握作业限制、环保法规或地方法令对施工造成的影响；其他条件的调查，如施工用便道、气象、安全等条件。在对上述内容作调查、并掌握详细资料后，应制定施工组织设计，确定施工方法、施工程序、使用机械、工程进度、质量管理和安全管理等事项。施工组织设计书包括工程目的、工程概要、设计锚杆规格和锚固力要求、工程进度、组织编制表、使用机械、临时设施、使用材料、作业程序及人员配备、施工管理与质量控制计划、安全管理计划、应交付工程验收的各种技术资料、施工管理
14、程序图表等13个方面的内容。4.2.2 施工工艺(1)钻孔准确放出各锚杆孔的位置，搭设脚手架，架装潜孔钻机并稳固。用仪器测定钻机导向架的倾角（与水平面夹角为25度），在钻进过程中随时检查倾斜度，钻孔端部的斜偏尺寸不应大于锚杆长度的2%。为确保锚杆施工不至于使边坡地质条件恶化，采用无水干钻。钻进过程中如遇到严重塌孔，应立即停止钻进，进行注浆固壁处理（注浆压力0.10.2MPa），注浆36小时后重新扫孔钻进。相邻锚杆施工方位调整平行，严格定向定位，钻机安装牢固，钻孔口径为100mm。钻孔采用回转钻进方式，钻进时采用泥浆循环护孔，钻孔达到设计深度后，继续超钻2050cm。钻孔完毕后，用高压风清除孔内
15、残留物。钻孔是锚固工程费用最高、控制工期的作业，因而是影响锚固工程经济效益的主要因数。锚杆钻孔应满足设计要求的孔径、长度和倾角，采用适宜的钻孔方法确保精度，要使后续的杆体插入和注浆作业能顺利地进行。一般要求如下：在钻机安放前，按照施工设计图采用经纬仪进行测量放线确定孔位以及锚孔方位角，并作出标记。一般要求锚孔入口点水平方向误差不应大于50mm，垂直方向误差不应大于100mm。确定孔位后根据实际地层及钻孔方向选取适当的钻孔机具并确定机座水平定位和立轴倾角(即锚孔倾角)，钻机立轴的倾角与钻孔的倾角应尽量相吻合，其允许的误差只能是岩心管倾角略大于立轴倾角，不允许有反向的偏差出现。开孔后，尽量保持良好
16、的钻进导向。在钻进过程中根据实际地层变化情况，随时调整钻进参数，以防止造成孔斜偏差。在边坡锚固的钻孔过程中应注意岩芯的拾取，并尽量提高岩芯采取率，以求不断地准确地划分地层、确定不稳定岩土体厚度，判断断裂破碎带、滑移面、软弱结构面的位置和厚度，从而验证设计所依据的地勘资料，必要时修改设计。锚孔深度应超过设计长度0.51.0m，同时锚孔锚固段必须进入中风化或更坚硬的岩层，深度一般不得小于5米。(2)锚杆制作与安装在锚杆制作上，棒式锚杆的制作十分简单，一般首先按要求的长度切割钢筋，并在外露端加工成螺纹以便安放螺母，然后在杆体上每隔13m安放隔离件以使杆体在孔中居中，最后对杆体按要求进行防腐处理，这样
17、棒式锚杆的制作便完成。而对于多股钢绞线的锚杆（如图2所示）制作较复杂，其锚固段的钢绞线呈波浪形，自由段的钢绞线必须进行严格的防护处理。对于锚杆(索)总的要求如下：严格按照设计进行钢筋（或钢绞线）选材。对进场的钢筋或钢绞线必须验明其产地、生产日期、出厂日期、型号，并核实生产厂家的资质证书及其各项力学性能指标。同时须进行抽样检验，以确保其各项参数达到锚固施工要求。对于预应力锚固结构，优先选用高应力、低松弛的钢绞线，保证其与混凝土有足够的粘结力(握裹力)，同时应保证预应力损失后仍能建立较高的预应力值。严格按照设计长度进行下料。对进场钢筋经检验达到上述技术要求后，即可进行校直、除锈处理，然后，按照施工
18、设计长度进行断料，其长度误差不应大于50mm。一般实际长度应大于计算长度的0.30.5m，但不可下得过短，以致无法锁定或者给后续施工带来不便。锚杆组装可在严格管理下由熟练人员在工地制作。对于、级钢筋连接时宜采用对接焊或双面搭接焊，焊接长度不应小于8倍钢筋直径，精轧螺纹钢筋定型套筒连接。锚杆自由段必须按照设计作防腐处理和定位处理。锚束放入钻孔之前，应检查孔道是否阻塞，查看孔道是否清理干净，并检查锚索体的质量,确保锚束组装满足设计要求。安放锚束时，应防止锚束扭压、弯曲, 注浆管宜随锚体一同放入钻孔，注浆管端部距孔底宜为50mm100mm，锚束放入角度应与钻孔角度保持一致，在入孔过程中，注意避免移动
