預應力錨索樁板墻在高等級公路中的應用
2012-08-09 來源：筑龍網(wǎng)
1、工程概況
二級公路K22+336～K22+520段預應力錨索樁板墻工程位于個舊市保和鄉(xiāng)政府駐地以北溝谷地帶。該路段地形橫坡陡峻，坡腳局部形成陡壁。情況組織有關的專家和工程技術人員對該段工程進行了多次現(xiàn)場勘察，先后提出了調(diào)整平面線形、采用橋梁跨越等多種方案比選，但均因地形、地質及工程造價高、施工工期長等因素，無法實施。最后在詳細研究工程地質狀況和認真分析勘察資料的基礎上，本著“技術可行、經(jīng)濟合理”和“一次處治、不留后患”的原則，提出了預應力錨索樁板墻支擋、錨桿框格梁防護等綜合處治措施。
2、工程地質水文條件
2.1地形、地貌
K22+336～K22+520段位于深切河谷谷坡坡腳地帶，與河床高差20～55米，路線縱向與斜坡走向一致。該段地形橫坡十分陡峻，K22+336～K22+375段地形橫坡50～55度，路中線右側10～25米為70～80度陡坎，陡坎高度15～20米。坡腳處于河流凹岸側向沖刷地段。K22+375～K22+430段地形橫坡60～70度，路中線右側3～8米為60～80度陡坡，因坡腳處于河流凹岸側向沖刷而形成2～6米高的陡壁。K22+430～K22+520段地形橫坡45～55度，右側坡腳局部形成陡壁。
2.2地層巖性
K22+336～K22+520段處于河谷谷坡坡腳地帶，根據(jù)鉆孔揭露，該段覆蓋層主要為坡洪積碎石土、亞粘土（粉質粘土）及下伏板巖、灰?guī)r等，表層為0～2.5米最近堆積的碎石土和粘土。
2.3水文地質
該段路線位于普灑河下游區(qū)，主要穿越中三迭統(tǒng)法郎組泥灰?guī)r、頁巖、板巖，分布區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，此類地層降水入滲系數(shù)較高，地表逕流系數(shù)一般可達0.3～0.5以內(nèi)。具有縱坡比降大，水流速度快攜砂能力強，對岸坡沖刷劇烈等特點。
2.4地震烈度
該段路線所經(jīng)區(qū)域的地震烈度從國家地震局和建設部1992年頒布實施的《 中國 地震烈度區(qū)劃圖》中查得，該地區(qū)地震烈度為Ⅶ度區(qū)。
3、邊坡穩(wěn)定性分析
3.1設計原則
由于該段路基地面橫坡陡峻，常規(guī)的擋墻和邊坡設計無法解決，若采用橋梁通過，工程造價高，施工工期長。本著節(jié)約工程投資，縮短施工工期，減少工程隱患，增加工程安全性等方面因素，設計中采用預應力錨索樁板墻的設計形式：墻后的側向土壓力作用于擋土板，并通過擋土板傳遞給肋柱，再由肋柱傳遞給預應力錨索，由預應力錨索與周圍地層的錨固力形成平衡。
3.2 理論 分析
依據(jù)土體極限平衡原理，采用單元分析法，考察此單元體在其自身條件下保持穩(wěn)定所需的條件。具體做法是在該坡體上任意取一長、寬、高均為1米的土塊，假定取消周圍約束。根據(jù)土體物理性能指標取值為：C=10Kpa，Φ=30.5°，r=17KN/m3。地質模型如右：
由極限平衡理論：m=抗滑力/下滑力=（CL+Wcosθtgφ）/Wsinθ
令m=1 → θ=60.8°
因此，從理論上講，當坡角為60.8°時，土體處于臨界平衡狀態(tài)，坡角大于60.8°時，土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)地質資料，除上坡體K22+484.05段坡角為80.5°，下坡體K22+394.95段坡角為68°，其余斷面坡角均小于60.8°，即上、下坡體從理論上說是基本穩(wěn)定的。
3.3綜合處治方案
3.3.1 肋柱
?、?布置原則
