所属栏目：自动化论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:748
【摘 要】本文介绍了某一能源总厂某一河污水处理站工程调节池抗浮采用了压剪筒压力型锚杆替代原先的拉力型锚杆的设计方案与施工措施，从而解决了池体抗浮的问题
【关键词】抗浮 压剪筒压力型锚杆 拉力型锚杆 设计与施工
一、工程概况
某一能源总厂某一河污水处理站工程调节池截面尺寸49.200m×47.000m，池体结构分为东、西池平底板(1200mm厚)+墙壁、斜底板(1200mm～600mm厚)+墙壁;平底板底标高-9.000m，斜底板底标高-9.000m～-4.600m。根据原设计蓝图要求，池体底板抗浮采用拉力型锚杆，即池体平、斜底板均匀设置Ø180的抗浮锚杆孔，内置5Ø12.0钢绞线，1：2水泥浆灌浆，抗浮锚杆桩桩端进入中风化岩层10m，单根锚杆抗拉拔承载力690KN，共计305根。
考虑到施工周期的影响，施工单位采取了先池体底板结构后抗浮锚杆的反工序施工工法，因此在池体底板结构上先期预留了Ø180预留孔。抗浮锚杆桩在前期试桩施工过程中，由于调节池基坑周边土方全部回填、地下水丰富;再加上池体地质情况复杂，多为破碎的裂隙发育岩体、淤泥质软弱土加固地基，锚杆成孔设备选型不适用;以及池体底板下部的600mm厚砂垫层水系贯通等不利因素，造成施工完成平底板27根锚杆桩后，后续的278根拉力型抗浮锚杆桩无法按照原设计要求组织施工。为此，施工单位与设计单位多次协商，决定修改原池体抗浮设计方案，即调节池池体抗浮采用压剪筒压力型锚杆的设计与施工方案。
二、抗浮锚杆的设计方案
(一)设计思路
调节池底板抗浮锚杆前阶段试桩施工中，采用了锚杆钻岩机潜风冲击锤成孔，最终在施工过程中出现了孔位塌孔、堵孔、钢绞线无法下索等问题，现改用压剪筒压力型锚杆替代原设计的拉力型锚杆进行底板的抗浮设计。
1、本工程前期试桩阶段采用的锚杆钻岩机(ROC460PC-HF)潜风冲击锤成孔，设备选型不适用，如采用XY-100型或150型地质钻机(成孔孔径Ø180、Ø150、Ø90、Ø75)，设备工作能力满足现场施工要求。
2、为了达到原设计单孔690KN的锚固力的要求，将原设计的拉力型锚杆改成压剪筒压力型锚杆。原设计的拉力型锚杆的轴向力为拉力，拉力和孔壁剪应力都集中在孔口，为了避免拉力过大，拉破水泥芯柱和剪应力过大，使孔壁与水泥芯柱发生剪切破坏，抗浮锚杆应设计为压剪筒压力型锚杆。它的受力最大点在孔底，不在孔口;由于采用钢质压剪筒，可使锚杆孔壁剪应力峰值减小2.7倍，同时使水泥芯柱的强度大大提高，从而使锚杆的受力端远离破坏。
3、采用压剪筒压力型锚杆抗浮桩体，孔口处增加锚头，从而保证了对水池底板的锚固作用。按照原设计要求，水池底板处的锚固力应大于或等于抗浮锚杆桩的锚固力;水池底板有锚固条件的厚度取1.0m，钢铰线与水泥芯柱之间的粘接力取3.5MPa，钢绞线直径Ø15.24，单根钢铰线锚固力为3500KN/m2×0.0152m×3.14×1.0m=167KN/根，3根钢铰线的锚固力为167KN/根×3根=501KN，由于501 KN<690KN，孔口必须设置锚头锚固。
(二)调节池本体结构上浮力、抗浮力计算
1、计算的基本参数
(1)根据GB50086-2001规范表4.2.5-3锚索锚固体设计安全系数取K=1.8。
(2)根据CECS22：2005规程表7.5.1-2土体孔壁与水泥芯柱粘结强度取50KPa。
(3)根据CECS22:2005规程表7.5.1-1岩体孔壁与水泥芯柱粘结强度取500KPa。
(4)根据CECS22:2005规程表7.5.1-2砂垫层和岩石0.5m以上孔壁与水泥芯柱粘结强度取250KPa。
(5)根据场地岩土工程报告土体内摩擦角φ取160、C取30Kpa。
2、计算思路
考虑计算方便，先分区计算，然后整体平衡锚固力，最终总体锚固提供的抗浮力满足设计要求。
(1)水池总面积：49.2m×47m=2312.4m2
(2)平底板面积：31m×37.2m=1153.2m2
(3)斜底板#p#副标题#e#面积：2312.4m2-1153.2m2=1159m2
