高压注浆技术与预应力锚杆的应用

高压注浆技术与预应力锚杆的应用 吴顺川 　高永涛 　孙金海 (北京科技大学) 【摘要】　高压注浆技术与预应力锚杆是矿山特殊岩土工程加固的两种主要技术手 段。文中通过对高压注浆浆液扩散过程及注浆结石体强度增长机理分析研究 ,认识到该 技术能从根本上改良土体和岩石的物理化学性质 ,从而在浇注范围内产生一种新的介质 ; 同时 ,文章对某工程加固过程中现场试验及观测结果进行了分析 , 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明高压注浆技术能达 到显著提高预应力锚杆承载能力的目的。 关键词　高压注浆 　预应力锚杆 　支护 中图分类号 　TD354 　　　　文献标识码 :B 1 　引 　言 预应力锚杆应用范围很广 ,主要应用于矿山硐 室、巷道支护、边坡稳定等工程 ,其所取得的施工效 果十分显著。但是 ,常规的预应力锚杆应用于软弱 岩土层存在重大缺陷 : ①由于岩土层比较稀疏 ,容易 发生位移变形 ; ②孔内浆体与孔壁间摩擦力不足以 承受预加的应力 ; ③预应力不能长久保存。“岩土层 高压注浆预应力锚固技术”则能弥补上述的常规预 应力锚杆的缺陷 ,其通过特殊的施工工艺 ,在第一次 整孔注浆浆液初凝的瞬间实施二次高压注浆 ,使浆 液在锚杆锚固段的特定位置 (按要求设定) 定点扩 散 ,从而使浆液凝固体在岩土体中形成梳状 ,类似于 树根桩 ,浆体与岩土体的接触面积增加 80 %以上。 2 　高压注浆对预应力锚杆承载力的影响 预应力锚杆承载力主要受以下因素影响 : (1)锚固段锚固体内浆体与钢筋 (或钢绞线) 界 面之间握裹力 ; (2)锚固段锚固体与周围岩土体界面之间摩擦 阻力 ; (3)锚固岩土体在最不利条件下的整体稳定性。 对于岩体锚杆 ,其承载力主要取决于第 (3) 条 , 即锚固岩土体在最不利条件下的岩体的整体稳定 性 ;对于土体锚杆 ,其承载力主要取决于第 (2) 条 ,即 锚固段锚固体周围岩土体界面之间摩擦阻力。 岩土层高压注浆预应力锚杆不同于普遍预应力 锚杆 ,见图 1 所示。它是在对锚杆锚固段施作一次 低压注浆后所形成的浆体达到一定强度后 ,再施加 收稿日期　2001 - 01 - 15 吴顺川　北京市北京科技大学资源工程学院　100083 高压劈裂注浆。这样 ,可以显著提高锚固体周边岩 土体的抗剪强度、锚固体与岩土体间的粘结摩擦力 以及周边岩土体的力学性质。 图 1 　岩土层高压注浆预应力锚杆安装及原理示意图 1 —钢垫板　2 —锚具　3 —锚杆　4 —锚固墩 211 　高压注浆的劈裂作用过程 高压输送浆液进入岩土体形成浆泡 ,浆泡向外 扩张对岩土体施加复杂的三维应力作用 ,在岩土体 较薄弱的部分 ,克服岩土体或弱面的初应力和抗压 强度 ,产生劈裂 ,浆液挤开、切入、渗进岩土体 ,与岩 土体之间产生相互作用 :水泥水化反应生成托勃莫 来石凝胶 ;岩土体微裂隙中氧化物与水化生成 Ca2 + 反应 ,产生不溶于水的微量结晶凝胶体 ;Ca2 + 与 Na + 发生离子交换作用形成土的团粒结构 ,并联结成稳 定的凝块体。通过以上水化作用、离子交换、化学胶 结作用形成“浆脉”网络。同时 ,由于浆液充填挤密 作用 ,排出岩土体中部分自由水和弱结合水 ;水化反 应的水参与蒸发水分 ;离子交换作用减少水分 ,使岩 土体表面的弱结合水的含量减小 ,从而提高岩土体 的物理力学性能。因此说 ,高压注浆浆液以劈裂为 主 ,渗透、充填、挤密等多种复合作用形式为辅 (见图 2) ,并进行复杂的化学反应和物理反应 ,最终形成以 “浆脉”网络为骨架的复合固结体。该固结体可以改 变岩土体的对外反应机制 ,使岩土体变形受到约束 , 从而提高岩土体物理力学性质。 ·41· 第 22 卷 　　　　　　　　　　　　　　　　　黄 　金GOLD 　　　　　　　　　　　　 　　　 第 6 期 2001 年 6 月 212 　注浆结石体强度增长机理 高压注浆的目的是为了改良土体和岩石的现有 性质 ,从而在浇注范围内产生一种新的介质。其化 学机理包括如下三个方面 : (1)化学胶结作用 :无论是水泥浆液还是化学浆 液的浇注 ,都伴随着产生胶结力的化学反应 ,使岩土 的整体结构得到加强。 (2)惰性充填作用 :填充在岩石、土孔隙中的浆 液凝固后 ,因其具有不同程度的刚性 ,从而改变了岩 层及土体对外力的抵抗能力 ,使岩土的变形受到约 束。 (3)离子交换作用 :被注浆液在化学反应过程 中 ,某些化学成分能与岩土中的元素进行离子交换 , 从而形成具有更加理想性质的新材料。 图 2 　锚杆高压注浆效果示意图 213 　高压注浆对提高锚杆承载力作用形式 通过高压注浆 ,使浆液对一次常规注浆形成的 圆柱形锚固体内岩土体产生劈裂充填作用 ,在圆柱 形锚固体外形成新的锚固体 ———异形扩体。此时 , 锚固体剪切滑面不是原来的圆柱体 ,而是不规则的 曲面 ,滑面内外均受注浆影响 ,特别是劈裂注浆改变 了滑动曲面处岩土体的物理力学性质 ,从而提高了 锚杆承载力。其主要表现在如下几个方面。 21311 　提高锚固段岩土体的 c 值 c 为凝聚力 ,它取决于岩土体颗粒之间各种物 理化学作用力 ,包括库伦力、范德华力、胶结作用力 等。由于劈裂注浆挤压岩土体 ,使颗粒间距离变近 , 单位面积上颗粒的接触点增多 ,提高了原始粘聚力 ; 另一方面 ,由于水泥水化反应而生成 Ca2 + 与岩土体 内氧化物反应和与 Na + 的离子交换 ,所以提高了岩 土体、裂隙及弱面等颗粒的固化粘聚力。 21312 　提高锚固段岩土体的φ值 φ为内摩擦角 ,它涉及颗粒之间的相对运动 ,包 括滑动摩擦和咬合摩擦。对岩土体进行劈裂注浆 , 可增大密度和增强咬合作用 ;浆脉的形成能约束颗 粒间运动 ;弱结合水减少可减小吸附水膜厚度 ;同 时 ,因化学反应和离子交换作用也限制了颗粒间的 相互作用。 21313 　提高锚固段岩土体所受的σ值 σ为剪切面上的法向应力。高压注浆的劈裂、 挤密作用形成“浆脉”,同时在高压注浆完毕后 ,在保 持一段时间的高压作用后封闭注浆管 ,这都会使锚 固段岩土体受较大的应力作用。据德国 Ostermayer 研究认为 ,高压劈裂注浆使锚固体表面受到的法向 应力比覆盖层产生的应力增加 2～10 倍。 21314 　提高锚固段岩土体外表面的剪切滑动面 面积 由于高压注浆劈裂、挤密、加固原锚固段岩土 体 ,形成异形扩体 ,锚杆承载破坏时 ,剪切滑动面也 相应外移 ,新的滑动面的面积与一次常规注浆形成 的圆柱形锚固体相比明显增大 ,一般为一次注浆形 成的锚固体外表面的 2～6 倍。 21315 　异形扩体受压部位的端承效应 高压注浆形成不连续异形扩大锚固体 ,当锚杆 承受张拉荷载时 ,不仅要克服锚固体外岩土体摩擦 阻力 ,而且要克服扩体受压部位岩土体的抗压强度 , 这种端承效应能大大提高锚杆的承载力。 3 　高压注浆预应力锚杆工程应用 311 　工程简介 104 国道界河立交桥 1990 年 10 月份投入使用 后 ,短期内挡土墙便向外逐渐发生位移 ,发展到现在 最大位移量相对值超过 100mm ,绝对值超过 200mm , 并出现了拉筋与砌块脱离、预制块局部滑落、墙面呈 不规则外鼓、路面发生局部纵向开裂、两侧栏杆内倾 等失稳征兆 ,情况十分严重。 经过详细的调研和计算分析 ,采用如下技术方 案进行加固 : (1)在墙体表面喷一层钢筋混凝土 ,喷层厚度为 8cm ,混凝土标号为 C25。 (2)在路基两侧墙面对打 1～2 排预应力锚杆 , 锚杆深度为 1115～1215m ,杆体为Φ32 螺纹钢 ,排间 距 3m ,水平间距 2～3m ,设计预应力值为 145kN。 (3)锚杆安装过程中实施 2～3 次中高压注浆 , 以提高锚杆的整体承载力。 312 　试验方法 两种不同注浆形式锚杆各取 2 根进行锚固力测 试。其中 ,一次常压注浆锚杆注浆到孔口溢浆 ,其锚 杆杆体制作与高压注浆锚杆杆体一样。2 根常压注 ·51·第 22 卷 　2001 年 　第 6 期 浆锚杆布置间隔 5 根高压注浆锚杆 ;二次高压注浆 锚杆选在不相邻的任意 2 根设计施工高压注浆锚杆 进行。 313 　试验结果 31311 　分别对 2 根一次常压注浆锚杆拉拔试验 根据试验结果 ,当加载到 21715～253kN 时 ,出 现极大的塑性位移 ,压力表读数不再增高 ,出现的位 移增量大于前一级增量的 2 倍。根据规范要求 ,说 明锚杆已经破坏。因此 ,得出常规注浆锚杆的极限 承载力为 220～250kN 之间。当达到极限承载力时 , 锚杆的破坏形式表现在锚固体与孔壁之间发生滑 动 ,通过锚杆将锚固体整体拉出 (塑性位移) 。 31312 　二次高压注浆锚杆拉拔试验 对 2 根高压注浆锚杆进行超张拉 ,并观测位移 变化 ,当达到 326kN ,压力表读数约 1915 时 ,考虑到 拉拔机及千斤顶的能力 ,没有再继续加载。