根據(jù)實際地形和地質水文狀況揭示，地層經(jīng)受了強烈的擠壓，巖體產(chǎn)狀變化大，層理、節(jié)理發(fā)育，巖體間粘結力低，為防止巖體產(chǎn)生層間滑動，對此坡體采用預應力錨索加承載墩先對不穩(wěn)坡體進行防護，再用預應力筋對填土及動載引起的土體側壓力進行肋柱的加固。該段路基采用上、下兩排肋柱錯開布置的形式進行設計，上、下排肋柱之間采用30厘米的漿砌片石進行封閉。上排肋柱共計42根，總長1087.20米，其中第14號肋柱高度為23.08米，埋深14.59米；下排肋柱共計43根，總長1264.92米，其中第16號肋柱高度為21.05米，埋深19.10米。上、下排肋柱根據(jù)高度和地質狀況分別采用1.0×1.5米、1.5×2.0米矩形斷面并帶企口，以便安裝預制擋土板，肋柱間距為4米，根據(jù)高度不同分為六種形式（見下表所示），其埋深則按地質資料具體確定。
肋柱尺寸表
編號 肋柱形式 截面尺寸 肋柱高度 錨點個數(shù)
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
?、?計算 分析
墻背土壓力按庫侖土壓力計算，結構計算根據(jù)肋柱的埋深和工程地質水文狀況，肋柱按一端固結或鉸支，另一端自由的超靜定連續(xù)梁進行計算，根據(jù)計算確定的內(nèi)力，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ023-85）對肋柱和擋土板進行配筋，確定預應力錨索鋼絞線的根數(shù)和預應力張拉噸位。現(xiàn)將F型肋柱的計算如下：
?、? 將車輛荷載置換為等代土柱高，按庫侖土壓力計算墻背土壓力；
?、? 用力矩分配法，解得個點彎矩和剪力；
③. 根據(jù)計算得到的內(nèi)力，對肋柱進行配筋；
?、? 根據(jù)計算得到的內(nèi)力，確定預應力錨索鋼絞線的根數(shù)和預應力張拉噸位。
3.3.2擋土板
?、?布置原則
擋土板根據(jù)實際地形分別采用尺寸為0.5×0.3×2.3米擋土板和0.5×0.25×2.8米擋土板兩種類型。
?、?計算分析
擋土板按以肋柱為支座的簡支梁進行驗算，其計算跨徑lp為擋土板兩支座中心的距離，荷載取擋土板所在位置土壓力的平均值，即q=（σ′+σ″）*h/2。
得擋土板跨中最大彎矩Mmax=qlp2/8；支座處剪力Q= qlp/2
根據(jù)擋土板的內(nèi)力進行配筋計算。
3.3.3預應力錨索
?、?布置原則
錨索按壓力分散型錨索進行設計，每根錨索均向下與水平夾角為15°，錨索間距為4米，按肋柱高度，分別確定錨索鋼絞線的根數(shù)和預應力張拉力。預應力鋼絞線采用一端張拉的方式進行張拉。錨索鋼絞線材料應選用高強度、低松弛環(huán)氧噴涂無粘結預應力鋼絞線，（ASTM A416-88a標準270級，Rｂｙ=1860Kpa，松弛率為3.5%，Φj=15.24mm），共計設置錨索231根，其中上排樁設置101根；下排樁設置130根。
?、?計算分析
?、?計算假定：假定錨固段傳遞給巖體的應力沿錨固段全長均勻分布；假定鉆孔直徑和錨固段注漿體直徑相同（即注漿時地層無被壓縮現(xiàn)象）；假定巖石與注漿體界面產(chǎn)生剪切破壞。
?、?計算錨固段長度：錨索的錨固段長度按公式：
L=（SfNt）/（πDqr） 和 L=（SfNt）/（nπdξqr）
分別計算，取最大值。
?、?抗拉拔試驗
為取得現(xiàn)場資料與數(shù)據(jù)，確定土體的極限承載力，以及為設計提供合理的參數(shù)，在2001年7月至9月在工地現(xiàn)場進行肋錨索抗拉拔試驗。試驗錨索共6束。分別為750KN、1200KN、1600KN級錨索各2束。試驗結果見下表
編號 地層情況 鉆孔直徑 錨固長度 設計應力 試驗荷載 最大檢驗荷載鋼絞線理論伸長值最大檢驗荷載鋼絞線實際伸長值
mm m KN KN mm mm
1 前12.2米為碎石土，后為板巖 前12.2米為168,后為150 24 1600 2288 60 65
