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预应力锚杆与锚索支护技术

预应力锚杆与锚索支护技术
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5 预应力锚杆与锚索支护技术

5 预应力锚杆与锚索支护技术

5.1 概述

5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念

5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构

5.2 预应力锚杆和锚索结构与材料

5.2.1 预应力锚索与普通锚杆的区别

5.2.2 索体材料与结构

5.2.3 其它构配件

5.3 预应力锚索支护参数设计

5.3.1 锚索作用的基本原理及其破坏形式

5.3.2 锚索设计

5.4 预应力锚杆和锚索施工及其施工机具

5.4.1 预应力锚索施工程序

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

5.4.3 预应力锚索施工机具

5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念

(1)基本概念

预应力锚杆就是施加有预应力的锚杆。如采用钢绞线、钢丝等线材作锚杆材料,并施加预应力,则被称为锚索。

预应力锚固是预应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称,是在预应力混凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求的方向、大小及锚固深度,预先对基岩或建筑物施加主动的预压应力,从而达到加固或改善其受力条件的目的。

所谓主动的预应力,就是在基岩或建筑物产生变形之前,就已在发挥作用的锚固力。

预应力锚固的结构型式各异,但均由锚孔、锚束两个部分组成。锚孔是设置锚束的钻孔,锚束是施加预应力的主体。

锚束由锚头(又称外锚头)、锚束体(即锚束的自由段)及锚固段(又称锚根或内锚头)等三个部分组成。

锚固段是预应力锚索的根基,是锚固在锚孔底部的非张拉段;

锚头位于锚孔孔口以外,是张拉与锁定预应力的支撑部分,属非张拉段;

自由段是联接锚头与锚固段的部分,承受预应力张拉所施加的全部荷载。

5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念

(2)锚索技术的历史

最早是在20世纪初期(1918年)用于西里西安矿山。30年代(1934年)阿尔及利亚工程师将预应力岩石锚杆技术用于舍尔法水坝。70年代,预应力锚固技术的应用已经相当普遍,有了专门的理论、设计方法和施工设备机具。

应用范围:在工业与民用建筑、桥梁、矿山、高陡边坡、地下洞室、坝基、水闸墩基工程以及建筑物的维护与补强等方面已成为一种常用的经济有效的手段,其理论与技术、工程规模都相对成熟。

我国起始于20世纪60年代,70年代后被广泛推广应用。当前,随岩土工程规模的越来越大,国内的预应力锚固技术也达到了较高水平。

5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念

(3)预应力锚索的特点

1)在高边坡基础开挖与隧洞洞脸开挖中,可增加边坡稳定,减少开挖工程量,提前进洞,大大缩短开挖工期。

2)在坝基、岸坡抗滑稳定加固中,可在不扰动基岩,不影响水库运行的前提下,提供可靠的抗滑力。

3)在大坝加高、加固中,可在不放空水库、不影响坝区已有布置及水电站运行的情况下,达到加高、加固坝体,改善坝体应力的目的。

4)可较好地修补混凝土的裂缝或缺陷,可将过大的集中荷载分散到较大的范围内。

5)可不增加自重而提高坝体或其他建筑物的抗震、抗冲击性能。预应力坝还可以用预应力锚索代替部分混凝土压重,减少混凝土数量,改善坝体结构型式及施工条件,从而缩短工期、降低造价,使设计断面更加合理。

