浅析高压旋喷预应力锚索在加固既有挡土墙工程中的应用——以览山公园加筋挡土墙加固工程为例

浅析高压旋喷预应力锚索在加固既有挡土墙工程中的应用

——以览山公园加筋挡土墙加固工程为例

孙萍

宁夏基础工程有限公司

【摘要】近年来，工民建项目数量以及规模呈现出大幅提升的态势，挡土墙的支撑结构以其投资少、施工生产率高、承重能力好等优点，在我国工业和民用建筑行业中很受欢迎。但挡土墙投入使用后，由于某些因素，经常会出现裂缝、滑倒等问题，因此对其进行修复加固就显得尤为重要。本文以以览山公园加筋挡土墙加固工程作为实例,探讨高压旋喷预应力锚索工艺技术的实用化应用方案,在较少扰动周围土体的基础上,提高可利用土体的物理强度,强化锚索的承载力,缩短施工周期,提高挡土墙加固工程项目的施工质量,并为同类型挡土墙加固工程设计与实施提供参考。

【关键词】加筋挡土墙；高压旋喷预应力锚索

0 引言

挡土墙作为支承路基填土或山坡土体、防止边坡或土体变形失稳的构造物，对维护边坡稳定及水土保持具有重要意义。览山公园加筋挡土墙加固工程项目因年久墙体面板出现脱落、裂缝等问题，须进行挡土墙加固。当前，常规加固方法有：锚固法、套墙加固法、增建支撑墙加固法。由于本工程的地质条件局限性，只能能用锚固法加固。本工程利用具有轻型支挡结构特点的高压旋喷预应力锚索，来加固览山公园加筋挡土墙的结构自重荷载，向览山公园加筋挡土墙施加强大的高压旋喷预应力锚索，使其穿过土体锚，并合理地稳定在挡土墙锚固段的岩层中，既能够实现对挡土墙支挡结构的修复与完善，又能够在共同承担荷载的基础上，充分发挥高压旋喷预应力锚索的高效承载力作用。在览山公园加筋挡土墙工程的加固项目实施过程中，科学应用高压旋喷预应力锚索加固路堤边坡工艺技术，能够取得良好的挡土墙加固效果。高压旋喷预应力锚索加固既有挡土墙工艺技术的研究，从实践应用角度来说，具有重要的实践应用价值与理论探究意义。高压旋喷预应力锚索工艺技术相较于传统抗滑挡墙加固技术而言,能够节省20%~50%的投资资金,缩短项目施工工期,并能够以锚索固定技术实现边坡和挡土墙双重加固效果。

1 览山公园加筋挡土墙工程概况

览山公园既有挡土墙承担周围公路荷载作用，主要病害原因来自于挡墙工程建设较早且存在建筑垃圾堆积而成的,工后沉降为主要病害。其中，挡土墙部分区域混凝土预制面板边缘存在表层脱落迹象，挡土墙混凝土帽石下部与第一层混凝土预制面板（从上向下排序）连接处存在一条水平裂缝，致使混凝土帽石与第一层混凝土预制面板基本完全脱开。由于常年累月的荷载叠加，致使既有挡土墙出现一定程度的土体强度降低现象，挡土墙局部墙体出现开裂及鼓出情况,部分砂浆勾缝脱落,在一定程度上构成安全隐患。在对相关挡墙进行检测时发现,该挡土墙未发现明显不均匀沉降，整体变形基本稳定。但，览山公园加筋挡土墙潜在一定的地表排水不畅问题,致使地表水下渗后不能及时排出,而影响了挡墙墙身的固定质量。

由于该项目属于大填方工程，且该工程为宁夏最大人工堆积山改造工程，现在为宁夏最大观光旅游打卡地之一。采用既有挡墙加固处理技术,以高压旋喷预应力锚索加固工艺与挡墙基础外侧抗滑桩工艺技术相结合,实施挡墙加固能够减少桩身的水平推力作用,控制抗滑桩桩身的内力,降低抗滑桩桩身变形可能性,能够提高览山公园加筋挡土墙加固工程的工程施工质量,保障工程项目能够大幅度提高挡土墙的有效承载力。

2相关设计参数设计

按侧向土压力计算，能够获得挡土墙下滑推力荷载[3]。在挡土墙结构设计荷载计算中，选取1.4倍侧向土压力作为最大荷载设计值，并计算挡土墙下滑力。在路肩挡墙的荷载计算时，还需要考虑挡土墙运营中列车或汽车路过所产生的荷载的作用[4]。同时，还需要考虑工程地质层（含有砂砾、碎石、垃圾等主要回填土层）与挡土墙(含有土质边坡与松散岩质边坡)地质条件特点。因此，在进行荷载参数设计时，需要根据施工现场情况，进行自适应地参数设定与相关因素控制。其中，有关荷载的参数计算为：