2 前13.3米為碎石土，后為板巖 152 18 1200 1664 71 72.5
3 前10.7米為碎石土，后為板巖 前8.4米為168,后為150 12 750 1040 71 69
4 碎石土 153 24 1600 2288 60 64
5 前13米為碎石土，后為板巖 151 12 750 1040 71 73
6 前16米為碎石土，后為板巖 152 18 1200 1920 71 70
注：①試驗中6號錨索超規(guī)范拉至0.923Afptk，未見破壞，其余錨索都按規(guī)范拉至0.8Afptk，未見破壞；②表中鋼絞線伸長量系指基準鋼絞線長度反映到大千斤頂上的值。
3.3.4 其他處治措施
?、?由于場區(qū)分布的碎石土、亞粘土（粉質粘土）抗剪性能較差，加之位于高角度邊坡之上，邊坡穩(wěn)定性差，對段落進行削坡和在河岸邊設置擋墻，擋墻高度均大于最大洪峰線位。
?、?根據(jù) 自然 坡體的特點，上坡體采用錨桿框格梁進行防護，地梁之間暴露部分為防止坡面風化、剝蝕，采用種草進行處理。
?、?為排除地下水，提高巖土的抗剪強度，對于富水的高邊坡，在坡腳及回填土處，設置仰斜排水孔，孔間距5～7m，孔徑Φ100，仰斜5～10°，并采用特殊的透水型排水軟管。
?、?對于工程地質條件較差，有傾向于臨空面的不利結構面的高邊坡，其坡腳應力集中，有滑塌可能，根據(jù)推力計算，在各級設置支擋工程，工程措施既要滿足坡體的整體穩(wěn)定，又要滿足局部穩(wěn)定的要求，同時要保證施工過程中的臨時穩(wěn)定。
4、施工工藝
4.1 施工工藝要求
4.1.1肋柱及護壁
⑴ 采用挖孔灌注樁結合護壁施工，挖掘及支撐護壁兩個工序應連續(xù)作業(yè)，護壁每1米為一節(jié)，鎖口與護壁，護壁與護壁間上、下節(jié)帶彎鉤的縱向鋼筋搭接綁扎。施工期間應認真觀測井壁變形，在巖質松軟或可能滑動的層面應加密鋼筋，并適當加厚護壁。
⑵終孔并清理孔底后，吊入鋼筋籠，應將其調(diào)正，準確就位；地面以上的主筋應預留一定的焊接長度接頭間隔錯開，在同一斷面內(nèi)接頭鋼筋面積不應超過鋼筋總面積的50%。終孔后清孔后必須干凈，孔底沉淀土層厚度應滿足施工規(guī)范要求。
⑶ 肋柱柱身混凝土應連續(xù)澆注，不留施工縫，如必須間歇而又超過下層混凝土凝結時間時，應停止?jié)沧?，以施工縫處理。柱身較高時可采取分段澆筑的方式，分段位置不得低于錨索標高以上1.0米，柱身連接處必須焊接主筋時，焊接長度不得小于30cm。所有鋼筋的加工、安裝和質量驗收等均應按照施工規(guī)范的有關規(guī)定進行。
?、?在肋柱的施工全過程中必須對肋柱進行位移監(jiān)測，加強預警預報工作，保證施工安全。
?、?肋柱施工應隔樁進行。
4.1.2 擋土板
?、?擋土板為預制鋼筋混凝土矩形板，預制時于板兩端1/4板長處預留吊裝孔，同時作為泄水孔，孔內(nèi)壁涂抹瀝青，預制場設置的規(guī)模和配備應結合實際情況而定。
⑵ 擋土板宜平面堆放，其堆積高度不宜超過5塊，板塊間宜用木材支墊，并應置于設計支點位置，運輸過程中應輕搬輕放。
?、?擋土板安裝時，應豎向起吊，二頭掛有繩索，以手牽引，對準柱兩側劃好的放樣線，將擋土板正確就位，應防止與柱相撞，必要時，在兩側和中間設斜模支承，確保擋土板的穩(wěn)定。
⑷ 擋土板采取直接搭接柱身的形式，柱、板連接處的間隙用瀝青麻絮填塞。擋土板之間的上下安裝縫宜小于10mm，較大時可用砂漿填塞或瀝青軟木板襯墊。要求板面平整，外形輪廓清晰，線條順直，各部尺寸應符合要求。
⑸ 安裝擋土板時應做好防排水設施及填筑墻背填料；當土板頂面不齊時，可用砂漿或現(xiàn)澆小石子混凝土作頂面調(diào)整層；對于土質松軟，地表水豐富地段，擋土板應老慮埋入原地面下1.0米左右。
4.1.2預應力錨索
⑴ 根據(jù)錨索的設計圖紙，按設計要求，將錨孔位置準確測放在坡面上，孔位誤差不得超過±5cm。
