论文部分内容阅读
摘要：通过对预应力钢锚管注浆加固原理分析，找出锚固系统可能产生的破坏形式以及其产生的原因，结合工程施工边坡地质实际情况，有效控制了钢锚管压浆的施工质量，达到了预期效果，为以后施工积累了实践经验。
关键词：预应力钢锚管；注浆原理；破坏形式；控制措施
1、引言
注浆预应力钢锚管为近年来新推广采用的一项边坡防护技术，该项技术采用与坡面成一定角度由潜孔钻机成孔，置入钢锚管并注入水泥砂浆构成锚管体达到稳定边坡的目的。预应力钢锚管通过注浆压力调整和二次注浆增加锚孔周边岩体的吸浆量，达到固化锚孔周边破碎岩土、具有滑移趋势的顺层岩体和提高锚管体的锚固力的三重复合作用，达到改善岩土结构，增强岩土自身凝固力和坡脚抗压能力，从而提高边坡的自然稳定性。与钢筋砂浆锚杆和预应力钢绞线比较，预应力注浆钢锚管的突出优点是：锚固范围大、破坏小、受力均匀、易于张拉、工程造价相对较低。因此，该项技术正逐步应用于破碎岩层、断裂带、软弱岩层及地下水丰富的路堑边坡。
2、预应力钢锚管注浆加固原理
2.1注浆可使钢锚管成为全长或部分锚固体，将滑动坡体和不动岩土体粘结能改变了坡体的破碎状态，起抗滑的作用，充分发挥坡体的自承载力作用。
2.2对于节理裂隙发育的岩体，浆液在很小的注浆压力下就会渗入节理裂隙中，裂隙中的气体和自由水被排挤出去，浆液充填裂隙或空隙，形成较为密实的浆体，从根本上解决了水、空气的侵入，能有效防止围岩吸水膨胀及风化。
2.3二次劈裂注浆使注浆液在鋼锚管周围扩散，有利于将坡体中产生的主动侧压力传至土层深处，增加了坡体的抗滑性；同时将原来浆体与孔壁岩土体的平整的面接触改变成浆脉状的锯齿形接触，明显提高了锚固段的抗剪强度。其中：劈裂注浆主要有四个作用，一是劈裂作用；二是挤密加固作用；三是扩散作用；四是填充作用。根据施工中注浆压力、注浆量和地表冒浆现象分析，推测钢锚管劈裂注浆的形式有以下几种：
（1）在具有层状的灰岩、页岩地层，注浆以扩散、填充为主，地下浆液呈扇形、蘑菇状，浆液沿地层层间裂隙、结构面缝隙行进，浆液根据这种裂缝的大小和远近，可以行进很远，直至通达地表而冒出，最远可达10.5m，浆液的形状随裂隙的形状变化而变化，呈扇形或蘑菇状（如图2.3-a）。
（2）全风化炭质泥岩累软土地层中，主要是挤密扩散作用，，浆液向远处扩散的比较少，在孔口冒浆的比较多（如图2.3-b）。
（3）在灰岩与类软土层交界处，当有较多的裂隙和溶洞时，以填充作用为主，此时注浆量大，注浆体呈树根状。注浆压力不大，而注浆量大，且地表未见冒浆，也没有地表鼓胀、裂缝现象（如图2.3-c）。
（4）在残坡积地层，以扩散、劈裂为主，浆液进行的距离可以达到较远处，注浆时地表鼓胀现象比较明显，使土体膨胀 呈树梢状，这种地层本身不易稳定，透水性较好，水侵透后容易坍塌，土体主要为含有较多沙砾的类软土，含水量较大（如图2.3-d）。
（5）在密实的类软土层，土体呈硬塑状，则劈裂、挤密、扩散、填充的作用均不明显。这种地层注浆量小，注浆压力比较大，并且二次劈裂注浆一开始后很快就从孔口周围冒浆，浆体呈带状（如图2.3-e）。
3、预应力注浆钢锚管可能产生的破坏形式
