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树脂锚固剂在水库大坝加固工程施工中的应用

日期：2016-5-11 14:08:14　来源：转载　浏览数：
　

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1· 工程特点
    野沟门水库除险加固工程上游面板连拱坝段、溢流堰面为混凝土结构，两端重力坝段为浆砌石，新旧混凝土、新混凝土与浆砌石之间采用锚筋连接，锚筋间距1.5m×1.5m 梅花型布置，总量8346 根，且锚筋多为水平向。传统的锚筋栽植粘结剂多用水泥砂浆，对于水平孔水泥砂浆很难灌入，浆液稀易流出，孔上部有空隙，锚筋不易全段面与载体粘结，拉拔力达不到设计要求，浆液稠了其本身占用孔的体积，锚筋插入不易到位，锚固长度很难达到设计要求，同时水泥砂浆有一定的凝结时间，一般情况下锚筋安装后7d 内不得敲击、碰撞、拉拔和悬挂重物，这就影响到了工程施工进度。
    野沟门水库加固主要任务是在整个大坝的迎水面打眼栽锚筋、设双层钢筋网，浇注一层防渗防冻混凝土面层，厚度为40～90cm；溢流堰面凿除厚30cm 的混凝土，预埋锚杆安装钢筋网，按原溢流面高程及曲线浇筑厚30cm 聚丙烯纤维混凝土。
    2· 树脂锚固剂的特性
    2.1 特点
    树脂锚固剂是由不饱和聚酯树脂、固化剂、促进剂和其他辅料，按一定比例配制而成的粘稠状锚固粘接材料，由聚酯薄膜分割包装呈药卷状，具有常温固化快，粘接强度高，锚固力可靠和耐久力好等优良性能［1］，其在煤炭行业的井巷支护、井筒安装等工程中已广泛应用。该项新技术已应用于水利工程施工方面，取得较好的效果。其特点有以下几个方面。
    （1）承载快，锚固性能与钢筋预埋件相近，具有“双快一高”的特性即固化时间快(速度可调)、强度增长快、强度高。安装后不仅能及时承受载荷，且锚固力大。
    （2）适应性强，粘接对象广泛。粘接异型、复杂的大型薄板结构，可锚固各种木材、金属、玻璃钢体及其他刚性物体。
    （3）具有良好的疲劳强度。可广泛的用于结构加固、岩层支护、设备基础固定、堤坝裂缝修复及高层建筑外墙石材干挂、金属或幕墙框架的安装及固定等。
    （4）抗水型树脂锚固剂除以上特点外，当有水存在时，具有增强快、强度高的特性，避免了水对树脂锚固剂固化速率、抗压强度和锚固力的影响。
    （5）树脂锚固剂由树脂胶泥与固化剂两部分组成，分隔包装成卷形，两部分搅拌混合后才能使锚筋杆体与锚固体孔壁粘结在一起，不搅拌时可储存3个月，保质期长，施工方便。
    2.2 技术参数
    树脂与锚固剂的固化过程是一个放热反应过程，化学上称为交联聚合过程。从物理现象可分为3个阶段［2］。
    （1）凝胶阶段。固化剂、加速剂与树脂锚固剂搅拌开始到锚固剂变为软胶状态。这时，胶泥温度上升。其所需时间称为胶凝时间。
    （2）硬化阶段。锚固剂胶泥由软胶状态变为固体状态，胶泥内温度上升速度加快。这一变化过程中所需时间称为增长时间。
    （3）完全固化阶段。变硬后的胶泥的硬度继续发展，直至完全固化。
    利用树脂胶锚固有关技术参数包括抗压强度、剪切强度等，有关技术参数如表1。

    3· 锚杆应力计算［3］
    3.1 锚杆极限抗拔能力
    岩层中锚孔的深度应超过破裂面，并需在稳定地层中达到足够的长度，即有效锚固段。有效锚固段所能承受的最大拉力称为锚杆的极限抗拔力［4］。
    当锚固段受力时，拉力首先通过钢拉杆边的砂浆握裹力而传递到砂浆中，然后通过锚固段钻周边的地层摩擦力而传递到锚固地层中，因此，钢拉杆除了钢筋本身须在足够的抗拉截面面积外，锚杆的抗拔作用还必须同时满足几种情况：①锚固段的砂浆对钢拉杆的握裹力需能承受的极限拉力；②锚固段地层对砂浆的摩擦力需能承受的极限抗力；③锚固段的土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。
    锚固段砂浆所产生的最大抗拔能力如公式（1）。
    Tu=πDLaτ （1）
    式中Tu
    为锚杆的极限抗拔能力；D 为锚杆钻孔直径（m）；La为锚杆有效锚固长度（m）；τ 为锚固段周边抗剪强度（kPa）。
    锚杆承载力计算应符合式（2）要求。
    Td≤Nacosθ （2）
    式中Td
    为锚杆水平拉力设计值（kN）；Na为锚杆轴向受拉从承载力设计值（kN）；θ 为锚杆与水平面的夹角。
    3.2 锚杆的截面和长度计算
    锚杆、截面面积如式（3）。

