预应力锚索加固的原理

锚索加固_边坡稳定性分析与

8.4　锚索加固

随着我国岩土工程的迅速发展，预应力锚固技术得到了越来越广泛的应用。在铁路、公路边坡的防治以及大型水利水电工程的防护，都有大量的预应力锚固设施。锚索加固在岩土工程中已获得了普遍的应用，并取得了较好的加固效果。

8.4.1　锚索加固的实质

锚索加固主要是用多根钢绞线及其有关的附件等组成的锚索，通过钻孔将不稳定的滑坡体锚固在深部稳定的岩体中，从而提高边坡不稳定部分岩体的整体性和稳定性。特别是锚索构件受预应力时，潜在的滑动面上的有效压力增加很多，因而使抗滑力增大，于是边坡的稳定性得到了增强。目前预应力锚索的安装深度已从十几米到几十米，甚至达百米。

为了保证锚索加固边坡的效果，在每根锚索之间布置混凝土横梁，并在锚头和横梁上挂设金属网，然后在网上喷水泥砂浆或混凝土，以防边坡表面碎石滚落和风化，这样就构成了一个完整的锚索加固系统，更好地起到了加固和防护作用。

8.4.2　锚索的组成及作用原理

1）锚索的组成

锚索一般由外锚固段（锚头）、张拉段（自由段）和内锚固段（锚固段）组成。内锚固段的作用主要是为锚索提供预应力，通常将内锚固段设于完整性较好的岩体中。张拉段是锚索的主体部分，借助于张拉装置可使该段锚索受拉，并均匀地传给周围岩体，压缩张拉段的岩体，调整工程区段内的山体压力，从而达到提高边坡岩体整体性和稳定性的目的。外锚固段的作用是为了安装张拉机具，实施张拉作业，并通过外锚具把已施于锚索的预应力“锁住”，防止预应力降低。

2）锚索加固边坡的作用原理

可以这样认为：当锚索插入钻孔通过不稳定体到达稳定岩体一定深度后，用水泥砂浆与内锚固段孔壁胶结在一起，然后用拉力设备给锚索施加预应力，通过内锚固段砂浆与孔壁周围岩体的摩擦力和胶结力将锚索的应力传递到深部稳定岩体中去。此时，锚索与锚固段形成一个90°的压力锥体，在这个锥体范围内的岩体互相挤压，把锚索周围的岩体与锚索连成一个整体，形成一个均匀的挤压带，如图8.47所示。这样就阻止了岩体的变形与破坏，改变了内部岩体的应力状态，从而提高了边坡不稳定部分的整体性和稳定性。与此同时，锚索的预应力在垂直滑面方向上产生了对滑动面的正压力，这一正压力使滑面处的岩石摩擦力增大，从而有利于滑体的稳定。

图8.47　锚索加固边坡的作用

1—锚头；2—内锚固段；3—张拉段；4—未锚固的边坡表面

8.4.3　锚索的构造及材料

锚索的构造如图8.48所示，细部结构如图8.49所示。

（1）锚索材料

锚索材料是用高强度低松弛7φ5钢绞线5～9根组成（设计预应力高，钢绞线可多些）。自由段采用聚乙烯管将钢绞线隔离防护，裸露部分做防锈处理。内锚固段用35＃水泥砂浆浇注，注浆压力为0.6～0.8MPa。

（2）垫墩

垫墩厚度为40～60cm，平面尺寸为（100～160）cm×（100～160）cm。根据锚孔口岩体受力情况不同决定平面尺寸，应力大时可取大值。垫墩一般用C25钢筋混凝土制成。