(4)平底板总上浮力：10KN/m3×(9.0m-1.2m)×1153.2m2=89950KN
(5)斜底板总上浮力：10KN/m3×(6.8m-0.9m)×1159m2=68381KN
3、平底板抗上浮力计算
(1)已施工成索27孔锚索提供的抗浮力：690KN/索×27索=18630KN
(2)底板自重提供的抗浮力：(25KN-10KN)×0.9/m3×1153.2m2×1.2m=18682KN
(3)底板外延部分提供的抗浮力：(25KN-10KN)×0.9/m3×2.0m×96.2m×1.2m=3117KN
(4)底板外延部分上部土体重量提供的抗浮力：10KN/m3×2m×96.2m×7.8m=15007KN
(5)土体粘结力抗剪提供的抗浮力：30KN/m2×7.8m×96.2m=22511KN
4、斜底板抗上浮力计算
(1)斜底板自重提供的抗浮力：(25KN-10KN)×0.9/m3×0.9m×1159m2=14082KN
(2)前期施工锚索提供的抗浮力：690KN/索×2索=1380KN
5、钢筋砼墙重提供的抗浮力：114757KN-34596KN-26078KN-5772KN
=48129KN
(砼结构总重) (平底板砼重) (斜底板砼重) (外延底板砼重) (墙重)
6、结构总抗浮力
18630KN+18682KN+3117KN+15007KN+14082KN+1380KN+22511KN=93410KN
7、水池底板总上浮力：89950KN+68381KN=158331KN
8、锚索必须提供的锚固力：(158331KN-93410KN)×1.8=116858KN
(三)抗浮锚索锚固参数设计
1、平底板锚索设计177孔，前期已完成27索，还余150孔。所余孔参数设计如下：
钻孔直径75mm，周边94个孔孔深4.5m，中部56个孔钻孔深6.5m。0～1.0m孔壁粘结力取250Kpa，底板下1～6.5m孔壁粘结力取500Kpa。
周边孔单索锚固力：0.075m×3.14×(250KN/m2×1.0m+500KN/m2×3.5m)=471KN/索
周边孔总锚固力：471KN/索×94索=44274KN
中部孔单索锚固力：0.075m×3.14×(250KN/m2×1.0m+500KN/m2×5.5m)=707KN/索
周边孔总锚固力：707KN/索×56索=39592KN
2、斜底板锚索设计
斜底板原设计122孔，前期已施工完成施工2索，还余120索。
所余孔参数设计如下：
(1)斜底板与平底板交界处29个孔，按岩锚设计钻孔直径75mm，钻孔深5m，孔壁粘结力取400Kpa，
单索锚固力：0.075m×3.14×400KN/m2×5m=471KN/索
总锚固力：471KN/索×29索=13659KN
(2)斜底板其余91个孔按土锚设计
钻孔直径180mm，钻孔深8m，孔壁粘结力取50KPa。
单索锚固力为：50KN/m2×0.18m×3.14×8m=226KN/索
总锚固力：226KN/索×91索=20573KN
3、锚索总锚固力
44274KN+39592KN+13659KN+20573KN=118098KN
由于118098KN>116858KN，故锚索设计参数可取。
(四)压剪筒压力型抗浮锚杆参数设计
1、平底板岩锚参数
(1)孔径75mm，周边94个孔孔深4.5m，中部56个孔钻孔深度6.5m。
(2)周边孔单索锚固力471KN，中部孔单索锚固力707KN，预应力250KN。
2、斜底板岩锚参数
(1)孔径75mm，孔深5m，锚索数量29索。
(2)单索锚固力471KN，预应力250KN。
3、斜底板土锚参数
(1)孔径180mm，孔深8m，锚索数量91索。
(2)单索锚固力226KN，张拉预应力150KN。
4、锚索数量、长度
(1)土锚91索，合计：728M;
(2)岩锚179索，合计：932M;
(3)锚索总数：270索，总长度合计：1660M。
5、锚索材料及工艺要求
(1)采用15.24mm钢绞线;规格：7×φ5，强度1860Mpa。
(2)平底板中部56孔锚索采用3根钢绞线，其余214孔锚索采用每孔采用2根钢绞线。
(3)压剪筒采用Ф60×4无缝钢管，长度0.65m/根，共270根。