2.1锚固力的参数计算

采用侧向土压力计算挡土墙结构设计承受的荷载时，锚索的设计荷载按照单位宽度进行计算，其对应的数学计算公式为：

P= Ecos(α+δ)/cosβ

式中：参数变量E代表锚索承受侧向土压力的纵向单位宽度；参数变量α代表览山公园加筋挡土墙的竖直面与墙背夹角；参数变量δ代表览山公园加筋挡土墙主动土压力与挡土墙的水平面夹角；参数变量P代表览山公园加筋挡土墙纵向所需锚固力；参数变量β代表览山公园加筋挡土墙所采用的锚索与其水平面的夹角。

采用滑坡推力计算挡土墙结构设计承受的荷载时，锚索的设计荷载按照单位宽度进行计算，其对应的数学计算公式为：

P=E/(λsin（α+β）tanφ+cos（α+β）)

式中：参数变量E代表览山公园加筋挡土墙的墙背与破裂角之间的土体下滑力；参数变量P代表加固所需要的锚固力（纵向宽度）；参数变量λ代表览山公园加筋挡土墙锚索的折减系数，该系数主要针对挡土墙所在区域地质条件进行折减，其中土质边坡

与松散岩质边坡的折减参数设置需要更大；参数变量φ代表览山公园加筋挡土墙破裂面的土体内摩擦角；参数变量α、β代表滑坡体的破裂面倾角和锚索下倾角。根据工程项目的个体化特点，本工程的锚索下倾角设置为5°，锚固力为400kN/m。

由于本工程的结构设计荷载由锚索和览山公园加筋挡土墙的挡墙共同承担，考虑到既有挡墙的荷载作用，取0.65倍主动土压力作为览山公园加筋挡土墙的锚索设计荷载。所以在锚索设计阶段，需要充分考虑锚固力的计算原理，并根据既有挡墙高度来安设锚索的间距与高压旋喷预应力锚索布置方式，并选取钢绞线实施锚固定。

2.2锚固体的参数计算

锚索纵向单位宽度的锚固力P值计算完成后，还需要计算锚索的锚固力。以单孔锚固力计算为例，在具体化的数学算式计算中，需要初步拟定锚索的布置方式，让后根据锚索间距（包括横向间距和竖向间距两部分），确定单孔锚索的锚固力张拉力。一般来说，在计算锚索锚固力的最大张拉力时，需要采用3～6m的单孔锚索参与参数计算。其对应的锚固力数学计算公式为：

Pt=P·M/N

式中：参数变量Pt代表览山公园加筋挡土墙单孔锚索需提供锚固力数值；参数变量 M代表单孔锚索的水平向间距；参数变量N代表览山公园加筋挡土墙锚索的竖向布置排数。

在览山公园加筋挡土墙加固工程项目施工的高压旋喷预应力锚索技术设计阶段，按照数学建模方式，设置挡土墙锚索水平、竖向间距均为2m，其对应的单孔锚固力与钻孔直径参数密切相关。单孔锚固力能够计算出钢绞线的标准化根数，并能够通过混凝土注浆与钢绞线注入实现高压旋喷预应力锚索的锚固体设计，并针对钻孔壁的抗剪强度，初步计算出锚固段的基础长度。针对览山公园加筋挡土墙的固有情况，在锚索钻孔直径选取上，选用φ15.2mm规格钢绞线，并在锚索钻孔内灌注型号为M30的水泥砂浆。览山公园加筋挡土墙加固工程为永久加固工程，采用注浆体与钢绞线粘结的方式来确定的锚固段的强度与长度，分别为2.95MPa和7m。其中，钢绞线的基础长度设置为12m-15m，锚索水平、竖向的间距设置为2m。最大墙高处的锚固力设计为最大300kN，用混凝土实现锁定锚固力，对应的锁定锚固力强度为360kN。锚固段的地质条件属于强风化岩层，主要成分为砂砾石，锚固段灌浆压力0.1-0.2MPa。

3 钻孔工程施工

3.1 锚索孔的施工工艺流程

览山公园加筋挡土墙加固工程锚索孔采用MG-50型机具钻孔，并利用WC-150型冲击器和高风压空压机进行辅助施工。锚索孔的钻孔施工工艺流程如图1所示：

图1 锚索孔的钻孔施工工艺流程

3.2 高压旋喷预应力锚索施工工艺

以高压旋喷预应力锚索施工工艺来进行既有挡土墙加固，能够保障挡土墙具有足够的承载力强度[5]，并使加固后的既有挡土墙更为安全、可靠。览山公园加筋挡土墙加固工程的高压旋喷预应力锚索施工工序为：