6)在大型洞室的支护中,既可以改善洞室围岩的受力条件,又能加固洞室、治理边坡、处理坍方、优化设计、方便施工,因此,在大型洞室喷锚支护中占有越来越重要的位置。

总之,预应力锚索具有设计合理、施工简便、效益显著、经济可行等优点,这些独特的优点,使其在国内外都得到广泛的应用。

5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构

可根据锚索锚固部分的受力状态将预应力锚索分为:张拉型(拉力型)、压力型、载荷分散型等3类。

(1)张拉型锚索

张拉型锚索的锚固类似于普通端头锚固锚杆。它有两种锚固形式,即水泥浆液、水泥砂浆或树脂的粘结式锚固与机械式锚固。

所谓张拉型锚索,就是锚索体所施

加的预应力对砂浆、水泥浆或树脂

固结体产生张拉力作用,从而对围

岩实施主动支护作用。

张拉型锚索根据张拉段是否粘结分

为全长粘结式和自由式。但全长锚

结是经过端头锚固、张拉和二次注

浆的过程。

张拉型锚索结构简单,造价低。

5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构

张拉型锚索靠锚索体对固结体的张拉作用实现锚固,因此,容易在自由段与粘结段界面出现应力集中使锚索与固结材料发生开裂(剪裂缝一般在粘结段1m范围内出现,张拉裂缝会在1~3m的范围出现),甚至会由此而导致整体锚索失效。

(2)压力型锚索

压力型与拉力型锚索在结构上存在明显的区别,一方面压力型锚索的拉力是通过锚索底部的端部压板对浆液固结体的压力实现预应力,从而产生对围岩的约束作用;另一方面,压力型锚索的自由段套管一直沿伸到端部压板附近。

由于浆液固结体的抗压性能要比抗拉和

抗剪性能好得多,且受力范围也更大,

因此压力型锚索的受力状况要比拉力型

更好,工作更可靠。同时,这种结构可

以一次完成全部长度的灌浆工作。

5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构

(3)载荷分散型锚索

预应力作用的过分集中对固结体以及岩土体受力不利,采用在锚索孔长度上将锚索预应力分散,这样就形成了荷载分散型锚索结构。

该法对裂隙发育或土质松软的地层非常有利,可避免固结体及岩土体强度不足而造成的破裂,同时,可减小加固范围内的岩土体因受预应力作用而引起的不均匀变形。

荷载分散型锚索可分为压力分散和拉力分散与拉压分散型等几种。

拉力分散型锚索只是将几根长短不等的锚索体,采用和拉力型锚索的结构一样,锚固在锚孔中的不同长度位置上,使预应力分散作用于不同深度的岩土体上。

压力分散型锚索有相同的概念,将锚索的端部压板固定在长度不同的锚索体上,在实现压力传递预应力过程中起分散载荷的作用。

剪力分散型锚索结构是在无粘结钢绞线末端用环氧树脂粘结,然后固结在水泥砂浆或水泥浆中。

拉压交叉分散型锚索是在一根钢绞线的端部,做成拉力式锚固结构,而在其余部分设置套管,并在套管端部位置安设承压板。锚索孔中长短不同的锚索体采用相同结构,形成拉压分散型结构。

5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构

5.2.1 预应力锚索与普通锚杆的区别

1)锚索要施加高预应力,在全长范围内要区分锚固段和自由段。锚固段是锚索受力的根基,同时也是能承受预应力的基本条件;自由段是预应力作用的工作段。

2)锚索承受更大的载荷,锚索体通常采用高强高性能材料;对锚固力的要求也高,一般锚固段较长,且通常是全长灌浆。

3)锚索加固工程一般规模相对较大,服务寿命也相对较长,因此要求考虑锚索的防腐蚀问题。

4)为了向岩土体内传递比较高的载荷作用,在锚头部位一般设有专门的墩座。

5)为保证锚索或预应力锚杆在锚孔中受力合理,要使其在长度范围内能对中就位,因此在锚索上设有对中支架。

6)由于锚索的施工规模相对较大,预应力和承载能力高,预应力施加要求严格,因此施工机具和施工质量都要求有比较可靠的保证。

5.2.2 索体材料与结构

(1)对索体材料一般要求

应根据材料自身特点、载荷大小和特性、加固规模、施工场地等因素选择。常用的索体材料有高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝、精轧螺纹钢筋和无粘结预应力筋等,要求具有强度高、柔性好、延伸率低等特性。

精轧螺纹钢筋属刚性预应力锚杆,由40Si2MnV或45SiMnV高强度钢材制作,钢筋全长轧有完整的外螺纹,可用联接套管接长,端部用垫板和螺母锁定,施工方便。一般在设计锚固力600kN以下,杆长小于20m的工程中使用。

