岩质高边坡桩板式挡墙预应力锚索支护结构及方法

技术领域

本发明属于边坡防护技术领域，具体涉及一种岩质高边坡桩板式挡墙预应力锚索支护结构及方法。

背景技术

在山区的建筑工程中，为了防止高边坡变形及坍塌，一般采用岩土体预应力锚索支护来进行加固，它能够确保边坡稳定，节约工程材料，具有显著经济效益，在工程建设中被广泛采用。锚索支护一般的做法是采用在抗滑桩上浇筑钢筋混凝土锚墩，待锚墩混凝土达到设计强度后，再进行锚索施工。由于锚索张拉工艺的不同、材料的选择、锚索与孔壁之间的摩擦、锚具变形、钢垫板后混凝土浇筑振捣方法等原因导致预应力锚索应力在不同时期产生不同程度的损失，特别是在支护桩后的土质发生变化时更为明显，严重威胁工程的安全；其次支护体系耐久性也与砂浆自身的强度、砂浆与锚索(杆)的粘结力、砂浆与岩层的粘结强度、岩层渗水侵蚀等因素有着直接的关系，加之人们对质量、安全和环境保护意识的增强，预应力锚索的施工质量将在边坡支护，尤其是破碎围岩段、裂隙发育的岩质高边坡支护体系施工中起到越来越重要的作用。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种岩质高边坡桩板式挡墙预应力锚索支护结构及方法，采用新工艺解决锚索张拉回缩、受力后的前期松弛变形难题；创新性的提出在破碎围岩段的钻进工艺和孔内护壁技术；采用全孔一次注浆工艺解决支护整体性和施工周期问题，不仅可以更有效的减少对周围土体的扰动，保证了砂浆自身的密实度和抗压强度、增大了与土体和锚索之间的粘结强度、增加了抗滑桩对周围土体发生变化时的抵抗力，确保岩体稳定，增加了安全性，提升施工质量，同时对周围环境影响小，有利于环境保护，具有较高的社会效益。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种岩质高边坡桩板式挡墙预应力锚索支护结构，在高边坡下方设置多个竖直的抗滑桩，抗滑桩上方打斜孔深入到山体内，锚索斜向下插入斜孔内，锚索尾端设有锚固段，锚固段被隔离盘与约束环撑成菱形，在锚固段端头装上锥形导向帽，锚索中部为自由段，自由段的外侧套无缝钢管，无缝钢管前端设有露在外面的钢垫板，钢垫板与抗滑桩之间设有锚墩，锚索前端穿过钢垫板中心孔固定在锚墩外侧，斜孔内灌浆，所述锚索前端设有混凝土封头，相邻抗滑桩之间设有混凝土挡板。

一种岩质高边坡桩板式挡墙预应力锚索支护方法，包括以下步骤：

(1)施工准备；

(2)在抗滑桩上钻斜孔；

(3)锚索制作；

(4)锚索安装；

(5)锚索灌浆；

(6)锚墩施工；

(7)锚索张拉；

(8)检测；

(9)封锚头。

作为本发明的一种改进，步骤(2)所述钻孔为干钻，钻孔完成后使用高压空气将孔中岩粉及水全部清除出孔外，保证孔内干燥和孔壁的干净粗糙。

作为本发明的一种改进，步骤(2)所述斜孔，倾斜角度为向下15°，斜孔长度为12m，其中锚固段为6m，自由段为6m，斜孔贯穿抗滑桩的轴线。

作为本发明的一种改进，步骤(3)所述锚索由多根钢绞线绑扎成束，锚固段被隔离盘与约束环撑成菱形，在锚固段端头装上锥形导向帽，锚索表面涂有防锈层。

作为本发明的一种改进，步骤(4)所述锚索安装，是将锚索斜向下插入斜孔内。

作为本发明的一种改进，步骤(5)所述锚索灌浆采用全孔一次注浆工艺，注浆压力为0.3MPa～0.5MPa，砂浆将锚固段以及无缝钢管外侧包裹住。

作为本发明的一种改进，步骤(6)所述锚墩施工，先用风钻在斜孔前端周围对称打孔，清孔后插入骨架钢筋进行植筋，然后焊接钢筋网并固定于骨架钢筋上，将钢垫板焊接在钢筋骨架上，其预留孔的中心位置在锚孔轴线上，平面上与锚孔轴线正交，锚索伸出钢垫板的预留孔外。