?、?鉆孔
?、?錨索鉆孔要求干鉆，禁止開水鉆，以確保錨索施工不致于惡化邊坡巖體的工程地質條件和保證孔壁的粘結性能。為清除鉆孔及孔壁上附著的粉塵、泥屑，鉆孔完成后必須使用高壓空氣（風壓0.2～0.4Ｍpa）將孔中巖粉及水全部清除出孔外，以免降低水泥砂漿與孔壁巖體的粘結強度，保證孔內(nèi)干燥和孔壁的干凈粗糙；鉆孔完成并清洗干凈后，應對孔口進行暫時封堵，不得使碎屑、雜物進入孔口。
?、?錨孔下傾與水平夾角為15°，允許誤差±1°，為確保錨孔深度，實際鉆孔深度不小于設計長度且不大于設計長度的1％，當有不可排出的松散物時，應考慮松散物所占據(jù)孔的深度。
?、?鉆進過程中應對每個孔的地層變化，鉆進狀態(tài)（鉆壓、鉆速），地下水及一些特殊情況作現(xiàn)場記錄，如遇地層松散，破碎時，應采用跟套管鉆進技術，以使鉆孔完整不坍。如有地下水從孔口溢出時，應采用固結注漿，以免錨固段注漿體流失或強度降低；如遇坍孔，應立即停鉆，進行固壁灌漿處理（灌漿壓力0.1～0.2Mpa），待水泥砂漿初凝后，重新掃孔鉆進。
?、?鉆孔的精度應滿足以下要要求：
a.鉆孔的孔徑不小于設計要求；
b.錨索鉆孔在任何一個方向上的入口誤差不得大于2.5°;
c.鉆孔在鉆進長度方向上的孔斜偏差不宜大于鉆孔長度的1/30;
d.鉆孔水平方向的誤差不應大于50mm，垂直方向的誤差不應大于100mm。
⑤ 此邊坡表層巖體破碎，錨孔傾角較小，坡體又很陡峻，建議采用潛孔沖擊鉆或旋轉鉆鉆進，同時須備帶套管。
?、菈核畬嶒灒?
為了保證在錨索注漿時注漿不從孔內(nèi)的的裂縫中流失，就要對鉆孔的滲漏情況進行確定，為此，在第一次成孔后和錨索推送前，應對鉆孔進行壓水實驗。壓水實驗的水壓力一般不大于0.3Mpa。
?、?進行壓水實驗時應按巖層的不同特性劃分實驗段，實驗段長度宜5～10m;
?、?實驗的起始壓力、最大壓力和壓力級數(shù)按需要和現(xiàn)場情況確定；
③ 應在每10分鐘的間隔記錄一次壓入水量，當連續(xù)四次讀數(shù)的最大值或最小值與最終值之差小于最終值的5%時，該值即為該壓力下的最終壓入水量；
?、?壓力應由小到大逐級進行，達到最大壓力后再由大到小逐級減少到起始壓力，并及時繪制壓力與壓入水量的相關圖；
?、?當測得鉆孔在0.1Mpa的壓力下10min內(nèi)平均漏水量超過5L/min時，應對鉆孔進行預注漿；待注漿體固化后再進行鉆孔并重復壓水實驗，直到漏水量滿足要求為止；
?、?當有水從鉆孔滲出，且在鄰近巖體區(qū)域內(nèi)的節(jié)理裂隙中可看到滲水時，可不做壓水實驗而直接進行預注漿。
?、?錨索制作
?、?錨索制作前應對鉆孔實際長度進行測量，并按孔號截取錨索體長度；鋼鉸線宜使用機械切割，不得用電弧切割，制作好的錨索應按對應孔號進行編號；編束前，要確保每根鋼絞線順直，不扭不叉，排列均勻，對有死彎，機械損傷處應剔出。無粘結絞線外套PE管不得有破損。
?、?錨索制作應進行防腐處理，鋼鉸線全長涂刷帶銹防銹劑，采用全長波紋套管防護；
?、?錨索錨固段的隔離支架和束線環(huán)應根據(jù)現(xiàn)場裝配情況而定，一般間距為0.6～1.0m；錨索自由段和錨固段外波紋套管周圍設對中支架，間距一般為1.5～2.0m，以保證鋼絞線順直。錨索頭部應放有導向帽，以利穿索入孔。
?、?注漿
?、?注漿材料為普通525水泥，中細砂、砂漿強度≥40Mpa。
?、?采用孔底返漿進行注漿，注漿管應隨錨體一同送入孔底，在注漿時邊注邊拔，使注漿管始終有一段埋于注漿液中，直到注滿；當孔中存有積水時，注入的漿液會將積水全部排出，待溢出漿液的稠度與注入漿液的稠度一樣后再抽出注漿管，注漿壓力≥0.3Mpa。
4.1.3張拉、鎖定
⑴ 只有當肋柱和注漿體達到預計強度后才能進行錨索張拉，通過給錨索施加預應力，使錨索主動受力，達到設計加固效果。采用小型千斤頂進行單根對稱和分級循環(huán)張拉，可減少錨索的受力不均勻。張拉作業(yè)前必須對張拉機具設備進行標定，張拉機具應與錨具配套。