预应力锚索常用钢铰线的规格是Φ12.70mm和Φ15.24mm。

高强预应力钢丝一般在混凝土工程中应用较多,它是以优质高碳钢园盘条经等温淬火并拔制而成。

无粘结预应力筋由预应力钢绞线、防腐油脂涂料层和聚乙烯或聚丙烯外包层组成,具有优异的防腐、抗震和锚固性能,适用于各种先张和后张锚固。

锚索材料及其施工质量的好坏直接关系到锚索加固工程的质量、效果和寿命。因此,锚索材料不仅要合理选择,而且从开始进场就应该有严格的管理和验收制度,并确保合理维护和正确施工。

5.2.2 索体材料与结构

(2)常用索体材料性能参数

高强精轧螺纹钢筋的力学指标见表5-1;

普通预应力钢绞线规格和力学指标参数见表5-2;

低松弛预应力钢铰线规格和力学指标参数见表5-3;

预应力钢丝规格和力学指标参数见表5-4和表5-5。

5.2.2 索体材料与结构

(3)索体的制作

钢绞线或钢筋的制作内容主要是根据长度要求截断,然后在自由段套上套管,并在其内注入油脂。如是用厂家提供的带套管钢绞线时,则要求在锚固段和锚头长度范围内剥除套管,以便于注浆固结。对锚固段需根据设计安装和固定好隔离支架,以形成串状糖葫芦结构,可有助于提高锚固强度和锚固力。在张拉段可设置对中支架,保证钢绞线沿全长在一条线上。

高强钢丝的制作多一道编制的工序。即在下料后需要将设计的若干钢丝分别穿过带孔(槽)的金属板(隔离架)使其定位。然后每隔1m左右用铁丝或束线环将钢丝绑扎固定在一起;在张拉段要设置对中支架,且要求绑扎在一起的钢丝长度应彼此一致,否则会造成受力不均匀,从而降低整个锚索的支护效果。

5.2.2 索体材料与结构

(4)张拉与锁定

准备工作:为张拉需要,在垫墩和外锚头底面间留置千斤顶空间,并用临时支座支撑。支撑外安置垫平钢板和注浆套管以及外锚头。

张拉与锁定工作:应在孔内胶结材料和垫墩混凝土有足够强度以后再进行。因为张拉力一般为极限锚固力的40~70%,而混凝土中加入早强剂以后可以在10天左右达到80%设计强度,因此,通常在注浆后8~10天可以进行张拉。

正式张拉前应先用10~20%的张拉力进行两次预张拉。使锚索各部件紧密接触、杆体平直,消除隐蔽的变形量。

张拉应按规定分级进行。荷载加到最终值时(1.1~1.2倍的设计值),保持规定时间间隔,压力无变化、位移不超量,方可锁定。

5.2.3 其它构配件

(1)导向帽、隔离支架、束线环、对中架

导向帽用于钢绞线、高强钢丝锚索锚固端的顶部,将钢绞线或钢丝与导向帽组合在一起并有一定刚度,可便于将锚索送入锚孔底部。一般采用钢板或钢管制作。

隔离支架用于钢绞线的相互分离,使钢绞线分布均匀,并有混凝土包裹。注意隔离支架不能影响注浆时浆液流通。

束线环配合隔离支架使用,用束线环将钢绞线束成环,可避免隔离架和钢绞线的脱落。

对中架用于锚索的张拉段,套在锚索上支撑在孔壁上使索体对中,并保证有一定浆液包裹。对中架应根据锚索自身的刚度来设置,一般间隔为1~3m。

5.2.3 其它构配件

(2)锚具

包括夹具、锚锁等。预应力锚索采用的锚夹具以夹片式为主,常用的锚具为OVM型、QM型、XM型等。因锚具规格要按钢绞线来选取,因此,在使用中应按所用钢绞线规格选取相应的锚具,以保证锚具夹片与钢绞线之间有良好的匹配关系。