作为本发明的一种改进，步骤(7)所述锚索张拉按下列程序进行：机具标定—分级理论计算—锚墩混凝土强度检测—张拉机具安装—预紧—分级张拉—锁定—封锚。

作为本发明的一种改进，步骤(9)所述封锚头是用混凝土包住钢垫板与锚头并形成一个规则的结构。

本发明的有益效果为：

本发明所述的一种岩质高边坡桩板式挡墙预应力锚索支护结构及方法，岩质高边坡在使用抗滑桩支护的情况下，采用破碎围岩段的钻进工艺和孔内护壁技术，让柔性的锚索与刚性的抗滑桩协调受力，不仅可以更有效的减少对周围土体的扰动，保证了砂浆自身的密实度和抗压强度、增大了与土体和锚索之间的粘结强度、增加了抗滑桩对周围土体发生变化时的抵抗力，另外用超张拉和补偿张拉工艺解决锚索张拉回缩、受力后的前期松弛变形难题；用全孔一次注浆工艺解决支护整体性问题；在保证施工安全的同时，提升施工质量，同时对周围环境影响小，有利于环境保护，具有较高的社会效益。

附图说明

图1为本发明所述的高边坡桩板式挡墙立面图。

图2为本发明所述的支护方法流程图。

图3为本发明所述的锚索示意图。

图4为本发明所述的高边坡桩板式挡墙断面图。

图5为本发明所述的锚墩示意图。

图6为本发明所述的千斤顶工作示意图。

图7为压力表回归图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

以重庆市XX县水环境综合治理PPP项目进场道路为例，地处山区，岩质高边坡采用桩板式挡墙预应力锚索支护，施工难度大、周期长。

项目共包含污水处理厂建设工程、污泥处理厂建设工程、雨污水管网建设工程、餐厨垃圾处理厂建设工程、河湖水生态环境整治工程、智慧水务工程及存量资产收购等7个子项。

下路污泥厂桩板挡墙位于进厂道路K0+122.86～K0+226.817，抗滑桩共19根，直径采用1.5m钢筋混凝土灌注桩，间距5m，桩间采用300mm钢筋混凝土挡板支护，沿桩板挡墙设置一道预应力锚索，锚孔直径φ140mm，锚索采用高强度、低松弛钢无粘结钢绞线,直径d＝15.24mm(7-φ5),锚固段长度6m,锚索入射角15°,采用M35水泥砂浆灌浆和C30砼封锚。

污水处理厂挖方边坡类型为岩质边坡，边坡最大高度约26.0m，一、二级边坡按1:0.75的坡比进行放坡，主要采用“锚喷防护+格构式锚索挡墙+截排水”的支护措施。一、二级边坡采用锚索进行加强支护，采用13孔

高边坡建好后，在高边坡边缘靠近路面的一侧打一排防滑桩，防滑桩建好后挖山建路，防滑桩的半圆竖直暴露在路边立崖边，防滑桩之间设有混凝土挡板(20cm厚，背贴山体，中间有钢筋)，在防滑桩上开孔安装锚索，锚索抗滑桩支护的核心是柔性的锚索与刚性的抗滑桩协调受力，滑体依附于滑面发生变形时，锚索工程先于抗滑桩受到下滑力的作用，作为柔性工程的锚索将通过自由段的钢绞线施加预应力的手段，形成锚墩与锚固段对拉，有效的使下滑力继续传递至刚性抗滑桩之上，共同抵抗滑坡的下滑力，达到岩体稳定的目的。

具体步骤如下：

第一步：施工准备

准备各种原材料、设备、工具，水、电供应，专业平台等。

第二步：在抗滑桩上钻斜孔(锚索孔)

采用YQL-100型锚索钻机，钻孔方式为干钻，所述斜孔的倾斜角度为向下15°，斜孔长度为12m，其中锚固段为6m，自由段为6m，斜孔贯穿抗滑桩的轴线，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将孔中岩粉及水全部清除出孔外，进行第一次清孔，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；钻孔完成并清理干净后，应对孔口进行暂时封堵，不得使碎屑、杂物进入孔口。

