预应力锚索试验及组织.docx

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预应力锚索试验及组织

一、概述

（一）试验目的

鉴于工程地质条件较为复杂，工程高边坡稳定性问题较突出，为满足边坡开挖施工和电站运行期的安全稳定要求，设计采用预应力锚索进行深层支护。

为确保锚固效果，在左边坡结合永久边坡锚索进行了900kN级的拉力型预应力锚索、自由式拉力型预应力锚索试验，主要目的如下：

1、选择预应力锚索结构，锚索防腐方法；选择预应力锚索钢绞线材料及锚具；

2、获得合理的预应力锚索基本技术参数，如锚索孔径、锚固段长度等；

3、选定科学合理的施工工艺。

（二）试验布置及内容

试验立足于现有预应力锚索工程的已有成果、有选择、针对性地进行，对已成熟的工艺不再进行过多重复的验证性试验，而着重进行锚索新结构、新材料适应性方面的试验。

同时进行了水泥浆与钢绞线、水泥浆与岩壁（石）粘结强度试验。

试验参数见表1。

预应力锚索试验参数表表1

设计工作荷载（kN）

1000

2000

3000

锚索编号

拉力型

N10

拉力复合型

F10

超张拉吨为（kN）

拉力型

1100

2100

2200

2250

3450

3300

拉力复合型

1100

2200

2300

3300

锚固段长度（m）

拉力型

拉力复合型

钻孔深度（m）

拉力型

40.2

50.2

52.1

拉力复合型

40.2

50.2

65.2

50.2

61.2

50.2

60.8

二、预应力锚索施工工艺

（一）施工工艺流程

试验施工工艺流程为：

锚孔定位编号——钻机就位——造孔——清孔————下锚——

注浆初凝——二次劈裂注浆————张拉——补偿张拉——封锚

（二）钻机就位

为使锚孔在施工过程中及成孔后其轴线的倾角、方位角符合及设计规范要求，严格控制钻机就位的准确性、稳固性。

（三）锚孔造孔

1、钻进方法：

风动潜孔锤冲击与回转钻进想结合的方法。

2、造孔设备、机具：

设备为MK—4液压锚固钻机。

钻具型号见表2。

造孔机具表2

锚索吨级

1000kN级锚索

2000kN级锚索

3000kN级锚索

配用冲击器

配用钎头直径

Φ115

Φ140

Φ165

3、钻进工艺参数：

钻进工艺参数见表3。

钻进工艺参数表3

锚索吨级

1000kN级

2000kN级

3000kN级

备注

风量（M3/min）

0～12

12～14

12～17

正常转速（r.p.m）

n﹤90

开钻速度n=0

压力（kN）

2～3

2～4

3～5

4、破碎地层的钻进措施：

在钻孔过程中，有如锚索钻孔遇破碎带，难以成孔，采用了固结灌浆进行处理。

对个别锚索孔锚固段地层破碎，应加深了锚索孔深。

（四）清孔

钻孔完毕，用压缩风冲洗钻孔，直至孔口返风，手感无尘屑，延续5～10min；孔内沉渣不大于20㎝。

（五）钻孔检测

钻孔清孔完毕，进行钻孔检测，合格后进行下锚工作。

（六）预应力锚索体制作

1、锚索参数见表4

钢绞线使用经检验符合《预应力混凝土用钢绞线》（CB/T5524—1995）和ASTMA416–98标准要求的1860MPa高强度低松弛无粘结钢绞线。

锚夹具选用ESM系列，其静载锚固性能ηa、εapu符合《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（CB/T14370—2000）的规定（ηa≥2.0%εapu≥0.95）。

