預應力錨索樁板墻工程病害分析及整治措施

陳 華，趙有明，張發春

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.云南省交通規劃設計研究院，云南昆明650011)

預應力錨索樁板墻是樁、錨索、擋土板、填土、樁嵌固段巖體共同作用的輕型支擋結構體系［1－3］。由于這種結構較為復雜，且受場地質條件的制約，在設計施工過程中往往處理不當造成工程病害。工程病害的整治比較費時費力，且能否對癥下藥則是病害整治成功的關鍵［4－6］。本文通過調查大量錨索樁板墻結構的病害現象，提煉歸納出這種結構物病害的特征，為預應力錨索樁板墻的設計和病害整治提供參考。

1 預應力錨索樁板墻典型病害分析

預應力錨索樁板墻的主要工程病害可以分為3類，即局部破壞、連接體破壞和整體破壞［7－8］。

1.1 局部破壞

錨索樁板墻的局部破壞主要是指組成擋墻的各結構物的變形破壞，具體可分為4種形式，即錨索破壞、樁體破壞、錨固板破壞及樁嵌固段巖體破壞。

1.1.1 錨索破壞

錨索破壞的主要形式有兩種:鋼絞線拉斷和剪斷破壞，錨固體拔出破壞。

1)鋼絞線破壞

如圖1，鋼絞線破壞一般有兩種方式:①錨索拉力大于錨索材料本身的強度而產生拉斷破壞;②錨索受到與桿體垂直方向的荷載而被剪斷。破壞的部位可能在自由段也可能在錨固段。施工缺陷和設計不當都可能造成這種病害。如在施工上，各股鋼絞線受力不均，自由端防腐措施不完善引起鋼絞線銹蝕等，設計上則可能是錨索拉力超過設計錨固力或用于以沉降為主的錯落式邊坡病害治理，易引起鋼絞線被巖土體剪斷。

2)拔出破壞

如圖2，這種病害的原因分為兩種:①當錨固段位于松軟巖土層時，錨固段灌漿體與鉆孔壁之間的黏結強度不足或巖土體剪切破壞;②鋼絞線和灌漿體之間的黏結強度不足，鋼絞線直接從灌漿體中拔出。

圖1 錨索束體斷裂破壞Fig.1 Rupture damage of the anchor cable

圖2 拔出破壞Fig.2 Pullout damage in pre-stressed sheet-pile wall

1.1.2 樁體破壞

錨固樁的破壞主要表現在因樁抗彎、抗剪能力不足引起樁體開裂和樁頂位移超限。

1)樁體開裂

錨索樁的截面彎矩超過了樁自身的抗彎能力，樁易受彎破壞，在鎖口或錨索位置受到較大的剪力，引起剪切破壞，見圖3。

圖3 樁體開裂破壞Fig.3 Cracking damage of the pile

2)樁頂位移超限

圖4 樁頂位移超限Fig.4 Displacement exceeding the pile top

在填土過程中，樁的側向位移隨著填方高度的增加而增大，如果在路面結構施工以后，樁的側向位移過大，可能引起路面開裂或樁板分離(圖4)，地表水順裂縫下滲，可導致路基病害發生。

1.1.3 錨固板破壞

擋土板破壞主要是由于板的抗彎、抗剪能力不足，以及板樁搭接長度不夠三個原因，可引起擋土板開裂或掉落。

1.1.4 樁嵌固段巖體破壞

樁嵌固段破壞主要表現為樁的豎向承載力不足和樁的側向承載力不足兩種形式。當樁的埋入段較小且樁底巖土軟弱時，可能導致樁下沉位移超限。可以通過樁頂沉降位移觀測發現這種病害。若錨固段地基側向承載力不足，導致樁的側向變形較大。如果是樁的側向位移超出了彈性變形的范圍則可能引起樁體開裂或擋墻整體傾倒。

1.2 連接體破壞

錨索樁板墻的連接體破壞主要是錨頭缺陷引起的。這種病害的表現形式和原因為錨頭下的鋼墊板受局部承壓變形，主要原因是墊板厚度不足、強度不夠、套管孔徑大、墊板下混凝土壓碎、鋼墊板凹陷等。這種病害大多是施工質量缺陷造成的。