(3)混凝土垫墩

锚索头部一般有台座、承压板、紧固器组成。

垫墩台座通常由钢筋混凝土或加钢板构成,台座放置承压板的表面应平整并与锚索(杆)垂直。承压板要求有足够的刚度。

因此,垫墩混凝土强度等级一般在C30以上,混凝土垫墩的最小厚度不少于10cm,垫墩表层钢垫板厚度不少于25mm。

锚索张拉和锁定前后应用油脂充填锚孔垫板上下部位(锚孔与防护帽的空隙),以起防止钢绞线等金属材料的锈蚀作用。

5.3.1 锚索作用的基本原理及其破坏形式

(1)预应力锚索作用的基本原理

预应力锚索的基本作用原理和其它预应力构件一样,是通过对锚索体的张拉,形成对周围材料的压力作用以提高岩土体抗破坏能力;同时,当岩土体有可能出现拉应力时被这部分压力作用所抵消,可以减少岩土体内的拉应力。因此,岩土体处于预应力作用状态将大大提高岩土体的强度值。

预应力锚索和普通锚杆支护的主要区别:预应力锚索支护与加固的是一种真正意义上的主动作用,它靠预应力提供的高抗滑动阻力以实现岩土体的稳定;而普通锚杆支护主要是由岩土体变形而被动地引起锚杆的约束作用实现岩土体稳定。因此,预应力锚索支护性能明显优于普通锚杆支护。

预应力锚索支护的基本原理还是通过锚索使岩土体发挥出更高的承载能力,因此锚索也是一种通过岩土内部来实现加固岩土体的手段。岩土体自身的强度和性态还是决定于锚索支护与加固功能的根本因素,性质恶劣的地层就难以实现锚索支护或不能取得较好的效果。

5.3.1 锚索作用的基本原理及其破坏形式

(2)预应力锚索的破坏形式

预应力锚索的破坏形式主要有下列几种:

1)锚索体与注浆固结体之间的剪切或拉伸破坏。

2)注浆固结体与岩土界面之间的剪切破坏。

3)地层在预应力或地层载荷作用下的剪切破坏。

4)索体材料的断裂破坏。索体断裂情况比较复杂。大致可能分为两种情况,一种是锚索材料强度不足造成的;另一种可能是预应力过高造成的。

5)固结浆体在锚索的拉力或压力作用下破坏。

6)岩土体的整体破坏。

由此可见,锚索支护在设计中要考虑的因素比较多,同时,锚索支护设计过程还是一个比较复杂的问题。由于目前地层压力问题等没有很好解决,因此,进行锚索支护还不能象地面预应力结构那样,有一个比较可靠的理论依据和明确的设计方法。

5.3.2 锚索设计

(1)锚索设计的基本内容

锚索设计的基本内容有:锚固力大小和预应力值、固结长度和锚索整体长度(锚固深度与锚索自由段长度)、索体材料的确定及其构成和相应的截面积、锚头设计等。

(2)锚固力大小设计

要求锚索具有的锚固力大小可以由两种方法来确定:一种是类似土钉的设计方法,根据地层滑动的最小稳定性系数,比较所需要的稳定性系数,通过锚索的锚固力来实现地层稳定并满足设计要求所需要的稳定性系数。另外一种是采用工程类比法确定。根据稳定需要的锚固力,可称工作锚固力( )。

实际设计锚索其他尺寸时,都需要考虑安全系数( )。所以通常用( )来计算锚索的各部分尺寸参数。

5.3.2 锚索设计

(3)锚固段长度设计

锚固结构不同,其锚固段长度设计也不同。可以分为以下几种:

1)完整岩体或硬质粘土层,采用低压力(<1MPa)或无压灌浆

此时的浆液固结体成规整的圆柱体,并且基本和孔径大小一致。锚固力靠固结体与地层的粘结力提供。

假设:浆液固结过程没有体积收缩,且低压力注浆也不改变(压缩)孔径;锚固段受力时,应力沿孔壁均匀分布;破坏是由浆液固结壁与孔壁的粘结力不足造成(粘结力控制锚固力大小);或者是由于粘结壁附近的土体内突发性剪切破坏(土的抗剪强度控制)。