锚索参数表表4

锚索吨位

锚具

隔离架

对中架

导向帽

钢绞线（束）

强度利用系数

1000kN

ESM15-7

Φ98

Φ57*3

2000kN

WSM15-12

Φ120

Φ70*2.5

3000kN

ESN15-19

Φ150

Φ95*3.5

2、拉力型预应力锚索制作

（1）使用砂轮切割机下料。

长度=锚固段长度+自由段长度+张拉长度。

（2）用金属清洗剂清洗钢绞线表面，直至手感无油腻有涩感且面无黑发亮。

（3）组装：

①将钢绞线顺直排列在加工平台上，保持长度一致。

②按锚固段0.8～1.0m、自由段10.5m的间距安置隔离架，并在隔离架上对应位置安放顺直两套注浆管，同时注意使注浆管在锚索体中的相对位置满足要求。

③在两隔离架中间使用黑铁丝将其捆扎成纺锤型。

④在锚索体外侧安置对中架，使得预应力锚索在钻孔内居中放置。

⑤锚固段顶部安装导向帽。

⑥对组装好的锚索按照对应的锚索孔进行编号，并妥善放置备用。

3、自由式拉压复合型预应力锚索体制作

图1自由式拉力复合型预应力锚索结构示意图

该锚索是四川准达岩土工程公司研制的新型锚索，基本组成为：

导向帽、单锚头、锚板、注浆管、高强低松弛无粘结钢绞线等，见图1。

检测表明，锚头组件静载锚固性能指标为：

极限拉力（≥262.66kN）时总应变εapu≥2.8%，效率系数ηa≥0.97，符合CB/T14370—2000的规定（εapu≥2.0%，ηa≥0.95）。

（1）使用砂轮切割机下料。

各级锚头钢绞线下料长度为：

L=锚固段长度-距第1级锚头距离+自由段长度+锚墩长度+张拉长度

（2）按要求制作单锚头。

（3）组装

①将钢绞线顺直排列在加工平台上。

②按照要求装配单锚头、锚板、托板等。

③按照隔离架上对应位置顺直注浆管，同时注意使注浆管在锚体中的相对位置满足要求，按1.5m的间距安置隔离架，用黑铁丝捆扎。

④在锚索体外侧安置对中架，使得预应力锚索在钻孔内居中放置。

⑤锚固段顶部安装导向帽。

⑥对组装好的锚索按照对应的锚索孔进行编号，并妥善放置备用。

（七）下锚

人工下锚。

（八）注浆

根据图纸要求，锚固段需进行二次高压劈裂注浆的。

第一次注浆，采用注浆泵注入，第二次注浆采用空压机、耐压注浆罐等设备进行组合成劈裂注浆成套设备进行注浆。

注浆时注浆管末端必须保持置于浆面以下1.0m，边注边拨管，以保证孔内注浆饱满密实；第一次注浆完毕至水泥浆凝固以前，进行二次高压注浆；第一次与第二次注浆时间间隔为8小时左右（可根据实际临时调整间距时间），根据注浆压力第一次峰值（5.5Mpa左右）后，即为劈裂注浆开始，为防止岩体劈裂过大，造成边坡失稳出现第二次峰值1分钟后既停灌浆。

并同时记录吃浆量及工作压力。

二次注浆完毕并报检后，临时封盖锚孔，以防异物掉入。

1、制浆及灌注设备

100/3.5搅拌机、3SNS灌注泵

2、浆液材料及配比

采用新鲜P.042.5普通硅酸盐水泥、符合拌制水工混凝土用水拌制浆液，搅拌时间：

t=3min。

针对工程的地质条件，从普通水泥浆液的流动性能、稳定性及强度等方面分析，结合室内誓言成果，采用W/C为0.36﹕1水灰比的7d抗压强度不小于30MPa，满足设计强度要求。