钢锚管的主要受力和传力构件是其锚固段，它通过径向应力和剪应力的形式和“钢锚管体→注浆材料→周围岩土体”的路径来传递外荷载，其极限抗拔力取决于钢锚管锚固力的大小等，钢锚管锚固力的大小由锚固段注浆材料与管体间、注浆材料与岩土体间及剪切强度及注浆材料与杆体的抗拉强度三个强度中最小的一个决定，在不同的岩土中，锚固系统可能产生不同的破坏形式：（1）沿注浆体与锚固体系的结合面破坏（如图3-a）。（2）沿孔壁与注浆体的结合处破坏（如图3-b）。（3）边坡岩土体的破坏（如图3-c）。（4）在锚固力作用下锚固岩土体沿破坏面的受拉破坏（如图3-d）。
4、预应力钢锚管施工
4.1选择试验孔
施工前选择了6个钻孔进行注浆试验，主要确定水泥砂浆最佳水灰比、注浆次数、两次逐渐间隔时间和注浆压力、注浆量和坡面冒浆现象。
4.2成 孔
坡面开挖完成检查合格后，按设计要求测量放线测定孔位，搭设钢管脚手架及施工平台，并保证脚手架牢固稳定。钻孔设备采用100型空压机。采用12m3空压机供风潜孔钻无水干钻成孔，孔径110mm，钻杆与水平夹角为20°，孔深按设计图纸要求并多钻50cm。
4.3钢锚管制作加工
（1）预应力钢锚管（如图4.3）采用直径Φ51mm，壁厚7mm的热轧无缝钢管制作。杆体长度分别为3.0m、3.5m、4.0m、4.5m等四种定尺。沿钢锚管长度方向每1米钻6～7个φ6mm呈螺旋型布置的注浆孔，自由段不设注浆孔。钢锚管外壁孔眼处缠绕特制胶带封孔，胶带沿孔眼螺旋式缠绕3层，然后每隔30cm左右绕钢管外壁缠绕一周固定，缠绕前将管壁清理干净，胶带压平粘牢。
（2）钢锚管用连接器连接，连接器前端设置对中环，对中环的外径95mm，内径54mm，厚度20mm，用工程塑料加工而成。
（3）二次注浆时，钢锚管管口加钢盖密封，管口与钢盖之间设密封圈，封口材料采用掺入速凝剂的水泥砂浆。以提高凝结速度及强度，封口时预埋一根Φ20mm排气管。制作完成后由现场监理验收合格后安放进经验收的孔内。
4.6张拉锁定及封锚
当浆液和锚梁混凝土强度达到设计强度80%后方可进行张拉，钢锚管锚头外预留10cm，张拉锁定后用C30砼封锚。
5、确保注浆施工质量的关键控制措施
5.1把好钢锚管加工安装质量关。
钢锚管运输、管摆放及下管安装注意保护好管壁胶带，钻孔完成后用高压空气（风压0.2～0.4MPa）将孔中岩粉及水全部吹出孔外；下管前必须将锚固段油污和锈斑彻底清除 5.2把好水泥砂浆、水泥浆拌制作关
锚孔内第一次注浆采用M30水泥砂浆，水灰比为0.55，灰砂比为1.0，灌浆剂掺量为8%。浆液通过注浆管从孔底自下而上反向压浆，将孔底残留的碎渣压出孔外，当孔口流出浆液10-15秒后，停止注浆。观察5～10分钟，当孔内浆液减少时必须及时补浆。第二次高压注浆，采用M20纯水泥浆，水泥浆稠度为16～20s，注浆压力为2-3MPa。先在孔口安装密封盖，上部连接高压注浆管，打开排气阀进行高压注浆。
注浆时严格控制配合比，水泥浆搅拌均匀，保证搅拌时间，注浆时要不断搅动浆液，以防沉浆。搅拌好后的水泥浆采用筛网过滤，以防堵管和保证注浆质量、效果。
5.3把好第一次注浆与第二次注浆间隔时间关
第一次注浆与第二次注浆间隔时间如太短，水泥浆不能有效渗入岩缝，使岩土体不能形成有机的整体，防护达不到预期效果；根据试验孔确定第一次注浆完成12-15小时进行第二次高压注浆最为理想。
5.4把好二次劈裂注浆关
大广南高速公路K259+000～K259+300段施工路堑边坡处于具有层状的软质页岩，边坡岩体节理裂隙发育，可能发生顺层面工程滑坡。根据注浆原理的分析和试验孔注浆结果，二次劈裂注浆边坡应有浆液冒出，且冒浆范围应在8m左右。