(4)承压板采用Ф60钢棒加工，外径Ф60，厚度20mm，共270个。
(5)孔口垫板采用厚20mm钢板加工，尺寸220mm×220mm，中孔Ф60，共270个。
(6)Ф10×1.5无缝钢管66M，Ф16×2无缝钢管250M，Ф5.5~6.0圆钢150k
(7)钢绞线钢绞线护套塑料软管，内径18mm，总长度4698m。
(8)锚索注浆采用倒退式注浆，注浆用#p#副标题#e#砂浆，水灰比0.4～0.45，强度30Mpa。
三、抗浮锚杆的施工
(一)施工工艺
1、抗浮锚杆(压剪筒压力型锚杆)的工作原理
本工程采用压剪筒压力型锚索，原理如下图：
水泥芯柱与孔壁全长粘结，钢绞线与水泥芯柱无粘结。施加给钢绞线的拉力(预应力)通过承压板转换成压力传给压剪筒，从而实现压力筒与水泥芯柱轴向受压。由于压剪筒是钢质的，其强度与水泥相比提高了3倍，同时压剪筒也将钻孔壁剪应力峰值降低2.7倍，通过上述压剪筒压力型锚索作用原理可以看出，在同样大小预应力条件下压剪筒压力型锚索比拉力型锚索可靠(详见图-1压剪筒固定端、图-2锚索锚固端所示、)。
2、钻孔
(1)土锚孔：土锚孔设计孔径180mm，深度8m，土锚孔钻到设计深度时全长采用泥浆护壁。
(2)岩锚孔：岩锚孔有三种深度，即4.50m，5.0m，6.5m，岩锚孔开孔采用180mm钻头，到中风化岩顶，改换75mm孔，180mm孔采用水泥浆护壁，75mm孔是否采用水泥浆护壁根据取芯状态而定，如果取土困难，采用水泥浆胶结，二次钻孔。
(3)对于原平底板已经钻过的150孔，采用直径180mm钻头重新取芯，如果原碎渣无法取出时，先采用水泥浆注浆(或掺水玻璃)，再取芯。
3、注浆
(1)锚孔注浆采用倒退式注浆，注浆泵型号VB-3型，注浆时注浆管与钢绞线一同置于孔底，注浆量达到2/3时提出注浆管长，直到注满孔提出全部注浆管，经过3～4小时进行补浆，补满孔为止。
(2)注浆水泥425#，水灰比0.4～0.45，强度30Mpa。
(二)施工机具及主要材料
(三)施工措施
1、调节池东、西池的抗浮锚杆施工自上而下，先斜底板后平底板，抗浮锚杆的成孔采用2台100型地质钻机(详见图3、图4所示)，注浆采用UB3型注浆泵，水泥浆护壁成孔。
2、施工工序：钢绞线下料→钢绞线端头固定器张拉紧固→压剪筒与钢绞线组装→锚孔定位→钻机成孔→下索灌浆(补浆)→锚索养护→锚索后期的预应力张拉、封锚。
3、钻机就位开钻施工过程中，根据底板下土层地质情况控制成孔钻进速度，防止孔位塌孔、偏孔、斜孔;对于平底板岩锚的破碎岩体采用钢齿牙轮钻头套取，同时在清孔过程中利用护壁泥浆循环带出桩体沉渣;对于斜底板的土锚则先采用硬质合金三翼钻头钻进，护壁泥浆清孔。
4、下索入孔前检查钢绞线束质量，确认捆扎牢固，符合要求，控制钢绞线束入孔深度及其
注浆管口与孔底距离。锚杆造孔深度L=L索+1.2m，即每根锚索孔口外留1.2m，作为施工张拉段。
5、孔底压剪筒锚固段注浆采用孔底返浆法，将注浆管随压剪筒插入到距孔底20cm处，用注浆泵将水泥浆通过注浆管注入孔底，水泥浆从钻孔底口向外依次充满并将孔内空气、浆液压出。待一次注浆体初凝强度达5.0MPa后，即可用注浆管 进行二次高压注浆补浆;补浆时，待孔内素浆初凝后，开动注浆泵先用清水冲洗孔内泥浆，再用上述方法注浆，直至孔内浆液饱满。
6、锚孔注浆完毕后的第三天，应及时将锚杆上端头锚固段水泥浆浮浆凿除;同时将锚墩外钢绞线的PVC外套剥掉，把钢绞线上的黄油用棉纱擦干净，以备穿锚。穿锚时，钢绞线按周边序和中心序理出，穿入锚板，套上夹片，锚索应对称或均匀分布在锚板上，以备后期张拉使用。
四、抗浮锚杆的张拉试验及工程检验
抗浮锚杆的张拉试验及工程检验是在工程中服务的锚索中抽验，目的就是使调节池抗上浮得到保证，使调节池在服务期间安全可靠的营运。本工程抗浮锚杆的张拉、锁定、试验及工程检验都依据“锚杆喷射混凝土支护技术规范”(GB50086-2001)和岩土锚杆(索)技术规程(CECS22：2005)，不允许进行破坏性试验。
(一)、张拉试验
1、由于调节池工期不允#p#副标题#e#许锚索等到28天后预应力张拉，施工组织设计中给出7～10天张拉。由此，岩锚预应力应为：471KN/1.8×0.9=236KN，取250KN。考虑土体比较均质，预应力取150KN(>226KN/1.8×0.9)。
