預(yù)應(yīng)力土層錨桿加固在海河護(hù)岸治理工程中的應(yīng)用

胡汝蘭，艾連永

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051；2.天津市安居工程辦公室，天津市300050)

1 概述

天津海河干流治理工程是天津市的一項(xiàng)重點(diǎn)工程。實(shí)施海河護(hù)岸的修建工程必然會(huì)對(duì)原有的建筑景觀有所破壞，如果采用傳統(tǒng)的立式板樁明開槽的工程設(shè)計(jì)和施工工藝，將增加海河岸邊的拆遷工程量。許多生長了幾十年的樹木將被破壞，大量的地下電纜，給水排水管道，煤氣熱力管道將要遷移。昔日的海河公園會(huì)蕩然無存，因此造成的社會(huì)影響環(huán)境影響是無法彌補(bǔ)的。

針對(duì)該工程的特殊地理位置和環(huán)境因素，采用預(yù)應(yīng)力土層錨桿作為永久性措施應(yīng)用于海河護(hù)岸景觀構(gòu)造，將對(duì)工程的安全、工期、投資產(chǎn)生積極影響，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。

海河護(hù)岸治理工程地處飽和軟土地層中，為預(yù)應(yīng)力土層錨桿技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)施提出了新的課題。

2 土層錨桿設(shè)計(jì)

目前常見的土層錨桿有3種基本類型：

(1)圓柱型錨桿，最簡便、最常用的錨桿類型。

(2)擴(kuò)大圓柱體式錨桿。

(3)端部或局?jǐn)U孔式錨桿。

實(shí)施時(shí)要根據(jù)具體工程特點(diǎn)如錨桿的抗拔力，現(xiàn)場的土層地質(zhì)情況，工程的規(guī)模，可供使用的機(jī)械設(shè)備，錨桿的孔徑及長度等來確定哪種形式。

海河護(hù)岸治理工程采用了主樁加擋土板的結(jié)構(gòu)形式。土層錨桿鎖定在主樁上做為持力構(gòu)造，因?yàn)樵摴こ淌怯谰媒Y(jié)構(gòu)，根據(jù)《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》規(guī)定錨桿最小安全系數(shù)取2.2，錨桿與土體間的粘結(jié)強(qiáng)度取40 kPa。

由海河西岸的地質(zhì)報(bào)告可以得知地面以下約1.6 m內(nèi)大部分是磚頭、白灰、爐灰等，在臨近岸邊的局部有舊護(hù)岸工程回填的灰土，這些局部灰土已經(jīng)歷了幾十年，非常堅(jiān)硬，向下約3~4 m厚是黃褐色、褐色含云母鐵質(zhì)硬塑至軟塑粘土及粉質(zhì)粘土。根據(jù)這些情況決定錨固體錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)：軸向拉力最小值為160 kN，極限承載力應(yīng)大于350 kN，錨桿直徑為15 cm，錨固段長度最小為20m，錨桿自由段長為6m，由此確定錨桿總長度為26m，傾斜角為20°，端部擴(kuò)大頭型錨桿擴(kuò)大頭長度為2~3m，根據(jù)工程實(shí)際，錨桿錨固端高程為1m，錨頭用錨具固定在岸邊鋼筋混凝土板上。試驗(yàn)錨桿選用鋼錨索型式，用高強(qiáng)、低松馳、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為錨索材料，公稱直徑Φ15.24mm，最小破壞荷載260.7 kN，1 000 h最大松馳率2.5%~3.5%。為滿足強(qiáng)度要求每根錨桿采用3根鋼絞線。(強(qiáng)度為1 570 N/mm)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。在設(shè)計(jì)選定的區(qū)域里開挖長15 m，深3 m，寬4m的承壓臺(tái)基坑，用于現(xiàn)場澆筑承壓平臺(tái)，再按設(shè)計(jì)要求綁扎鋼筋后澆筑強(qiáng)度為C30混凝土。承壓平臺(tái)配筋過程中根據(jù)錨桿孔的孔位、孔向、孔徑等參數(shù)準(zhǔn)確地埋設(shè)口管。

預(yù)應(yīng)力土層錨桿結(jié)構(gòu)見圖1。

3 土層錨桿施工

(1)成孔階段：成孔是在土層錨桿施工中的關(guān)鍵，這直接影響成型錨桿的強(qiáng)度和抗拔力。在實(shí)際施工可以采用泥漿護(hù)壁或水泥漿護(hù)壁的措施，并且在軟土地層地區(qū)必須連續(xù)施作，成孔以后應(yīng)馬上進(jìn)行下一步工序從而減少塌孔的機(jī)率。事實(shí)證明在海河護(hù)岸治理工程中采用水泥漿護(hù)壁效果良好。