图8.48　预应力锚索构造

说明：1.本图尺寸除注明外均以厘米计。2.锚索全段均需清洁，锚索自由段需做防腐处理，且每束钢铰线分别采用塑料套管隔离防护（张拉部分做防腐处理）。

图8.49　锚索结构细部示意图

（3）斜托

为了使锚索与垫墩紧密接触，使锚索与垫墩受力均匀，在锚具钢垫板有用C35钢筋混凝土制作的斜托。斜托上方的平面尺寸多为40m×40m。

（4）扩张环

其作用是将注浆管、钢绞线固定在钻孔横断面内一定的位置上。

（5）定位片

其作用是使扩张环上固定的注浆管、钢绞线处于钻孔中间，防止钢绞线与孔壁接触。

（6）紧箍环

其作用是将定位片间的钢绞线箍紧形成枣核形。

（7）导向尖锥

其作用是起导向作用。

8.4.4　锚索加固的适用条件

预应力锚索加固岩体边坡的优越性在于能为节理岩体、断层、软弱带等提供一种强有力的主动支护手段，是所有传统非预应力的被动支护所无法达到的。由于其预应力吨位大，锚索长度长，具有其他锚固手段不可能具备的优点。

由于锚索的预应力作用，锚索可将一定范围内的破碎岩体压密，使之成为较为完整的岩体。某工程曾用超声波测量用锚索加固前后的声波曲线，如图8.50所示，从图中可以看出，加固后的声波曲线较加固前有明显的改善，证明经锚索加固后，原破碎岩体的密实度有所增强。

图8.50　锚索加固前后实测围岩波速对比

由于锚索注浆时有相当一部分浆液被压入裂隙和充填破碎区，这可起到增加岩体的整体性，达到提高岩体的作用。因此，预应力锚索加固适用于岩体破碎、产状紊乱、整体性差、轻度碎裂的岩体，以及岩层风化剥落、鼓胀变形严重、风化层较厚、防护面积较大的大型滑坡体，对于边坡高、坡率陡、岩性复杂破碎、力学性能差的边坡岩体，应用预应力锚索也能取得很好的加固效果。在有裂隙的坚硬岩体地段，为了增强边坡滑动面上的正压力，提高滑面上的抗滑力或固定松动危岩时，也可采用预应力锚索。

预应力锚索不宜用于难以提供较高锚固力的土质工程，尤其是软土工程中，即便在土质工程中使用预应力锚杆，也不能设计较高的预应力吨位，通常只宜采用低预应力锚杆。

8.4.5　锚索的布置方式

锚索布置的合理与否直接影响边坡加固的效果。如果锚索布置过密，间距过小，势必增加锚索的数量，过多的锚索会破坏岩体的整体性；如果锚索布置过稀，间距过大，将在锚索间形成不连续的挤压带，这样达不到预期的效果。比较合理的锚索布置，原则上应该使被加固岩体内部形成一个连续的挤压带，其挤压带的宽度大致等于锚索长度的1/2～1/3。根据岩性不同锚索可采用矩形布置或梅花形布置。

1）锚索的间距

锚索的间距应根据加固岩体的特征、锚固范围、滑体厚度的不同而确定，一般情况下行距为3～5m，排距为3～5m。对于岩体破碎松散，层状岩层软硬相间，行距、排距可适当小些。如果岩体比较坚硬，裂隙单一，锚索的行距、排距可适当大些。

2）锚索的倾角

选择锚索倾角时，应尽量考虑使锚索产生的抗滑力及抗摩擦阻力最大、锚索长度尽可能短以及钻孔注浆工艺最方便等。

锚索的倾角φ是指锚固方向与滑动面的夹角，由于锚固方向的不同，φ值可以有以下4种情况：φ＝（α－Δ）＜90°，φ＝（α＋Δ）＜90°，φ＝（α－Δ）＞90°，φ＝（α＋Δ）＞90°。α为滑动面的倾角，Δ为锚固方向与水平方向的夹角（亦称安装角）。现就以上4种不同的锚固方向来说明其抗滑作用。

图8.51　锚固方向不同时的锚固力

①当φ＝（α－Δ）＜90°时，如图8.51（a）所示，锚索的预应力P可分解为垂直于滑动面的分力P_n（该力与滑动方向相反，起阻滑作用）与平行于滑动面的分力P_r（该力乘以滑面的摩擦系数f，在滑面上可提供摩擦阻力）。从图中可以看出，这种锚固方向可提供大的抗滑阻力和一定的抗滑摩擦阻力。