二次劈裂注浆过程中派专人注意观察注浆泵和孔口压力值的变化及注浆量的变化，注浆过程中采用注浆压力控制、注浆量控制和冒浆现象相結合进行控制。当注浆压力在1.5-2.0MPa而注浆量很小时或注浆量是第一次注浆量的4-5倍，且观察边坡有溢浆现象发生时时该孔注浆方可结束。
5.5把好雨季临时排水措施关
施工中如遇雨季，坡面采取坡顶挖设截水沟或坡面铺设塑料薄膜等临时防水措施，避免坡面冲刷和雨水沿坡体下渗，影响钢锚管注浆施工质量。
6、结 论
6.1钢锚管注浆效果采用预应力锚固体系质量检测仪检测进行检测，检测预应力钢锚管244根，根据锚固体系饱和度判定标准，Ⅰ类锚固体系186根，占76.2%，Ⅱ类锚固体系58根，占23.8%，无Ⅲ类锚固体系，总体施工效果良好。
6.2注浆质量控制重点是锚固段油污等杂质必须清理干净，控制好水泥砂浆、水泥浆的水灰比，把握好第一次注浆与第二次注浆间隔时间，确保第二次注浆在岩土体中能形成有效渗透注浆体，达到边坡抗滑、抗剪的目的。
6.3施工段边坡在经过多次特大暴雨和强降雨袭击后，边坡无明显异常变化，加固结构仍稳定，证明预应力钢锚管加固措施和施工质量控制均达到了预期的处理效果，可作为类似工程施工借鉴。
6.4预应力钢锚管施工速度快，施工质量更易于控制，成本相对较低，可作用各类型边坡防护措施的首选参考方案。
参考文献
[1]陈新松，赵乐刚.边坡锚固工程施工工艺简介.西部探矿工.2004，（12）： 209-210
[2]廖延军.预应力锚索高边坡加固施工技术.交通科技与经济.2004，（5）：3-4
[3]何思明，李新坡.预应力锚杆作用机制研究.岩土力学与工程学报.2006，（25）：1876-1878
[4]乔迎欣.高速公路边坡加固对策及检测方法研究.长沙理工大学.2007，（8）：52-54
作者简介
张孟金，（1978.11—），男，本科，工程师，现从事施工管理工作。
关键词：预应力钢锚管；注浆原理；破坏形式；控制措施
1、引言
注浆预应力钢锚管为近年来新推广采用的一项边坡防护技术，该项技术采用与坡面成一定角度由潜孔钻机成孔，置入钢锚管并注入水泥砂浆构成锚管体达到稳定边坡的目的。预应力钢锚管通过注浆压力调整和二次注浆增加锚孔周边岩体的吸浆量，达到固化锚孔周边破碎岩土、具有滑移趋势的顺层岩体和提高锚管体的锚固力的三重复合作用，达到改善岩土结构，增强岩土自身凝固力和坡脚抗压能力，从而提高边坡的自然稳定性。与钢筋砂浆锚杆和预应力钢绞线比较，预应力注浆钢锚管的突出优点是：锚固范围大、破坏小、受力均匀、易于张拉、工程造价相对较低。因此，该项技术正逐步应用于破碎岩层、断裂带、软弱岩层及地下水丰富的路堑边坡。
2、预应力钢锚管注浆加固原理
2.1注浆可使钢锚管成为全长或部分锚固体，将滑动坡体和不动岩土体粘结能改变了坡体的破碎状态，起抗滑的作用，充分发挥坡体的自承载力作用。
2.2对于节理裂隙发育的岩体，浆液在很小的注浆压力下就会渗入节理裂隙中，裂隙中的气体和自由水被排挤出去，浆液充填裂隙或空隙，形成较为密实的浆体，从根本上解决了水、空气的侵入，能有效防止围岩吸水膨胀及风化。
2.3二次劈裂注浆使注浆液在鋼锚管周围扩散，有利于将坡体中产生的主动侧压力传至土层深处，增加了坡体的抗滑性；同时将原来浆体与孔壁岩土体的平整的面接触改变成浆脉状的锯齿形接触，明显提高了锚固段的抗剪强度。其中：劈裂注浆主要有四个作用，一是劈裂作用；二是挤密加固作用；三是扩散作用；四是填充作用。根据施工中注浆压力、注浆量和地表冒浆现象分析，推测钢锚管劈裂注浆的形式有以下几种：