⑵。張拉時，加載速率不宜太快，宜控制在設計預應力值的0.1/min左右，達到每一級張拉應力的預定值后，應使張拉設備穩(wěn)定一定時間，在張拉系統(tǒng)出力值不變時，確信油壓表無壓力向下漂移后再進行鎖定。卸荷速率宜控制在設計預應力值的0.2/min左右。
⑶錨索超張拉力為錨索設計拉力值的1.05倍，錨索張拉應分次分級進行，按對稱張拉原則進行，必須待每根絞線張拉完一級后方可進行下一級的張拉。依次按此進行，直至張拉噸位。每次分級張拉時，除第一級需穩(wěn)定10～15分鐘外，其余每一級需要穩(wěn)定2～5分鐘，并分別記錄每一級鋼絞線的伸長量。張拉時鋼絞線受力要均勻。并做好分級絞線的標記。錨具回縮等原因造成的預應力損失采用超張拉的 方法 加以克服，超張拉值一般為設計預應力的5%～10%，其程序如下。張拉完成48小時內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)預應力損失大于設計預應力的10%時，應進行補償張拉。
0 （105%～110%）設計預應力（105%～110%）設計預應力 穩(wěn)壓t min tmin 最小穩(wěn)壓時間，一般大于2min
?、仍趶埨瓡r，應采用張拉系統(tǒng)出力與錨索體伸長值來綜合控制錨索應力，當實際伸長值與 理論 值差別較大時，應暫停張拉，待查明原因并采用相應措施后方可進行張拉；
?、蓮埨轿缓螅存i定。機械切除多余鋼絞線，嚴禁電割、氧割，并應留≥10cm以防滑脫，最后用Ｃ20砼封錨。
?、矢鶕?jù)此邊坡工程的特殊性，下坡體的張拉應先對錨固坡體的絞線進行張拉，等到板墻內(nèi)的填土到一定高度后再對肋柱上的錨索按從下到上的順序進行張拉、鎖定、封錨。
4.2工程實施步驟及注意事項
預應力錨索樁板墻工程較為復雜，該工程更是如此，故合理確定項目的施工順序顯得尤為重要，為確保施工和運營過程中邊坡的穩(wěn)定，除應采取合理的支擋加固措施外，還必須采用 科學 有效的施工方法、工藝及程序，避免施工過程中邊坡失穩(wěn)破壞，造成重大損失，甚至于留下后患， 影響 邊坡的長期穩(wěn)定和運行的安全。
⑴ 充分做好施工前的準備工作，提前修筑、搭建施工臨時便道，保證施工隊伍進場能順利開工。
?、?施工前應先熟悉設計圖紙，認真做好各項工程施工組織計劃，充分考慮當?shù)丶竟?jié)性氣候對施工工藝的影響，盡量避免安排在雨季施工。
?、?施工單位必須現(xiàn)場實測斷面，按設計放線，放線以路線中心線及路基標高為準，所有支擋及防護工程，均應按設計型式尺寸掛線放樣施工，保證施工質量。
?、?下坡體施工的特殊性、坡體上的錨索孔位是根據(jù)相應的肋柱位標高沿15°傾角投到相應坡體上，由于是 自然 坡體沒有統(tǒng)一的坡率，設計出的錨孔孔位與實際坡面上的孔位會有偏差，故下坡體錨孔孔位應主要由現(xiàn)場實測定出，這要求測量隊伍需有較高的專業(yè)水平。
?、?下坡體的施工應嚴密組織，充分協(xié)調(diào)與組織好各施工工序的合理進行，要處理好測孔位、搭設工作架、造孔與澆注肋柱的先后關系，否則會嚴重影響到后序工作的進行。
⑹ 此坡體上部為坡積碎石土、亞粘土（粉質粘土），其抗沖刷能力低，一遇暴雨極易產(chǎn)生崩塌，一旦崩塌物為較大塊石，其巨大的沖擊能量勢必危及下部構筑物的安全，須引起高度重視，并在施工前進行有效防護處理。
?、?清方削坡應采用無聲膨脹爆破施工以減少對山體的擾動。
5、結束語
總之，路基橫向陡邊坡處治工程的復雜性及邊坡工程本身的隱蔽性，勘察設計人員在整個勘察設計過程中應根據(jù)水文地質條件，充分認識到潛在的地質危害，既要充分考慮工程的安全性、可靠性及經(jīng)濟性，又要重視施工方法、施工工藝的可行性，盡量做到節(jié)約工程投資，縮短施工工期。