(2)拉桿安放階段：成孔完成后應(yīng)馬上安放拉桿，拉桿的制做應(yīng)嚴(yán)格遵循規(guī)范和設(shè)計(jì)，特別是拉桿的防腐處理和定位器的設(shè)置以及自由長度的保證。拉桿的定位器目前有多種型式，材料以金屬的為宜，但無論哪種定位器都應(yīng)切實(shí)保證拉桿位于錨固體中間并與鉆孔平行，特別是使用預(yù)應(yīng)力鋼絞線時(shí)，因?yàn)殄^索在兩個(gè)定位器之間會(huì)產(chǎn)生一定的垂度，所以定位器間距不能過大，在設(shè)計(jì)錨桿時(shí)要求錨桿有一定的自由段長度，它與土層的剪切角有關(guān)也與錨桿的設(shè)計(jì)拉力有關(guān)，一般要求自由段的最小長度不小于5 m，錨桿受力時(shí)首先是允許自由段產(chǎn)生一定的彈性變形，如果自由段長度不夠長，在錨桿還未達(dá)到正常工作狀態(tài)的時(shí)候，自由段的錨索產(chǎn)生屈服變形至使整個(gè)錨桿不能正常使用。

(3)注漿階段：灌漿的作用主要有三點(diǎn)，其一將拉桿錨固段固定在地層里，其次防止拉桿被腐蝕，第三充填地層中的孔隙從而起到加固錨桿周圍地層的作用。水泥具有足夠的流動(dòng)性以使用泵將其注入鉆孔，而且還有盡早凝固以具有良好的強(qiáng)度，一般情況的水灰比為0.45。灌漿壓力則是根據(jù)注漿形式及階段而確定，工程采用二次注漿大大提高錨桿的強(qiáng)度，一次注漿的壓力為0.3~0.6MPa。二次注漿是待一次注漿漿液達(dá)到初凝強(qiáng)度后，利用提前下入孔底的帶花眼的二次注漿管注漿，注漿應(yīng)力為4 MPa，待孔內(nèi)注入量超過400 L后結(jié)束。注漿后用混凝土對(duì)外錨頭進(jìn)行封閉保護(hù)。保護(hù)層不小于5 cm。

(4)張拉及鎖定階段：在錨桿注漿體達(dá)到強(qiáng)度以后即可以進(jìn)行張拉，本次試驗(yàn)是在注漿后15 d進(jìn)行張拉，采用60 t穿芯千斤頂加載，用液壓表測讀荷載，試驗(yàn)的反力裝置采用現(xiàn)場澆筑的承壓平臺(tái)，承壓平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度經(jīng)驗(yàn)算能滿足試驗(yàn)要求。張拉要按照一定的操作規(guī)程和步驟進(jìn)行。一般采用能同時(shí)張拉錨桿全部鋼束或鋼絲繩的千斤頂直接拉伸使錨桿受力。在正式張拉之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉，用0.1~0.2倍的設(shè)計(jì)軸向拉力進(jìn)行預(yù)張拉，使錨索的各部位的接觸緊密，鋼束完全平直。在加載過程中緩慢逐漸加載而不允許加載過快，每次都應(yīng)按照規(guī)程保持一定的時(shí)間。錨桿的鎖定也是整個(gè)施作過程的重要一環(huán)。在每級(jí)加荷等級(jí)觀測時(shí)間內(nèi)錨固力測量不少于3次。每分鐘加荷不大于10 kN。錨頭位移量不大于1mm時(shí)，可施加下一級(jí)荷載，否則要延長觀測時(shí)間。在每級(jí)加荷等級(jí)觀測期內(nèi)，待錨頭位移穩(wěn)定后，記錄測力計(jì)，應(yīng)變計(jì)讀數(shù)和錨頭位移量。錨桿的鎖定還應(yīng)選擇適宜的夾具、錨枕以及墊板，墊板設(shè)置必須保證垂于加載方向。同時(shí)由于錨索承受很大的拉力，所以在加載鎖錨時(shí)應(yīng)提醒操作人員注意人身安全。

4 錨桿的試驗(yàn)

檢驗(yàn)錨桿最及時(shí)有效的手段就是現(xiàn)場試驗(yàn)，錨桿施做完成以后通常根據(jù)不同的需求要進(jìn)行如下四種試驗(yàn)。