（1）在具有层状的灰岩、页岩地层，注浆以扩散、填充为主，地下浆液呈扇形、蘑菇状，浆液沿地层层间裂隙、结构面缝隙行进，浆液根据这种裂缝的大小和远近，可以行进很远，直至通达地表而冒出，最远可达10.5m，浆液的形状随裂隙的形状变化而变化，呈扇形或蘑菇状（如图2.3-a）。
（2）全风化炭质泥岩累软土地层中，主要是挤密扩散作用，，浆液向远处扩散的比较少，在孔口冒浆的比较多（如图2.3-b）。
（3）在灰岩与类软土层交界处，当有较多的裂隙和溶洞时，以填充作用为主，此时注浆量大，注浆体呈树根状。注浆压力不大，而注浆量大，且地表未见冒浆，也没有地表鼓胀、裂缝现象（如图2.3-c）。
（4）在残坡积地层，以扩散、劈裂为主，浆液进行的距离可以达到较远处，注浆时地表鼓胀现象比较明显，使土体膨胀 呈树梢状，这种地层本身不易稳定，透水性较好，水侵透后容易坍塌，土体主要为含有较多沙砾的类软土，含水量较大（如图2.3-d）。
（5）在密实的类软土层，土体呈硬塑状，则劈裂、挤密、扩散、填充的作用均不明显。这种地层注浆量小，注浆压力比较大，并且二次劈裂注浆一开始后很快就从孔口周围冒浆，浆体呈带状（如图2.3-e）。
3、预应力注浆钢锚管可能产生的破坏形式
钢锚管的主要受力和传力构件是其锚固段，它通过径向应力和剪应力的形式和“钢锚管体→注浆材料→周围岩土体”的路径来传递外荷载，其极限抗拔力取决于钢锚管锚固力的大小等，钢锚管锚固力的大小由锚固段注浆材料与管体间、注浆材料与岩土体间及剪切强度及注浆材料与杆体的抗拉强度三个强度中最小的一个决定，在不同的岩土中，锚固系统可能产生不同的破坏形式：（1）沿注浆体与锚固体系的结合面破坏（如图3-a）。（2）沿孔壁与注浆体的结合处破坏（如图3-b）。（3）边坡岩土体的破坏（如图3-c）。（4）在锚固力作用下锚固岩土体沿破坏面的受拉破坏（如图3-d）。
4、预应力钢锚管施工
4.1选择试验孔
施工前选择了6个钻孔进行注浆试验，主要确定水泥砂浆最佳水灰比、注浆次数、两次逐渐间隔时间和注浆压力、注浆量和坡面冒浆现象。
4.2成 孔
坡面开挖完成检查合格后，按设计要求测量放线测定孔位，搭设钢管脚手架及施工平台，并保证脚手架牢固稳定。钻孔设备采用100型空压机。采用12m3空压机供风潜孔钻无水干钻成孔，孔径110mm，钻杆与水平夹角为20°，孔深按设计图纸要求并多钻50cm。
4.3钢锚管制作加工
（1）预应力钢锚管（如图4.3）采用直径Φ51mm，壁厚7mm的热轧无缝钢管制作。杆体长度分别为3.0m、3.5m、4.0m、4.5m等四种定尺。沿钢锚管长度方向每1米钻6～7个φ6mm呈螺旋型布置的注浆孔，自由段不设注浆孔。钢锚管外壁孔眼处缠绕特制胶带封孔，胶带沿孔眼螺旋式缠绕3层，然后每隔30cm左右绕钢管外壁缠绕一周固定，缠绕前将管壁清理干净，胶带压平粘牢。
（2）钢锚管用连接器连接，连接器前端设置对中环，对中环的外径95mm，内径54mm，厚度20mm，用工程塑料加工而成。
（3）二次注浆时，钢锚管管口加钢盖密封，管口与钢盖之间设密封圈，封口材料采用掺入速凝剂的水泥砂浆。以提高凝结速度及强度，封口时预埋一根Φ20mm排气管。制作完成后由现场监理验收合格后安放进经验收的孔内。
4.6张拉锁定及封锚
当浆液和锚梁混凝土强度达到设计强度80%后方可进行张拉，钢锚管锚头外预留10cm，张拉锁定后用C30砼封锚。