3.2.1前期准备工作

览山公园加筋挡土墙加固工程下挡墙的加固，在前浇注需要以分段、分层方式进行工艺施工。由于挡土墙为电影幕墙，需要装饰美化，墙面需要以混凝土浇注法来实现，所以必须根据混凝土养护规范确定浇注层强度，并在锚索钻孔前进行既有挡土墙修补。修补后的挡土墙能够有效预防钻孔孔壁坍塌。灌浆时，将灌浆压力设置为0.5MPa。

3.2.2高压旋喷预应力锚索钻孔工艺

在进行锚索孔施工前，因高空作业，需要预先搭设钻机平台[6]。为了节省时间且保证平台的稳定性，所以用大吨位承重施工平台，平台的长宽分别为：12m和5.5m。挡土墙的后墙为厚度大致为2.0m左右的堆填石块，采用普通工艺进行挡土墙锚索加固，会因为土质松软或土质潮湿而引起锚索承载压力过大问题。在钻孔工序的选择上，首先将钻机就位，然后采用湿钻法来施钻成孔（纯水泥护壁），并在钻孔完成后采用高压旋喷进行注浆。

3.2.3锚索制作

高压旋喷预应力锚索采用7根钢绞线进行施工制作，主要制作环节包括两部分，分别为：锚头制作和锚盘制作。其中，锚头的端头设计为钢板锚盘，并在制作完锚盘后采用冷挤压法实现对锚盘的固定。在钻孔工艺施工时，需要让钻头对准孔位，并努力确保一次性施工成型。

3.2.4灌浆技术应用

采用旋喷注浆方式进行注浆，灌浆压力为20MPa，由孔底向上缓慢进行一次性灌浆，在孔底端时间久点，孔径形成糖葫芦状，增加侧阻力。钻孔孔径为130mm。采用M30水泥砂浆实施孔内灌注，直到埋管孔扣溢出水泥砂浆为止。为防止锚索施工时发生坍孔，览山公园加筋挡土墙加固工程在人工填土层钻孔时，先进行纯水泥浆液注浆固壁工艺。

考虑到览山公园既有加筋挡土墙挡墙年久失修,且经历长期风雨后墙体浸蚀作用明显,导致挡土墙风化现象严重且石料抗压强度偏低,砂浆强度不达标。采用高压旋喷预应力锚索加固技术,能够降低锚索张拉引起的挡墙风化,而钢筋混凝土传压板则能够提高挡墙抗压性,并强化砂浆的抗压强度。

3.2.5览山公园既有加筋挡土墙辅助加固

在完成高压旋喷预应力锚索加固后,针对既有挡土墙进行加筋加固,预留12根锚索不进行张拉锁定,用以检测览山公园既有加筋挡土墙的抗拔力。这12根锚索的自身抗拔力均能达到400kN,经过检测人员随机抽测,确定预留锚索能够满足检测要求。本项目施工过程中,内始终未中断交通,项目施工完毕后,经过定期跟踪观测发现览山公园既有加筋挡土墙位移、路面沉降、路基稳定性均表现良好,挡土墙加固工程在满足览山公园既有加筋挡土墙抗压性与承载力的基础上,取得了良好的经济效益,并为该公园的运营工作带来了更安全、可靠的社会效益。

4结语

览山公园既有加筋挡土墙加固工程采用高压旋喷预应力锚索加固技术进行加固,并结合钢筋混凝土抗滑桩工艺技术与预留锚索监测技术进行辅助加固。高压旋喷预应力锚索加固技术的自适应 ,能够确保挡土墙不受自身高度和地形的限制,保障自身的位移稳定性、抗压性与承载性。高压旋喷预应力锚索技术方案的科学、合理应用,能够为挡土墙加固施工带来极大的方便,并能够为广大工程设计人员的既有挡土墙维护加固施工,提供有效的借鉴与设计经验。

【参考文献】

[1]节昌录,徐洁,宋凯.钢筋混凝土高压旋喷预应力锚索挡土墙设计方法和工程实践[J]. [2]孟云伟.高压旋喷预应力锚索在加固重力式挡墙中的应用研究[J].公路工程,2015,40(01):118-120+125.

[3]刘长伟,李果.挡土墙加固施工工艺[J].黑龙江交通科技,2019,42(10):57-59.

[4]肖荣军.河堤边坡重力式挡墙高压旋喷预应力锚索加固设计分析[J].土工基础,2015,29(02):29-32.

[5]杨家宝.高压旋喷预应力锚索加固既有挡墙的设计方法[J].建筑设计管理,2017,34(06):85-87.

[6]张玥,赵泽蔚,刘慧玲,许有俊,包先凯.某城郊公路路堑边坡浆砌片石挡土墙的加固方案研究[J].路基工程,2017(02):203-206.