则锚固长度计算公式为

5.3.2 锚索设计

2)裂隙岩体或非粘性土的较低压力(1~2MPa)注浆

此时,由于浆液渗透作用,固结范围要超过钻孔的孔径。破坏发生在钻孔锚固段地层周边部位。则参照桩的设计方法,有公式

上述公式比较粗糙,进一步的修正的公式为

公式说明锚索的承载能力包括两部分,即孔周围的抗剪力(分母项)和考虑锚索端部的承载能力(分子后项)。

5.3.2 锚索设计

3)高压(>2MPa)注浆造成浆液固结部位形成劈裂注浆形成树根状固结

目前这类计算公式更不成熟,主要通过试验确定。

部分资料表明:当注浆压力小于3MPa前,固结段强度随注浆压力线性上升;3MPa以后,注浆压力就几乎没有影响。

对中到高塑性粘土注浆压力达3MPa,其粘结强度为300~350kN/m2。

4)在锚固段采用一系列哑铃状扩孔法钻孔的注浆锚索

扩孔后的直径约为钻孔直径的2~4倍,因此其锚固力取决于周边的剪切力和端部的抗拔力。这类方法要求扩孔时钻孔不出现塌孔现象,适用于不排水强度 大于90kPa的粘性土。

锚固段长度可以按下式计算:

由公式可以看出,这类锚索的粘结强度由三部分组成,即直线钻孔段周边抗剪强度(分子中的后一项)、端部作用承载能力(中间项)、以及浆液粘结强度。

5.3.2 锚索设计

5)锚索体与注浆固结体界面强度计算

沿锚固体长度上的剪应力分布是不均匀的。菲里普斯将拉力型锚索应力分布表示成指数形式。从拉力作用点开始计的剪应力为:

对应力沿长度积分,有

因为计算不方便,设计时就采用均匀分布的假设,即

极限剪应力和固结体的抗剪强度与其抗压强度有关。要求固结体的强度不小于30MPa。

5.3.2 锚索设计

6)锚固段长度设计的一般要求

要将4)、5)两种锚固长度的计算结果进行比较,并取其大值。

对于硬岩石一般是后者控制,对于软弱地层则常是前者控制。

在硬岩石中,锚固力小于200kN时,锚固长度不宜小于2m;锚固力大于200kN时,不宜小于3m。因为过小,可靠性太低。

在土中锚固,最短也不应小于3m,但最长也不宜超过10m。试验表明,长度超过临界值对锚固力并没有显著影响。一般最佳长度为6~7m。

5.3.2 锚索设计

(4)锚固段的深度(自由段长度)

1)概述

锚索锚固在岩土体内部一定深度,浅部是张拉的自由段。因此,锚固段深度(h)基本上就是自由段(l)的长度,也是锚索控制岩土体的(深度)范围。

锚索在岩土中的总长为固结段与自由段长度之

和,即

预应力锚杆或锚索既有锚杆和土钉的作用,又有

较高的预应力作用。因此,考虑预应力锚杆或锚

索的锚固深度,既要考虑加固范围,又要考虑在

高预应力下,锚杆或锚索作用范围的岩土体不被

拔出,即岩土体不发生剪应力破坏。

岩土体在预应力拉拔作用下将呈喇叭斗式破坏。

此喇叭斗的锥角从固结段中点开始;根据岩土性

质不同,角度约在60º~90º之间。

5.3.2 锚索设计

2)在岩石中的锚固段深度

均质岩体单根锚索的锚固段深度:

均质岩体锚索群的锚固段深度:

断裂岩体单根锚索的锚固段深度:

断裂岩体锚索群的锚固段深度:

如果有地下水,则式中容重应改为浮容重,即

5.3.2 锚索设计

3)非粘性土中的锚固段深度

干燥砂土:

锚索间距

其它情况

饱和砂土

另当锚索处于水平状态时,可用上式进行简化;而当锚索处于垂直状态时,可用另外的计算公式。

5.3.2 锚索设计

4)粘性土

单根锚索或 的锚索群

锚索群,且

5)结构要求

锚索的的锚固段深度不应小于5m。

5.3.2 锚索设计

(5)锚索的截面尺寸

以锚索截面面积为设计参数,即

(6)锚索间排距

锚索单独使用时,可根据岩土体荷载大小,计算锚索的布置;群体锚索中的单根锚索作用要较单独的锚索效果低。因此,群体锚索设计的锚固力要考虑对单根锚索的锚固作用的折减。

根据经验,锚索间排距应大于4倍锚孔直径,或大于1.5m。由于锚索经常与锚杆或土钉联合使用,此时锚索设计要根据荷载分摊的原则进行。且因为锚固段预应力荷载相对较大,如锚索周围有受力结构物,则应相距5m以上。

(7)张拉预应力设计

预应力锚索的张拉预应力大小需根据锚索材料的极限强度确定。

临时锚索:不超过锚索材料强度的65%;

永久锚索:一般不超过60%,地下工程一般为40~60%。

5.4.1 预应力锚索施工程序

预应力锚索施工的基本程序包括:

造孔、编束、锚索安装、注浆固结、张拉、锚头固结和防护等。

5.4.1 预应力锚索施工程序

(1)造孔

预应力锚索可以用于岩石或土层中的加固,介质的性质有较大的差异。因此钻孔前应根据加固工程所处岩土层的不同性质,选择合适的钻机。

在岩石中,应优先选用潜孔冲击式钻机,比较经济有效。

在破碎岩层,可以使用旋转式钻机或带套管的钻机,可以避免因为碎石塌孔使钻孔报废,保证一次成孔;

在卵石层钻孔,塌孔现象比较严重,则采用锚杆钻机将钻杆直接打入岩层中的方法(然后注浆);

在粘性土层中,可以采用带麻花钻杆的旋转钻机。

钻孔施工要求钻机的位置应不随钻机在钻进过程的振动而移动,避免给安设锚索造成困难。

锚索的钻孔孔径一般大于80mm,长度在10m左右或者更长。对钻孔的质量要求主要是保证长度、孔径、孔的角度和轴线的偏差。孔内的碎屑会影响注浆效果和占居一定孔深,因此,钻孔中碎石要尽量清除,钻孔深度要有适当的延长(一般不超过1m)。

5.4.1 预应力锚索施工程序

造孔包括钻孔、测孔、扩孔、固结灌浆及扫孔等工序,目的是钻一个较为理想的锚孔,以提高锚固效果。对小型预应力锚索;一般只要求一个孔放束即可;对渗水不大或采用爆破扩孔的锚孔,其工艺顺序就可以改为钻孔、固结、扫孔、扩孔;对大型粘结式锚索,为了减少锚固段的渗漏,就要先扩孔,再固结、扫孔;对中、小型锚索的机械式锚固段,孔底段宜改用金刚石钻头钻进,以提高钻孔孔径的均匀性,更好地与锚具直径配套。

由于造孔的造价约占预应力锚固工程总造价的一半,如何更好地改进造孔工艺,提高造孔工效,降低造孔部分的造价,将是造孔工艺设计与施工应该认真研究的重要课题。

5.4.1 预应力锚索施工程序

(2)编束

该工序可与造孔同时或提前进行。其内容包括编束的前期准备、编束及锚头的制作等。钢丝调直及防护处理等前期准备工作,可以根据各工程不同的锚索类型的具体情况酌定。

编束的方法,则随锚束断面的型式不同而各异;锚固段与锚头的制作,更是随锚束的不同类型而各不相同。

5.4.1 预应力锚索施工程序

(3)放束与锚固

两工序往往是同时或连续完成的。一般情况下,放束、锚固是在完成运输、吊装、孔内注浆后连续进行的。对某些类型的锚索在锚固后还应该继续完成锚头与垫块的制作。例如混凝土柱状锚头,就是在完成放束、锚固之后才开始锚头制作的,同时还应完成钢筋混凝土垫柱或垫块的制作。