锚孔围岩灌浆

在钻孔过程中若发现有塌孔现象或因地质条件复杂节理裂隙发育，岩石破碎时，则需要进行孔壁固结灌浆处理或采取套管跟进钻进，待凝等强后扫孔继续钻进。。

锚孔固壁灌浆采用以下灌浆方法：

a.采用自下而上高压泵送浓砂浆的注浆方式进行，注浆管插入孔底开始注浆，以浆面盖过注浆管口并能均匀拔出为宜。

b.锚孔固壁灌浆采用浓砂浆浆液，并掺速凝剂，以迅速封闭锚孔周边裂隙；

水灰比控制0.35～0.4：1，水泥采用强度等级≥42.5级的硅酸盐水泥，中细砂。

c.钻孔固壁灌浆采用单钻单灌，逐个灌浆，并严格控制灌浆压力，注意观测钻孔周边岩体有无漏浆或抬岩情况，严防产生拉裂及倾倒破坏。

d：验孔

钻孔完毕，用压缩风清孔，直至孔口返出之风手感无尘屑，延续10～15分钟；清孔完毕，进行钻孔检测，合格后及时下索；下索后用压缩风二次清孔。

第三步：锚索制作

锚索制作是由多股钢绞线按一定规律编排并绑扎成束，钢铰线使用砂轮锯切割，不得用电弧切割。

下料长度＝锚固段长度+自由段长度+锚墩长度+张拉长度-孔底至导向帽距离

锚索尾端设有锚固段，锚固段被隔离盘与约束环撑成菱形(隔离盘将钢绞线分开，约束环将钢绞线合拢，一个隔离盘与两个约束环将钢绞线撑成菱形，其轴线与锚固段的轴线一致)，在锚固段端头装上锥形导向帽，锚索中部为自由段，自由段的外侧套无缝钢管，无缝钢管前端设有露在外面的钢垫板，钢垫板与抗滑桩之间设有锚墩，锚索前端穿过钢垫板中心孔固定在锚墩外侧；

锚索捆扎完毕后采取保护措施防止钢绞线锈蚀，运输过程中应防止锚索发生弯曲、扭转和损伤。

用几种不同的颜色胶带在钢绞线张拉端标识相应的锚固单元。

第四步：锚索安装

锚索斜向下插入斜孔(锚索孔)内，手动推送锚索时用力要均匀一致，防止损伤锚索配件和防护层。

第五步：锚索灌浆

(1)灌浆方式：采用全孔一次注浆工艺；

(2)灌浆材料：预拌砂浆；

(3)注浆压力：控制在0.3MPa～0.5MPa；

(4)锚索入孔后锚固段在2d内完成注浆，以免孔内吊块、塌孔、缩孔而影响灌浆质量；

(5)锚固段和张拉段灌浆长度符合施工图要求，注浆采用排气法注浆；注浆管插至孔底，浆液由孔底注入，空气由止浆塞处的排气管排出；

(6)灌浆结束标准：排气管回浓浆后即以0.5MPa的压力屏浆，屏浆时间30min以上，直至排出的浆液浓度与灌入的浆液浓度基本相同，且不含气泡时为止；灌浆结束后砂浆将锚固段以及无缝钢管外侧包裹住；