19、对中器，避免自由长度段无粘结护套或防腐体系出现损伤。锚束插入孔内深度不应小于锚束长度的95%。(3)注浆施工锚固的注浆是锚杆施工过程中的一个重要环节，注浆质量的好坏将直接影响锚杆的承载能力。锚孔一般采用水泥浆或水泥沙浆灌注，浆液的拌合成分、质量和关注方式在很大程度上决定了锚杆的粘结强度和防腐效果。因此在锚杆注浆施工应当严格把握浆材质量、浆液性能、注浆工艺和注浆质量。一般要求有：按设计规定选择水泥浆体材料。选用水泥标号选用425#的新鲜普通硅酸盐水泥，对进场水泥应复查力学性能。搅拌浆液所用水中不含有影响水泥正常凝结、硬化的有害物质。选用砂料的含泥量按重量计不得大于3%，砂中有害物质(如云母、轻物
20、质、有机物、硫化物等)含量应低于1%2%，砂的粒径以中砂(平均粒径0.30.5mm)较好,但要求含水量不应大于3%。外加剂的品种与用量由试验确定，一般情况下加速浆体凝固的水玻璃掺量为0.5%3%；提高浆液扩散能力和可泵性的表面活性剂(或减水剂)，如三乙醇胺等，其掺量为水泥用量的0.02O.05%；为提高浆液的均匀性和稳定性，防止固体颗粒离析和沉淀而掺加的膨润土，其掺量不宜大于水泥用量的5%。注浆作业应连续紧凑，中途不得中断，使注浆工作在初始注入的浆液仍具塑性的时间内完成；在注浆过程中，边灌边提注浆管，保证注浆管管头插入浆液液面下5080cm，严禁将导管拔出浆液面，以免出现断杆事故。实际注浆量不
21、得少于设计锚索的理论计算量，即注浆充盈系数不得小于1.0。二次高压注浆形成连续球型锚杆的注浆还应注意：一次常压注浆作业应从孔底开始，直至孔口溢出浆液；对锚固体的二次高压注浆应在一次注浆形成的水泥结石体强度达到5.0MPa时进行，注浆压力和注浆时间可根据锚固体的体积确定，并分段依次由下至上进行。 图9锚杆施工管理程序示意图(4)锚杆（索）的张拉与锁定该锚索加固边坡防护采用高强度、低松弛钢绞线，钢绞线标准强度为Rb=1860Mpa。锚索张拉控制力为520.8KN,超张拉10%。锚杆的张拉，其目的就是要通过张拉设备使锚杆杆体自由段产生弹性变形，从而对锚固结构施加所需求的预应力值。在张拉过程中应注重张
22、拉设备选择、标定、安装、张拉荷载分级、锁定荷载以及量测精度等方面的质量控制，一般要求如下：张拉设备要根据锚杆体的材料和锁定力的大小进行选择。选择时应考虑它的通用性能，从而使得它具备除可能张拉配套锚具外，还能张拉尽可能多的其他系列锚具的通用性能，做到一项多用。同时张拉设备应能使预应力筋的拉力既能从已有荷载上增加或降低，又能在中间荷载下锚固，最后张拉设备还应能拉锚以确定预应力荷载的大小。张拉前对张拉设备进行标定。对于1000kN以下的千斤顶，可用2000kN的压力机标定,标定的数据与理论出力误差应小于2%。安装锚夹具前，要对锚具进行逐个严格检查。锚具安装必须与孔道对中，夹片安装要整齐，裂缝要均匀，
23、理顺注浆管后依次套入锚垫板、工作锚、限位板，在限位板上用千斤顶预拉，每根预拉一定荷载后，再套入千斤顶、工具锚、工具夹片等。张拉前，必须待锚固段、承压台(或粱)等构件的混凝土强度达到设计强度方能进行张拉，同时必须把承压支撑构件的面整平，将台座、锚具安装好，并保正和锚索轴线方向垂直（误差50）。张拉应按一定程序和设计张拉速度(一般为40KN/min)进行。正式张拉前进行二次预张拉，张拉力为设计拉力的10%-20%。正式张拉荷载要分级逐步施加，不能一次加至锁定荷载。分级施加荷载和观测变形的时间可按表1执行。表1 锚杆张拉荷载分级及观测时间表张拉荷载分级观测时间(min)砂质土粘牲土0.10 Nt55