1.3 整體破壞

錨索樁板墻的整體破壞主要是擋墻結構沿下臥軟巖土層滑動的整體破壞。由于勘察資料不足或設計不當，樁板墻前部巖土體抗力不夠、錨固段過短或下部有軟弱夾層時，在地表水和地下水的作用下易導致樁板墻整體“坐船”，如圖5。這種病害可根據樁和邊坡的監測資料、勘探、設計和挖孔樁的地質編錄等資料進行分析計算。

圖5 錨索樁板墻“坐船”效應Fig.5 The sliding with large distance of the wall

2 預應力錨索樁板墻病害整治

病害整治的關鍵是找到結構物病害的主因，對癥下藥。根據上述錨索樁板墻病害特征，對每一種病害形式提出針對性整治措施。

2.1 錨索破壞加固

2.1.1 錨索補強加固

如果預應力的錨固條件好，樁的性能良好，僅僅是原有錨索的錨固力不夠或者存在缺損病害，則可采用增加預應力錨索的方法進行加固。根據新增預應力錨索設置的位置不同，可選擇在樁上或樁間增加錨索兩種加固方法，如圖6、圖7。

圖6 樁上新增預應力錨索加固示意圖Fig.6 New anchoring cables on the pile

圖7 樁間設預應力錨索加固示意圖Fig.7 Schematic diagram of new anchoring cables between piles

2.1.2 增加樁加固

當需要提供的支擋作用力較大，且錨索的錨固條件較差，采用增加預應力錨索方法費用高，或者根本不具備錨固條件時(如地層對錨索有腐蝕作用，不能恢復錨固力)，可采用增加樁的方法進行加固。設計中應根據地形條件、變形體的空間分布，將新加的樁設在原有預應力錨索樁板墻的中間或前部，如圖8。

圖8 增加樁的方法加固示意圖Fig.8 Schematic diagram of new piles

2.1.3 注漿加固

當錨固條件不好，且需要提供的支擋作用力較小，或加固的面積較大時，可采用注漿措施進行加固。注漿可以選擇在樁內側或者樁外側的土體中，如圖9。

圖9 豎向鋼花管注漿加固示意圖Fig.9 Schematic diagram of uprightness steel tube injecting reinforce soil

2.2 樁的破壞加固

2.2.1 樁抗彎或抗剪能力加固

樁抗彎能力或抗剪能力不足導致的病害，根據地質條件和病害程度主要采用以下治理方法:

1)如果樁缺損較小且有施工條件時可在樁上采用增加預應力錨索或錨索框架的方法進行加固，以減小樁的內力。

2)如果在樁上出現裂縫和露筋等現象，要進行修復處理。

3)如果是樁身混凝土的強度沒有達到設計要求，或因受力鋼筋不夠等原因造成的缺陷，可在樁身裂縫側打鉆孔，插粗鋼筋或鋼軌并結合高壓注漿的措施進行補強加固。

4)如果對原有的樁進行結構補強不能達到設計要求時，需要進行減荷加固。減荷加固主要有如下措施:當需要提供的支擋作用力較大時，可采用新增預應力錨索樁的方法進行減荷加固;當需要提供的支擋作用力較小，或加固的面積較大時，可采用豎向鋼花管注漿的方法進行加固;當需要提供的支擋作用力較小時，也可以采用普通預應力鋼筋錨索框架進行加固，如圖10。

圖10 樁頂山側采用錨索框架加固示意圖Fig.10 Schematic diagram of adding anchoring cables frame to reinforce the wall

在需原有預應力錨索發揮作用的情況下，不宜采用被動受力的抗滑擋墻、普通抗滑樁進行加固。

2.2.2 樁頂位移超限加固

1)增加預應力錨索

當樁的位移過大時，可以通過在樁上增加預應力錨索的方法進行加固。

2)注漿加固

當需要提供的支擋作用力較小，土體變形較小時，可采用注漿加固的方法，如圖11。

圖11 樁頂山側采用注漿加固示意圖Fig.11 Schematic diagram of steel tube injecting at the pile inboard

3)錨索框架加固

當土體變形較大時，可采用錨索框架加固的方法。這種加固措施多用于路堤式錨索樁板墻加固，如圖10。

2.2.3 板的缺損病害加固

對于已出現變形裂縫而未發生破壞的板，可采用下面的加固方法:

1)增加排水措施，提高擋土板山側土體強度

對于因擋土板山側巖土體的含水量大、排水不暢，使土壓力增大導致擋土板的變形的，可采用仰斜排水孔、截排水隧洞等措施加強排水，以提高擋土板山側土體強度，如圖12。

圖12 擋土板山側設仰斜排水孔Fig.12 Schematic diagram of adding drainage hole at the soil shield inboard

對擋土板山側巖土進行注漿加固，提高巖土的強度，如圖13。

圖13 擋土板山側設豎向鋼花管注漿Fig.13 Schematic diagram of adding steel tube injecting at the soil shield inboard

2)樁間注漿加固

對已經發生破壞(彎斷或剪斷)的板，可采用下面的措施:

①在樁外側掛擋土板并錨定，見圖14。

圖14 樁外側掛擋土板并錨定Fig.14 Schematic diagram of adding new soil shield on piles

②根據現場地質、地形條件，也可在擋土板河側設錨桿框架、錨索框架、樁等加固措施。

2.2.4 樁嵌固段巖體病害加固

對于樁嵌固段巖體豎向承載力不足，可以采用的加固方法為:

圖15 通過樁身加固樁底示意圖Fig.15 Schematic diagram of reinforce base according to pile body

1)可采用在樁身進行注漿的方法加固，如圖15。其方法可分為3種:①在樁身鋼筋間隙內打垂直孔至樁底以下一定的深度，而后注漿加固;②在樁底以下采用高壓注漿技術進行壓力注漿;③在樁底以上采用常壓注漿到孔口溢漿為止。

2)在樁底四周進行注漿的方法加固，但這種加固方法往往造價高，謹慎采用。

對于樁嵌固段巖體側向承載力不足，可以采用的加固方法為:

1)當樁的側向位移過大時，可采用增加預應力錨索的方法限制樁的側向變形，如圖7。

2)樁嵌固段巖體側向承載力不足，也可采用注漿加固措施，以提高樁側地基的側向承載力，參考圖16的方法。

圖16 樁河側注漿提高側向承載力的示意圖Fig.16 Schematic diagram of reinforce transverse capacity through the steel tube injecting

2.3 連接破壞的加固

連接破壞主要表現為錨頭的破壞，錨索已完全失去作用，可采用下面的加固方法:

2.3.1 采用增加預應力錨索的方法進行加固

如果錨索的錨固條件好，可采用新增預應力錨索的加固措施，參照圖7。

2.3.2 采用增加錨索樁進行加固

當需要提供的支擋作用力較大時，可采用增加樁的方法進行加固。設計中應根據地形條件、變形體的空間分布，將新加的樁設在原有預應力錨索樁板墻的中間或前部。

2.3.3 采用其他方法進行加固

在需要提供的支擋作用力較小時，也可以采用注漿或普通預應力鋼筋錨桿框架進行加固。

2.4 整體破壞加固

1)對于坡體已完全破壞、滑坡推力較大的工程，可采用新設預應力錨索樁板墻的方法進行加固。如果新設樁板墻山側坡體松散，可結合采用注漿加固。新增樁體及錨固體均應進入穩定地層。

2)對于推測可能發生整體破壞的樁板墻，根據監測資料、勘探資料、原設計資料和樁基施工資料，推測該樁板墻有整體破壞可能的工點，可在樁前或樁間增設預應力錨索樁加固，新增錨索樁要進入穩定地層。

3 結論

預應力錨索樁板墻病害類型主要有局部破壞、連接體破壞、整體破壞3種類型。局部破壞是最常見的破壞形式，可進一步分為錨索破壞、樁破壞、板破壞、嵌固段巖體破壞;連接體破壞主要是錨頭缺陷破壞，整體破壞表現為沿樁底下臥軟弱層的整體滑動。病害整治措施總體上可分為直接加固和減荷加固兩種方式。采用在結構上增加樁、錨索或在樁外側注漿以提高結構抗力的方法是直接加固方式;而采用在樁體內側注漿、增加錨索框架(多用于路堤式錨索樁板墻)或增加排水孔以減小填土作用于結構上的力的方法屬于減荷加固方式。具體采用哪一種加固措施，應根據結構物病害特征選擇最優最省的加固措施。

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