2、设计要求每孔锚索必须施加预应力，土锚预应力150KN，岩锚250KN。当土锚预应力达到150KN持续3分钟稳定、岩锚预应力达到250KN持续3分钟稳定，判为锚索合格。
3、张拉、锁定设备
(1)、张拉千斤顶
型号：YC-50、 最大张拉力：500KN
最大压力：46Mpa、 最大行程：25cm
(2)、张拉压力表
量程：60Mpa、 精度：1.5
制造号：118285，118283 2008年9月检测
(3)、张拉液压油泵
型号：2YBZ2-50型 额定压力50Mpa
(4)、张拉力确定
(4.1)、岩锚：46Mpa：500KN=X土：250KN
X土=46Mpa×250KN/500KN=23Mpa
(4.2)、土锚：46Mpa：500KN= X岩：150KN
X岩=46Mpa×150KN/500KN=13.8Mpa
以上比例计算得出岩锚张拉时当压力表压力达到23Mpa，预应力即达到250KN，持压3～5分钟后卸荷索定。
(5)、割除锚头外露多余钢绞线(留5～7cm)，及时封锚。
(二)、工程检验
根据相关规范规定，调节池抗浮锚杆工程验收应满足以下要求。
1、施工过程中钻孔达到设计要求，钢绞线长度达到设计要求，注浆质量达到设计要求。
2、预应力张拉合格、试验合格。
3、依据GB50086-2001, CECS22：2005规定验收。
(1)基本试验锚杆数量不得少于3根。
本设计方案中锚索总数为299根，抽验数取3%，即：299根×3%=9根。鉴于调节池分为土锚和岩锚，又分为东池、西池;因此东池、西池各试验6索，其中土锚3索，岩索3索。由此得岩锚、土锚各抽验6根。
(2)GB50086-2001(7.6.3)规定最大试验荷载不宜超过锚索承载力(锚固力)的0.9倍(指28d后水泥结合体强度)。
根据上述规定，
土锚：28天试验荷载(预应力)为：226KN×0.9=203KN
7～10天试验荷载(预应力)为：226KN×0.9×0.7=142KN
岩锚：28天试验荷载(预应力)为：471KN×0.9=424KN
7～10天试验荷载(预应力)为：471KN×0.9×0.7=297KN
(3)、CECS22：2005(9.4.2)规定最大实验荷载应取锚杆轴向拉力设计值的1.5倍(指28d后水泥结合体强度)。土锚轴向拉力设计值150KN，岩锚轴向拉力设计值250KN，同理求得7～10天后进行试验验收最大试验力为：
土锚：150KN×1.5×0.7=158KN
岩锚：250KN×1.5×0.7=262KN
(4)、取GB50086-2001及CECS22：2005规定最大试验值的平均值作为本次试验验收的最大试验荷载。
土锚：PMax=(142KN+158KN)/2=150KN
岩锚：PMin=(297KN+262KN)/2=280KN
(5)、试验设备
(5.1)、张拉千斤顶
型号：YC-50、 最大张拉力：500KN
最大压力：46Mpa
(5.2)、张拉压力表
量程：60Mpa、 精度：1.5
制造号：118285，118283、 注：2008年9月检测。
(5.3)、张拉液压油泵
型号：2YBZ2-50型、 额定压力：50Mpa
(6)、试验步骤
(6.1)、预张拉
张拉力50KN(压力表#p#副标题#e#读数5Mpa)，持压2分钟卸荷。
(6.2)、分级张拉
五、结语
1、调整后的调节池压剪筒压力型抗浮锚杆于2008年8月21日～2008年9月28日完成全部锚杆桩的成孔、下索、注浆、张拉、封锚施工。
2、调节池压剪筒压力型抗浮锚杆通过后期的单根锚索张拉试验，以及批量锚索工程抽验，检验结果显示土锚单根锚杆抗拉拔承载力达到150KN，岩锚单根锚杆抗拉拔承载力达到280KN，锚索蠕变量符合相关规范要求。
3、调节池抗浮锚杆使用压剪筒压力型锚索代替原先的拉力型锚索，解决了调节池池体放空期间的抗浮问题;自本工程投产运行、功能考核至今，调节池本体结构使用情况正常。
参考文献：1、《建筑施工手册》缩印本(第二版)，中国建筑工业出版社，1999年1月。
2、GB50086-2001 锚杆喷射混凝土支护技术规范
3、CECS22：2005 岩土锚杆(索)技术规程