5、确保注浆施工质量的关键控制措施
5.1把好钢锚管加工安装质量关。
钢锚管运输、管摆放及下管安装注意保护好管壁胶带，钻孔完成后用高压空气（风压0.2～0.4MPa）将孔中岩粉及水全部吹出孔外；下管前必须将锚固段油污和锈斑彻底清除 5.2把好水泥砂浆、水泥浆拌制作关
锚孔内第一次注浆采用M30水泥砂浆，水灰比为0.55，灰砂比为1.0，灌浆剂掺量为8%。浆液通过注浆管从孔底自下而上反向压浆，将孔底残留的碎渣压出孔外，当孔口流出浆液10-15秒后，停止注浆。观察5～10分钟，当孔内浆液减少时必须及时补浆。第二次高压注浆，采用M20纯水泥浆，水泥浆稠度为16～20s，注浆压力为2-3MPa。先在孔口安装密封盖，上部连接高压注浆管，打开排气阀进行高压注浆。
注浆时严格控制配合比，水泥浆搅拌均匀，保证搅拌时间，注浆时要不断搅动浆液，以防沉浆。搅拌好后的水泥浆采用筛网过滤，以防堵管和保证注浆质量、效果。
5.3把好第一次注浆与第二次注浆间隔时间关
第一次注浆与第二次注浆间隔时间如太短，水泥浆不能有效渗入岩缝，使岩土体不能形成有机的整体，防护达不到预期效果；根据试验孔确定第一次注浆完成12-15小时进行第二次高压注浆最为理想。
5.4把好二次劈裂注浆关
大广南高速公路K259+000～K259+300段施工路堑边坡处于具有层状的软质页岩，边坡岩体节理裂隙发育，可能发生顺层面工程滑坡。根据注浆原理的分析和试验孔注浆结果，二次劈裂注浆边坡应有浆液冒出，且冒浆范围应在8m左右。
二次劈裂注浆过程中派专人注意观察注浆泵和孔口压力值的变化及注浆量的变化，注浆过程中采用注浆压力控制、注浆量控制和冒浆现象相結合进行控制。当注浆压力在1.5-2.0MPa而注浆量很小时或注浆量是第一次注浆量的4-5倍，且观察边坡有溢浆现象发生时时该孔注浆方可结束。
5.5把好雨季临时排水措施关
施工中如遇雨季，坡面采取坡顶挖设截水沟或坡面铺设塑料薄膜等临时防水措施，避免坡面冲刷和雨水沿坡体下渗，影响钢锚管注浆施工质量。
6、结 论
6.1钢锚管注浆效果采用预应力锚固体系质量检测仪检测进行检测，检测预应力钢锚管244根，根据锚固体系饱和度判定标准，Ⅰ类锚固体系186根，占76.2%，Ⅱ类锚固体系58根，占23.8%，无Ⅲ类锚固体系，总体施工效果良好。
6.2注浆质量控制重点是锚固段油污等杂质必须清理干净，控制好水泥砂浆、水泥浆的水灰比，把握好第一次注浆与第二次注浆间隔时间，确保第二次注浆在岩土体中能形成有效渗透注浆体，达到边坡抗滑、抗剪的目的。
6.3施工段边坡在经过多次特大暴雨和强降雨袭击后，边坡无明显异常变化，加固结构仍稳定，证明预应力钢锚管加固措施和施工质量控制均达到了预期的处理效果，可作为类似工程施工借鉴。
6.4预应力钢锚管施工速度快，施工质量更易于控制，成本相对较低，可作用各类型边坡防护措施的首选参考方案。
参考文献
[1]陈新松，赵乐刚.边坡锚固工程施工工艺简介.西部探矿工.2004，（12）： 209-210
[2]廖延军.预应力锚索高边坡加固施工技术.交通科技与经济.2004，（5）：3-4
[3]何思明，李新坡.预应力锚杆作用机制研究.岩土力学与工程学报.2006，（25）：1876-1878
[4]乔迎欣.高速公路边坡加固对策及检测方法研究.长沙理工大学.2007，（8）：52-54
作者简介
张孟金，（1978.11—），男，本科，工程师，现从事施工管理工作。