24、0.25 Nt550.50 Nt550.75 Nt55l.00 Nt510l.l0-l.20Nt1015锁定荷载1010注：Nt为锚索设计拉力,即最终锁定荷载。4.3锚杆(索)的试验与观测4.3.1锚杆(索)验收试验锚杆验收试验是在锚固工程完工后为了检验所施工的锚杆是否达到设计的要求而进行的检验性抗拔试验，该试验起到鉴别工程是否符合要求的目的。通常验收试验检验的锚杆的数量应不少于锚杆总数的5%，且一个边坡不得少于3根。验收试验最大试验荷载：对于永久性锚索应为设计轴向拉力值的1.5倍；对于临时性锚索应为设计轴向拉力值的1.2倍。荷载分级施加并测读各级荷载下的伸长值。试验结果进行计算机处理，并绘制
25、试验荷载位移（QS）曲线（如图10）。锚杆验收试验满足以下条件，即为合格：1)验收试验所得的总弹性位移超过自由段长度理论弹性伸长的80%，但小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的理论弹性伸长。2)在最大试验荷载作用下，锚头位移趋于稳定。表2 锚杆验收试验加荷等级与观测时间荷载分级观测时间(min)临时锚杆永久锚杆0.10 Nt550.25 Nt550.50 Nt5100.75 Nt1010l.00 Nt1015l.20 Nt1515l.50 Nt15图10 锚杆性能试验（QS）曲线4.3.2锚杆(索)的蠕变试验在软粘土中设置的锚杆，在较大荷载作用下会产生很大的蠕变变形，为了掌握软粘土中的锚杆的
26、工作特性，国内外的有关标准都对锚杆的蠕变试验作了相应的规定。我国有关锚杆标准规定，凡塑性指数大于20的土层中的锚杆，均应进行蠕变试验，且试验的根数不应少于3根。蠕变试验的加荷等级和观测时间应满足表13的要求，在观测时间内，荷载必须保持恒定，每级荷载下观测蠕变量随时间的变化。最后将每级荷载下的锚杆蠕变量时间对数曲线在坐标系中绘出，。定义曲线的斜率值（曲线为直线）为蠕变系数，即：式中, 为某一级荷载下的蠕变系数；为时刻的蠕变量；为时刻的蠕变量。锚杆蠕变试验所测得的最后一级荷载下的最终一段观测时间内的蠕变系数不应大于2.0mm。表3 锚杆蠕变试验加荷等级与观测时间荷载分级观测时间(min)临时锚杆永
27、久锚杆0.10 Nt100.0.5 Nt10300.75 Nt3060l.00 Nt60120l.20 Nt90240l.33Nt1203604.3.3锚杆(索)的长期观测锚杆施工完毕后，为了了解锚杆预应力损失情况和锚杆的位移变化规律，以便确认锚杆的工作能力，需要对锚杆进行长期观测，一般连续观测时间超过24小时就可看作是长期观测。在观测结果过程，如果发现锚杆的工作性能较差或不能完全承担锚固力，可以根据观测结果，采用二次张拉锚杆或增设锚杆数量等措施，以保证边坡锚固工程的可靠性。锚杆预应力变化的可采用测力计，测力计一般安装在传力板和锚具之间并始终保持中心受荷。由于锚杆张拉锁定后头几个月预应力损失较
28、大，一年后逐渐递减，两年后预应力损失基本终止，趋于稳定状态。故张拉锁定后的长期监控时间一般不得少于1年，但如遇自然环境恶劣并对边坡稳定性有较严重影响时，监控时间应适当延长。且每个工点不得少于3-5个观测点。同时在混凝土浇筑过程中应有专人对观测设施进行监护。锚杆张拉锁定后第一个月内每日观测1次；2-3个月内每周观测1次；4-6个月内每月观测3次；7个月-1年内每月观测2次；1年以后每月观测1次。在观测过程中，如出现异常，应立即进行检查，处理完毕后，方能继续观测。观测成果及时整理，第一年内的观测成果将作为工程验收的资料。5 结束语河龙高速公路在高边坡防护工程中大量使用预应力锚杆(索)，较好的防止了高边坡不稳定岩层、土层的滑移，对边坡的长期稳定提供了很好的保证。现在河龙高速公路4标段锚杆（索）防护工程已经接近尾声，防护工程在质量、进度、安全方面得到了业主、设计、监理等单位的好评。现将以上文字整理，使大家能够更好的了解预应力锚杆（索）工程。