锚索安设的主要质量问题是应保持锚索在锚孔中的平直、均匀,特别是在自由段和固结段之间不应有严重的弯曲。

锚索注浆有3个目的:形成与岩土层的固结段,提供基本锚固力和预应力的作用基点,提高锚固承载作用和加固效果,以及防腐。因此,对注浆浆液性质的基本要求是浆液的强度和稠度,即水灰比。注浆浆液的水灰比一般在0.4~0.45,有时可到0.5。浆液固结体的强度一般在30MPa以上。

下倾式钻孔注浆,要和安设锚索的同时下入注浆管。上倾式钻孔注浆要安设排气管。注浆充满钻孔即可以结束注浆工作。

5.4.1 预应力锚索施工程序

(4)锚索张拉

锚索张拉是实现预应力加固的一个关键程序。它包括机具仪表的校验、超张拉、张拉、安装等工序。预应力张拉工具主要有千斤顶、油泵以及油压表、高压油管等。低预应力锚杆也可以采用扭力扳手。

预应力张拉要在注浆固结体具有足够强度后才可进行。张拉施工应尽量采用单根对称、分级逐步施加、慢加载的方法。所谓单根对称是指有几根钢绞线的锚索,要先单根拉和对称拉,然后整体张拉;所谓分级拉指张拉应力从小到大,逐级增加到设计值,并且在达到每一级张拉值后应有约二分钟的稳压时间。实验表明,分级循环次数越多,预应力分布情况越均匀。

考虑到锚具的弹性恢复对预应力损失的影响,最终的张拉值应较预应力设计值更大一些,称为超张拉。超张拉值一般为设计预应力值的5~10%。当油表表示预应力到达设计值后不再降低,可以锁定锚索。

(5)防护

包括索体材料的防护、张拉前锚束在钻孔内的临时性防护与张拉后全孔的永久性防护。索体材料的防护和临时性防护包括在索体上加金属镀层、涂有机质涂料、改变周围介质性能等。而永久性防护则以水泥封灌为主。

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

(1)锚索的锚固力

提高锚固力可以达到两个目的:提供高预应力的条件和提高岩土体的稳定作用。提高锚固力的方法除采用高效锚固材料(高强水泥砂浆、树脂)、优质施工外,还可以将固结段锚索制成波形以及在锚索底端制作专门的托板结构、增加锚固段的长度等。

增加固结段长度对提高固结力的作用并非一直是线性的。当固结长度超过一定尺寸后,再增加固结长度,对固结力的影响将明显减小。这是因为锚索张拉力在固结段的分布并非均匀的。近拉力作用处应力集中显著,远处承受的应力就越来越小,并接近于零。由此以后再增加长度,对整个索体锚固力的影响也就几乎为零了。因此,过分增加固结段长度,不仅锚固力的增加有限,而且减少应力集中的效果也不明显。所以当增加预应力时,同样会出现固结段拉裂的情况。一般锚固段长度不超过10m。

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

(2)预应力损失问题

预应力是锚索加固的重要手段,因此保证预应力长期可靠作用是该技术的关键。造成预应力损失有三方面的主要因素:

1)张拉过程的损失

张拉过程损失是指预应力张拉时,锚索实际上并未达到设计值。这是因为张拉过程中的摩擦损失,不同材料摩擦系数可以从0.03~0.3。因此张拉设备在使用前要求标定。

2)锁定过程的损失

锚索锁定力是靠夹具沿锚索松弛方向移动而提供的,因此在锚索锁定过程中必然有损失。损失的大小和夹具设计和制造工艺有关。目前国内的夹具生产水平已经和国际水平相当,施加千kN级的预应力夹具回缩量约5mm,好的可以到达2~3mm。

锚头的其它配件(垫板、墩垫等)质量和施工也会产生类似的影响。

超张拉的目的就是为了克服这两部分的预应力损失。

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

3)松弛和徐变造成的损失

钢材松弛:钢材在长期较高荷载下的松弛造成预应力损失通常在5~10%。如预应力在锚索强度的50%以下时,松弛影响可以忽略。

松弛的大小不仅和应力高低有关,还和工作温度有关。

因此,预应力钢筋要选择低松弛钢筋,并且规定设计的预应力张拉值一般不得超过强度的65~70%,超张拉时也不得超过78%。

岩土体蠕变:岩土体的蠕变也是预应力松弛的主要原因。

硬岩岩体蠕变的主要来自裂隙岩体受预应力作用后节理被压密。因此质量高的岩体相对蠕变量就小得多。岩体蠕变的特点是:时间长、影响范围小(在荷载集中域附近);通过反复加载,可以缩短蠕变稳定的时间(因此预应力施加过程常采用多次循环加载法)。软岩(土)的蠕变量不可忽视。如,硬粘土的应力松弛量只有中等硬粘土(12%)的一半。