(1)基本試驗(yàn)：基本試驗(yàn)是為確定錨桿極限承載力和獲得有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)而進(jìn)行的試驗(yàn)，在錨桿用于未曽應(yīng)用過的土層時(shí)必須進(jìn)行基本試驗(yàn)。完成錨桿的設(shè)計(jì)以后，根據(jù)設(shè)計(jì)制作不少于3根的錨桿用于試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)來整理出錨桿的荷載與位移曲線，以確定出錨桿的實(shí)際安全系數(shù)K。

(2)驗(yàn)收試驗(yàn)：驗(yàn)收試驗(yàn)是為檢驗(yàn)錨桿施工質(zhì)量及承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求而進(jìn)行的試驗(yàn)。在錨桿鎖錨之前取錨桿總數(shù)的5%，檢驗(yàn)荷載對(duì)永久性錨桿一般取設(shè)計(jì)荷載的1.5倍，對(duì)臨時(shí)性錨桿一般設(shè)計(jì)荷載的1.2倍。

(3)蠕變?cè)囼?yàn)：蠕變?cè)囼?yàn)是為掌握錨桿的蠕變性能而進(jìn)行的試驗(yàn)。該試驗(yàn)主要針對(duì)塑性指數(shù)較大的淤泥及淤泥質(zhì)土層中的錨桿進(jìn)行，加載等級(jí)及觀側(cè)時(shí)間都應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)定，并且試驗(yàn)根數(shù)不應(yīng)少于3根。

(4)監(jiān)測試驗(yàn)：監(jiān)測試驗(yàn)是對(duì)永久性錨桿及重要工程的臨時(shí)性錨桿的預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行長期監(jiān)測以了解錨桿工作狀態(tài)的試驗(yàn)。一般取錨桿總數(shù)的5%~10%，監(jiān)測時(shí)間不小于1 a。

錨桿試驗(yàn)是優(yōu)化設(shè)計(jì)確保施工質(zhì)量安全的重要措施。在試驗(yàn)中除了應(yīng)選取合適的測試手段，測試工具并嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行測試外，還應(yīng)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析過程中，盡可能的減少試驗(yàn)誤差，去除一些不合理的數(shù)據(jù)。

(5)通過海河護(hù)岸治理工程中的錨桿試驗(yàn)及以往的工程經(jīng)驗(yàn)，目前了解到錨桿試驗(yàn)中有可能發(fā)生的數(shù)值誤差有如下幾種：

a.錨桿的實(shí)際自由段長度誤差，這種誤差通常可以通過預(yù)拉來解決一部分，但實(shí)際形成的自由段長度的準(zhǔn)確值無法測得。

b.在快速加荷受力時(shí)，由于自由段沒有完全松懈，在自由段上產(chǎn)生的摩擦力誤差，這種誤差通過控制加荷速度可以減少。

c.荷載量測中的誤差，特別是液壓千斤頂中的摩擦。

d.變形量測中的誤差，如楔塊嵌入時(shí)的富余空隙，以及實(shí)地測量時(shí)周圍環(huán)境的影響。

e.錨索變形模量本身的誤差。

f.背后土體的變形引起的誤差。

g.測量儀器的精度以及測試人員讀取數(shù)據(jù)時(shí)的誤差等。

5 結(jié)論及建議

錨桿現(xiàn)場試驗(yàn)表明，二次灌漿技術(shù)可以顯著提高錨桿的承載力，可以將普通圓柱型的承載力提高約80%，但其對(duì)端部擴(kuò)大頭型錨桿的施工要求工藝復(fù)雜，為此推薦使用二次灌漿技術(shù)的普通圓柱型錨桿。

預(yù)應(yīng)力錨桿施工對(duì)工藝要求較高，應(yīng)保證工程材料符合設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格控制各工序施工質(zhì)量。特別是在軟土層進(jìn)行預(yù)應(yīng)力土層錨桿施工，根據(jù)錨桿試驗(yàn)建議采用有水和跟管鉆進(jìn)工藝，減小鉆進(jìn)阻力和解決塌孔問題并嚴(yán)格控制一次，二次注漿質(zhì)量，按照錨桿試驗(yàn)所確定的施工工藝實(shí)施，保證工程質(zhì)量的穩(wěn)定性。該工程竣工多年運(yùn)行狀態(tài)良好。預(yù)應(yīng)力土層錨桿加固應(yīng)用到海河護(hù)岸中工程是一個(gè)非常成功的范例。

[1]CECS22:90,土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì),1990.