3、灌注

浆液从注浆管向内灌入，气直接排出；注浆结束标准：

排出的浆液浓度与灌入的浆液浓度相同，且不含泡时为止。

（九）锚墩浇筑

锚墩参数见表5。

锚墩参数表表5

锚索吨位

锚墩尺寸

顶×底×高（㎜）

导向钢管规格

钢垫板规格

长×宽×高（㎜）

1000kN

300×1100×400

Φ95×4

250×250×40

2000kN

400×1400×500

Φ127×4

320×320×50

3000kN

400×1800×700

Φ152×4.5

350×350×60

1、锚墩用材料符合国家标准、设计要求，钢筋的机械性能等指标经验合格，钢筋除锈、除油并调查，外表面检查合格。

2、按照图纸要求焊接钢筋并固定于骨架钢筋上，焊接质量符合要求。

3、钢垫板牢固干结在钢筋骨架上，其预留孔的中心位置置于锚孔轴线上，平面上与锚孔轴线正交，其误差不得大于0.5°。

4、按图纸所示锚墩尺寸立模，验合格后，浇筑混凝土，边浇筑边用振捣棒振捣，充填密实。

为使锚索能尽早张拉，锚墩混凝土具有较高的强度和良好的早强性能，并与锚固段浆液早强性相配套，锚墩混凝土标号为C35。

5、混凝土浇筑时，需现场取混凝土样，确保锚墩浇筑质量，并给锚索张拉提供依据。

（十）预应力锚索张拉

张拉在水泥结石体抗压强度达到30MPa及锚墩混凝土的强度达到规定值后进行。

张拉工艺流程为：

穿锚——初始载荷（钢绞线调直）——分级循环张拉至设计工作荷载——超张拉

1、锚索张拉方式

（1）拉力型预应力锚索采用单根预紧调直再整体张拉的方式。

（2）自由式型预应力锚索张拉方式。

采用单根张拉与整体张拉结合方式。

张拉时，先张拉锚具中心部位钢绞线，然后张拉锚具周边部位钢绞线，按照间隔对称分序进行。

如此一个张拉循环完毕，继续进行下一循环张拉，直至设计荷载。

2、张拉设备仪器

（1）电动油泵：

ZB4-500S。

（2）千斤顶：

单根张拉千斤顶，YDC240Q；整体张拉千斤顶，YCW350A。

电动油泵、千斤顶、压力表在张拉试验前率顶，获得油压与千斤顶张拉力之间的关系曲线。

3、穿锚

（1）清理锚具、工作夹片及钢绞线表面，将钢绞线按周边序和中心顺序理出，穿入锚具，套上夹片。

（2）推锚具与钢垫板平面接触，调整夹片间隙，使其对称。

4、张拉

按照分级加载程序进行，即由零逐级加载到超张拉力，经稳压后卸荷到设计张拉力进行安装，0—mδ（稳压3min）—δ（m为超张拉系数，δ为设计站拉力）。

（1）用单根张拉千斤顶将钢绞线逐根拉直顶紧（初始载荷），0—mδ/5（稳定2min）。

再分四循环张拉，灭一循环加载后稳定3min，δ/5—δ/4—δ/2—3δ/4—δ。

（2）超张拉及超载安装，第四循环张拉结束后，在设计工作荷载δ的基础上继续加载至1.1～1.15δ锁定，δ—1.1～1.15δ（稳定6min）。

（3）补偿张拉：

锚索应力损失基本稳定后，若锚索锁定的张拉力低于规定的设计值，对锚索进行补偿张拉，实际赋存力—δ（稳定3min）。

5、张拉注意事项

（1）加载速率每分钟控制在设计应力的10%内；卸荷速率每分钟控制在设计应力的20%内。

（2）钢绞线伸长值：

分级测量钢绞线伸长值并做好记录。

钢绞线调直不计入钢绞线实际伸长值。

（十一）锚索监测

N5、F5锚索使用GMS—2500D测力计，N6、F6锚索作用GMS—4000D测力计，配套选用GPC—1D钢弦频率仪。

（十二）外锚头保护

锚具外的钢绞线除留存15㎝外，其余部分切除。

用C20混凝土保护的厚度不小于10㎝。

三、试验成果及分析

（一）锚索变形

锚索实测伸长只不大于理论伸长值的10%，并不小于5%，表明锚索满足规范和设计要求，见表6。

锚索实测伸长值与理论伸长值的相对差值表6

锚索编号

N10

差值（%）

1.3

1.9

4.8

0.3

1.6

-2.8

-3

3.7

-2

-0.7

-1.9

锚索编号

F10

差值（%）

-1.3

2.1

2.7

2.3

-3

-0.2

1.8

-2.3

-2

2.2

（二）锚索变形、锚固段状况分析.

据张拉过程曲线（图二）知：

拉力型锚索在张拉荷载逐渐增大时，张拉曲线呈多段直线，虽然其变形值在规范允许变形范围内，但随着荷载的增大，锚固段前端应力集中，致使锚固段自外向里呈现出逐渐破坏趋势，从而使得自由段长度渐增，弹性变形值渐长。

拉力复合型锚索张拉曲线趋于直线，并从锚索理论弹性变形与实测值对比分析可得出，锚索变形属弹性变形，表明锚固段受里良好。

从结构上分析，拉力复合型锚索为单孔多锚头防腐型结构，每组锚头分别承载一定荷载，锚头锚板前为压应力，锚板后分布有一部分拉应力，总锚固里沿锚固段长度进行分散分布，减少了单位面积上围岩应力，改善了应力集中的状况。

图2张拉曲线

（三）锚索测力计监测

监测资料显示，锚索在张拉锁定后1～3d左右，预应力损失最大，损失值为-2%～7%；随后应力损失缓慢。

拉力型锚索预应力损失有比拉压复合型锚索大的趋势。

根据监测结果，超张拉系数最大值取1.1进行超载安装能满足设计要求。

如果锚索应力损失基本稳定后，预应力低于规定的设计值，建议对锚索进行补偿张拉，以满足设计永久赋存力的要求。

（四）拉力型锚索与拉压复合型锚索防腐

1、拉力型锚索一般采用有粘结钢绞线，钢绞线全长裸露，不与地下水接触的部位几乎为零。

即使采用无粘结钢绞线，锚固段的钢绞线仍是裸露的，依然存在被地下水侵蚀的可能性。

目前有在锚索体外套“波纹管”值成“双层保护式”的锚索，但依然避免不了地下水对锚固段裸露钢绞线的侵蚀。

2、自由式拉压复合型应力锚索，其单锚头密封套组件与无粘结钢绞线PE套一起构成了阻水效果十分良好的防渗体系，使钢绞线免遭外界侵蚀，有效地解决锚索问题。

结合施工工艺，可有效地防腐：

①高强无粘结钢绞线，使得锚索钢绞线不与PE套外的水泥结石直接接触。

②锚固段钢绞线端头密封措施。

③高标号水泥及孔口阻塞、全孔一次有压注浆技术，增强水泥结石体的抗渗性能。

④由于自由式水泥拉压复合型预应力锚索应力分布较为均匀，最大应力降低，要求岩石与水泥结石体提供的力减小，从而能有效减小孔径，适于岩层较差的地层。

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