锚杆卸 载 ,位移接近于 0 ,表明拉拔荷载达到 326kN 时 ,锚 杆没有发生破坏。 通过两种不同注浆方式锚杆拉拔试验 (见表 1) ,一次常压注浆锚杆的极限承载能力为 220～ 250kN ;而二次高压注浆锚杆 ,其极限承载能力大于 326kN。这表明二次高压注浆锚杆锚固力远远大于 前者。 表 1 　一次常压注浆及二次高压注浆后锚杆拉拔试验记录 锚 杆 类 型 序 号 0 7215kN 10818kN 145kN 217. 5kN 25318kN 初 始 读 数 位 移 读 数 位 移 增 量 位 移 读 数 位 移 增 量 位 移 读 数 位 移 增 量 位 移 读 数 位 移 增 量 位 移 读 数 位 移 增 量 塑 性 位 移 常 压 注 浆 1 2 0 0 114 113 016017 214215 110112 412414 118119 715810 115117 12151215 510415 918910 高 压 注 浆 1 2 0 0 115 1111 017016 217211 112110 415319 118118 815810 211118 10141010 119210 215211 4 　结 　论 (1)通过对高压注浆的机理分析 ,表明其能改良 土体和岩石的现有性质从而在被注范围内产生一种 新的介质 ,达到提高锚固段岩土体的 c、φ值、提高 锚固段岩土体所受的σ值及锚固段岩土体外表面 的剪切滑动面面积 ,并产生异形扩体受压部位的端 承效应的目的 ,显著提高预应力锚杆的承载能力。 (2)对 104 国道界河立交桥工程加固过程中现 场试验及观测结果的初步分析表明 ,“岩土层高压注 浆预应力锚固技术”加固方案合理有效 ,加筋土挡土 墙位移得到了有效的控制 ,取得了理想的工程效果。 参考文献 1 　中国岩土锚固工程协会 1 岩土锚固新技术 1 北京 :人民 交通出版社 11998 :32～37 ,69～741 2 　高永涛等 1 失稳加筋土挡土墙稳定性综合技术研究科研 阶段 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 1 北京科技大学资源工程学院 1 编辑 :崔 　岱 High pressure grouting and the application of pre2stressed bolt Wu Shunchuan et al . ( Beijing University of science and Technology) Abstract :High pressure grouting technique and pre2stressed bolt are the principal means to consolidate special mine rock and soil . Through study and analysis of grout diffusion process and mechanism of the increment of the strength of so2 lidified grout agglomervate ,the authors consider that the physicochemical proerty of rock and soil can be reformed funda2 mentally by the use of this technique ,thus bringing about new kind medium within the scope of grouting. Furthermore ,it shows from the observation of in2situ experiment of a consolidating project that the high pressure grouting technique can markedly raise the loading capacity of pre2stressed bolt . Keywords :high pressure grouting ;pre2stressed bolt ;support ·61· 黄 　金