②当φ＝（α＋Δ）＜90°时，如图8.51（b）所示，这种锚固方向既可提供一定的

抗滑阻力，又可提供一定的抗滑摩擦阻力。

③当φ＝（α＋Δ）＞90°时，如图8.51（c）所示，这种锚固方向只能在滑动面上提供一定的抗滑摩擦阻力即P_n＝P_f0。

④当φ＝（α－Δ）＞90°时，如图8.51（d）所示，这种锚固方向的锚索只起类似抗滑桩的作用，除对滑体提供摩擦阻力P_nf外，还形成了促使岩体的下滑力P_r。

由此可见：锚索抗滑力的大小决定于它的安装角Δ，在实际安设锚索时，为了便于钻孔一般取Δ＝5°～10°，即水平向下倾斜5°～10°方向上的钻孔。

3）锚索的长度

锚索的长度根据滑坡体厚度不同由设计确定，一般的锚索长度由以下几段组成：内锚固段长度L₁、自由段长度L₂、垫墩厚度L₃、斜托厚度L₄、垫板厚度L₅、锚具厚度L₆及预留长度L₇等。

（1）内锚固段长度L₁

内锚固段的钢绞线制成枣核形，其目的是使砂浆受压提高锚固力。内锚固段设置在滑坡下稳定的岩体内，它的长度由钢绞线和砂浆的粘结强度、砂浆与孔壁之间的粘结强度、锚索设计承载力的大小以及岩体的力学性质所决定的。因此，内锚固段长度可用以下几种方法计算求得。

①根据拉拔计算内锚固段长度：

式中　T₁——锚索设计承载力；

　L_n——拉拔试验的注浆长度；

　P——拉拔试验拔出力；

　K——安全系数，对于二次注浆锚索K＝2.0，对于自由锚索K＝3.0。

设计内锚固段长度时，一般要考虑各种不利因素，取试验锚固力的最小值作为内锚固段长度设计计算的依据。

②根据锚固段砂浆和钻孔壁粘结强度计算内锚固段长度：

式中　R₁——单位长度锚孔壁与砂浆的粘结力；

　T₁——锚索设计承载力；

　K——安全系数，同前。

③根据钢绞线和砂浆的握裹力计算内锚固段长度：

式中　N——锚固段钢绞线根数；

　d——单根钢绞线的直径；

　U——试验参数，U＝50；

　K——安全系数。

综合以上计算，内锚固段设计长度为6～10m。

（2）自由段长度L₂

自由段长度是指滑动面至边坡面之间的距离，可根据滑动面的深度来确定。在钻孔作业时，极易判断滑面的部位，由于滑面以上岩石风化且裂隙充填有粘土，而滑面以下岩石为新鲜岩石从钻孔排除的岩粉极易判别，记下每一钻孔穿过滑坡体的长度，即为自由段长度。

（3）垫墩的厚度L₃

当垫墩设计成正棱台体时，可用下式来确定其最小值：

式中　σ_R——孔口岩体的单向抗压强度，由于孔口岩体属局部受压状态，强度应有所提高，为安全计可取σ_R＝20MPa；

　a——垫墩正棱台上部边长；

　d——锚索孔径。

（4）斜托厚度

设计有斜托时，其厚度一般为10～30cm，即斜托短边厚度不小于10cm，长边厚度根据边坡倾角不同而定。此外，垫板厚度、锚具厚度和预留长度等，它们分别为20～40cm。

将以上各项长（厚）度相加即为锚索的总长度。

8.4.6　锚索加固施工

1）钻锚索孔

根据施工条件，钻孔可选用TXU-100型地质钻（孔径为φ91～φ127），也可采用全液压300型钻孔（φ93～φ95）。对于结构单一、完整性较好的岩体，钻孔一般较易，但在岩体破碎或含有流砂层地段成孔较难，尤其是在有承压水地段更易塌孔。对预应力锚索的成孔，要求孔径大，钻孔深，抗拔力高，因此更需保证成孔质量。为此，对于上述地段，施工时，先喷一层混凝土止水，在需钻孔的上排设置一排泄水孔，然后再用钻机钻孔，必要时用套管护壁成孔，这些措施可保证钻孔质量。如果钻孔完毕发现有塌孔现象发生，为保证锚固质量，应进行扫孔。对于极易破碎的岩层，随扫随塌的钻孔，宜先注满砂浆，等达到一定强度后，再进行2次钻孔。