混凝土徐变:混凝土徐变量相对较小。根据混凝土标号和混凝土的尺寸大小,一般因为混凝土徐变的预应力损失不超过3%。

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

4)其他因素也可引起的预应力损失

如:材质变化(锈蚀)、环境因素(温度、介质受振动或冲击)、载荷因素(外载荷变化、应力调整)。

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

(3)锚索的最优锚固角

在边坡锚固设计中,预应力锚索的布置方向是一个至关重要的问题。最有效的布置方向为逆滑动方向布置。但由于受施工条件、滑动体的边界条件限制,只能以一定的角度布置,所以必须经过综合比较,选择最优的锚固方向,以达到最有效的加固效果。

锚杆与滑动面的夹角、锚杆同水平面的夹角

及滑动面的倾角间有如下关系:

锚杆提供的抗力为

当 时,可得最大抗滑力为

但此时锚杆最长,明显不经济。综合比较,当

可得到最优的锚固角度,因此最优的锚固角度则为

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

但有些时候,因受到施工条件和结构本身要求的限制,不可能按最优锚固角进行布置,此时刻对锚固角进行适当调整,但必须保证提供较好的锚固效果。

5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题

(4)锚索防腐问题

防腐问题是预应力锚固技术的一个比较特殊的问题。预应力材料的腐蚀不仅对工程可靠性、工程寿命会有影响,而且还会造成预应力的损失,导致工程失稳。因此,锚索材料的防腐蚀问题就比较更为重要。

国际预应力协会提出下列地层不适宜设置永久性锚索:地下水pH值小于6.5;CaO含量大于30mg/L;SO4-2含量大于200mg/L等。

防腐方法根据锚索的自由段、锚固段和锚头等不同部位而不同。

自由段:选用二次灌浆或灌浆和用聚氯乙烯或聚丙乙烯塑料管套在钢绞线或钢筋上,并在管内添满油脂;或用塑料带或高分子纤维布缠绕;或采用防锈剂涂层等。

锚固段:锚固段的防腐处理主要是固结灌浆。腐蚀情况严重的可以采用在波型套管外灌浆固结。

锚头段:锚索的头部在锚孔中的部位应采用充填油脂的办法封孔;锚索外露的部分应有防护帽罩盖严密、牢靠,防护帽内用油脂封填。

5.4.3 预应力锚索施工机具

(1)钻机

包括潜孔钻机(风动力或风电动力,冲击或旋转式、钻孔直径95~250mm、钻孔深度16~60m),锚杆钻机(电动动力、旋转式、孔径110~300mm、孔深15m或50m、),土层钻机(电动或风动力、旋转或冲击式、钻孔孔径60~250mm、孔深60~150m)等。

(2)注浆泵

可使用灰浆挤压泵(功率2.2~4kW、工作压力1.2~2.45Mpa、流量0.4~3.0m3/h),柱塞式注浆泵(功率11~22kW、工作压力:砂浆4.2~5或水泥浆6~10Mpa、流量约50~200L/min),螺杆式注浆泵(功率7kW、工作压力6Mpa、流量400~2400L/h)等。

(3)张拉千斤顶

张拉千斤顶的张拉力:255~11000kN;工作压力:50MPa;行程:150~200mm;穿心孔径:18~320mm。

(4)油泵

可使用电动或手动油泵。电动油泵功率为0.75~3kW,油压50MPa。

文档信息
  • 文档上传人:admin
  • 文档格式:PPT
  • 上传日期:2014年10月25日
  • 文档星级:★★★★★
  • 需要煤安币:5个
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