(7)为给锚索张拉提供依据，锚固段注浆时对每根锚索的灌浆浆液均取样做抗压强度试验。

第六步：锚墩施工

锚墩钢筋制安时，先用风钻在索孔周围岩面上对称打孔，清孔后插入骨架钢筋进行植筋，然后按照图纸要求焊接钢筋网并固定于骨架钢筋上，焊接过程中注意不得损伤锚索钢绞线。

钢垫板安装：钢垫板焊接在钢筋骨架上，其预留孔的中心位置应在锚孔轴线上，平面上与锚孔轴线正交。

在钢垫板与基岩面之间按照图示锚墩尺寸立模，浇筑混凝土，充填必须保证密实。锚墩砼浇筑时，须现场取样，给锚索张拉提供依据。

第七步：锚索张拉

(1)张拉的程序、条件

①预应力锚索的张拉作业应按下列程序进行：机具标定—分级理论计算—锚墩混凝土强度检测—张拉机具安装—预紧—分级张拉—锁定—封锚。

②当锚固段注浆体强度达到设计强度、锚墩混凝土抗压强度达到设计强度后，才能对锚索进行张拉。

(2)张拉准备

①张拉机具采用液压张拉机(千斤顶)，使用前需进行校验及标定证书回归方程的复核

如：预应力锚索采用高强低松驰钢绞线，直径为φ15.2，标准强度1860MPa，截面积：A

千斤顶、压力表标定回归方程复核：

预应力锚索张拉前，千斤顶和压力表需要进行配套标定。

通常采用最小二乘法和Casio科学计算器进行回归方程的线型复核。

压力表20.11.253回归方程复核如下：

y＝ax+b,a＝0.04260128,b＝-0.05209,r＝0.99998887(结果显示匹配度较高)；

从而得到回归方程为：P＝0.042601F-0.05209，与标定结果提供的回归方程一致。

②分级理论计算

抗滑桩锚索张拉理论伸长量计算：

预应力锚索伸长值ΔL按照以下公式计算：

Pp的计算公式如下：

直线张拉θ取值0°，张拉锁定值150KN，单根张拉30KN。根据公式把数据带入下表得：

张拉控制力及压力表读数计算：

锚索张拉过程中，千斤顶的分级张拉力是通过压力表读数进行控制。

锚索分级张拉控制力与压力表读数转化表

(3)张拉

①张拉作业应控制在15d内进行，以避免钢绞线锈蚀。

②锚索的张拉采用超张拉持荷稳压施工方法。液压张拉机固定在钢垫板上，如图6所示，夹住钢绞线往外拉，锚索张拉采用整束分级张拉：初始应力10％P-20％P-50％P-100％P-115％P稳压锁定；除最后一次超张拉要求静载持荷20min外，其余每级加载后的稳压时间为5min。张拉应在同一工作时段内完成，否则应卸荷重新依次张拉。

③张拉各级加载稳定前后，均应量测钢绞线的伸长值，若实测伸长值与理论伸长值相差超过10％或小于5％，应停止张拉，查明原因后才能重新张拉。

④加荷、卸荷速率应平稳。张拉时，升荷速率不大于10％P/min；卸荷速率不大于20％P/min。

⑤张拉结束后，截去多余的钢绞线，使其外露≥10cm以防滑脱，封锚。

⑥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，锚索超张拉力为锚索设计锁定值的1.15倍。张拉完成48小时内，若试验发现预应力损失大于设计预应力的10％时，应进行补偿张拉。

若钢绞线的刻痕不平齐，则对钢绞线进行补偿张拉。

⑦实际伸长值计算

实际伸长值L根据张拉现场的实测数据计算得出。

计算过程为：L1＝C-B+2*(B-A)-Δ＝C+B-2*A-Δ(其中A代表张拉力为10％时实际伸长量，B代表张拉力为20％时实际伸长量，C代表张拉力为100％时实际伸长量，Δ为千斤顶卸荷时的锚具回缩量，可取5mm)。

伸长值偏差通过下式计算：ΔL＝(L1-L0)/L0(L1为实际量测伸长量，L0为理论伸长量)，当ΔL的值在(5％～10％)范围内时，满足规范要求。否则暂停张拉作业，待查找出原因后再进行张拉作业，并形成张拉施工记录。

(4)张拉合格标准：达至设计控制应力，未发生断丝或滑丝现象，且实际伸长量未超过允许伸长值，视为合格。

第八步：试验

按设计要求抽取一定数量的锚索进行技术试验，以确保锚索的施工质量。

第九步：封锚头

用混凝土包住钢垫板与锚头并形成一个规则的结构对锚头进行保护，保证所有空隙都被浆液回填密实，在浆液初凝前必须进行不少于2次补灌，当浆液凝固到不能从孔中流出来之前保持不小于0.5MPa的压力进行屏浆。

最后在防滑桩之间设置混凝土挡板。

本发明锚索抗滑桩支护的核心是柔性的锚索与刚性的抗滑桩协调受力，滑体依附于滑面发生变形时，锚索工程先于抗滑桩受到下滑力的作用，作为柔性工程的锚索将通过自由段的钢绞线施加预应力的手段，形成锚墩与锚固段对拉，有效的使下滑力继续传递至刚性抗滑桩之上，共同抵抗滑坡的下滑力，达到岩体稳定的目的。

其创新点在于：

在造孔工序上重点解决围岩破碎段塌孔和裂隙发育地质钻进成孔的问题，并在下索后提出二次清孔，保证了成孔质量；

在张拉工序上理论现场结合，采用超张拉及补偿张拉工艺来解决预应力损失的问题；

在灌浆工序上提出锚固段和自由段全孔一次注浆工艺。

面对着复杂的地质条件和更高的技术要求，岩质高边坡在使用抗滑桩支护的情况下，对锚索施工工法进行创新与改进，不仅可以更有效的减少对周围土体的扰动，保证了砂浆自身的密实度和抗压强度、增大了与土体和锚索之间的粘结强度、增加了抗滑桩对周围土体发生变化时的抵抗力，在保证施工安全的同时，提升施工质量，同时对周围环境影响小，有利于环境保护，具有较高的社会效益。

需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。