2）探孔

探孔工具为一带有螺纹连接杆的枣状金属质探孔器，用于探测钻孔的实际长度、有无积水、水深多少以及是否塌孔。由于钻孔的方向大多与水平面有10°左右的夹角下伏，因而锚孔内内锚固段都有不同段长的积水存在，不将此积水连同孔内空气全部排除，施工质量难以保证。为此，遇有这种情况在施工中可采取以下措施：

①增大排气管截面和注浆压力，把气、水强行从孔底通过排气管排出孔外。

②采用水下注浆技术，把气、水自孔底通过锚孔直接排出孔外。

3）锚索的绑扎与推进

锚段全段均须清洁，锚索内锚固段用定位片、紧箍环扎成枣核状，自由段需防腐处理，且每束钢绞线分别用塑料套管隔离防护。绑扎时，应将钢绞线理顺，每束钢绞线分别置入扩张环的相应位置上，绑扎要牢靠。

4）内锚固段注浆

注浆设备采用HB6-3型灰浆泵，注浆压力0.6～1.0MPa，注浆材料多用525号普通硅酸盐早强水泥浆液，配合比：水泥∶砂∶水＝1∶（1～2）∶（0.38～0.45）。为保证内锚固段注浆质量，孔内不能残留油污、泥土和积水，一般要求将锚孔内的积水排净，方可注浆。遇到有漏水的情况，要做防渗漏处理，才能注浆，以防砂浆大量渗漏影响施工质量。

5）张拉锚索预应力

张拉预应力可采用YC60型穿心式双作用千斤顶，与之配套使用的油泵为ZB4-500型电动油泵。当内锚固段砂浆强度达到75%以上才能进行。张拉时，应采用分段缓慢加荷法，每加一级荷载同时量测锚头位移值，当位移值基本稳定后再加下一级荷载，直至达到设计荷载为止。此时应立即锁住锚头，防止预应力降低。一般施工的预应力控制在300～450kN。

6）自由段注浆

当张拉预应力达到设计吨位（一般要求超张拉110%～115%设计吨位）锁住锚头后，即可进行自由段压浆。在特殊情况下，如遇有大的断层、裂隙或贯通性空洞时，也可把张拉同张拉段注浆两道工序颠倒过来，采用人工拌合稠浆先将张拉段填满，然后立即张拉锁住预应力。

7）锚索的监测与预应力的调整

预应力大小的监测采用压力传感器或测力器来实现，其量程应大于预应力吨位的30%～50%。压力传感器可安装在工作锚和垫板之间，测力计可安装在锚固段的交界处。其安装数量为5%～10%锚索根数。

当锚索的预应力随时间而损失10%的设计吨位时，应进行补偿张拉，超张拉控制在设计吨位的110%锚定。由于滑动位移而引起锚索的拉力增大，到设计吨位的120%时，用千斤顶脚和拉筒张拉到工作锚螺母拨动，放松到110%设计吨位为止。

8.4.7　施工注意事项

①锚索施工应与石方施工相结合，开挖应严格控制爆破用药量，防止把已施工的锚头震松。全部施工完毕，应全面进行检查，对不合要求的，或锚头松动的锚索应重新张拉。每开挖1排施工1排锚索。

②锚索全面施工前应利用工程锚索进行张拉试验，以确定本段锚索所有的施工参数。

③锚索钻孔完成后应及时下锚和注浆，及时补浆、预张拉和分级张拉，最终超张拉至设计吨位的110%。

④应保证垫墩斜托面与锚索垂直，以确定锚索张拉时其受力方向与锚索在同一轴线上。