    式中As为钢筋截面面积；fy为钢筋抗拉强度设计值；θ 为锚杆与水平面的夹角。
    锚杆固锚段长度按锚杆抗拉实验确定，按式（4）、式（5）估算，取其中较大值。

    式中k 为抗拉分项系数，取2.0；Nu为锚杆轴向受拉承载力设计值（kN）；q 为钢筋与浆体之间的黏结强度标准值，取2800kPa；D 为锚杆钻孔直径（m）；Le为锚杆的有效锚固长度（m）；τ 为锚固周边的抗剪强度（kPa）。
    4· 锚筋施工   4.1 确定孔位
    野沟门水库大坝加固分为坝前和坝后两个部位。在迎水坝面，死水位以下，采用锚杆直径准22mm，长度2.5m，深入坝体深度1.55m；在坝体迎水面的钢筋混凝土防渗面板采用锚杆直径准20mm，长度1.5m，深入坝体1.15m；在溢流坝底部采用直径准20 锚筋，长度1.25m。
    钻孔位置直接影响锚杆的安装质量和力学效果，因此，钻孔前应由技术人员按设计图纸要求定出孔位，标注醒目的标志。
    4.2 风钻钻孔
    钻孔前，根据设计要求和土层条件，定出孔位，做出标记；钻机就位后，应保持平稳，导杆或立轴与钻杆倾角一致，并在同一轴线上。
    孔位确定后，将风钻对准孔位调整钻杆钻进角度后正式开钻。采用大于锚杆直径的钻头钻进，钻进时风从钻管流向孔底，在一定气流压力下，风携带钻削下来的石屑排出孔外，钻进时要不断地吹气排屑。待钻进至规定深度，钻机继续旋转，并不断地向孔内吹气，使残留在孔中的土屑能够完全被吹出，保证孔内干净。
    钻进过程中，应精心操作、精神集中，合理掌握钻进参数及钻进速度，防止埋钻、卡钻等各种孔内事故［5］。当成孔达到设计深度后，注浆前用高压水清孔，排出孔内沉渣，直至孔口返出较为干净的无大量沉渣的水为止。但需注意清孔时间不宜过长，以防塌孔影响拔管及注浆质量。
    4.3 锚杆的制作与安装
    钻杆安装前应把孔内的积水和浮尘彻底吹洗干净，并检查成孔是否符合设计要求，不合格者进行补救。
    锚筋表面不能沾有油污，若有油污用干净布片擦拭干净后再使用；锚筋安装前用锚筋杆体测量孔深，做出标记，保证孔深满足锚固长度要求［6］。
    利用杆体将锚固剂缓慢送入孔底，然后启动搅拌机带动杆体旋转，将杆体匀速推进到孔底，使锚固剂两种成分混合搅拌，起到锚固作用；搅拌机转速≥150 转/min，搅拌时间按上表规定时间段操作。严禁在锚固剂未送到孔底的情况下，开动搅拌机。
    锚筋安装搅拌结束要及时在孔口将杆体临时固定，然后卸下搅拌机，在等待时间段不得使杆体移动，以确保锚固质量，达到承载时间后，即可达到锚固力。产品按凝胶时间的不同进行分类，产品分类如表2。

    依据树脂锚固剂的特性，施工时采用了树脂锚固剂栽植锚筋的技术，考虑坝体内有浸水和施工用时，选用K 快速抗水型树脂锚固剂，其凝胶时间为41～90s，不影响施工进度。
    锚固剂使用前要认真检查颜色和手感，质地柔软、外观完好即可使用，若有硬化、结块、破裂、变质等异常现象，禁止使用。
    4.4 锚筋拉拔试验
    锚杆拉拔力试验是制定围岩的可锚性，评价锚杆、树脂、围岩固锚系统性能和锚杆的锚固力。在灌浆锚杆基本确定之后，应该对结构物的整体稳定性进行验算。即使锚杆各部设计合理，但整个结构物的稳定性达不到要求，锚杆设计必须重新考虑，加长锚杆，并重新检算，验算方法可参阅有关土体或岩体稳定的检算方法。
    不同型号钢杆锚固力规定值如表3。

    野沟门水库加固工程锚筋栽植共8346 根，随着施工进度对栽植好的锚筋按设计要求的比例进行了拉拔试验，所做试验的拉力值达到了钢筋的屈服极限，锚筋均未被拉出，满足设计要求。
    4.5 采用树脂锚固剂施工特点和优点
    4.5.1 工期缩短
    野沟门水库上游迎水面防渗面板共分31 个单元工程，溢流堰面分19 个单元工程，每个单元工程需分3～4 个工作面才能完成，因此各工作仓面各工序衔接必须紧凑，其中锚筋安装工序采用了树脂锚固剂，因其凝结时间短，10min 即可达到锚固承载要求，而水泥砂浆则需要7d，大大缩短了施工工期，原施工计划防渗面板和溢流堰面二项分部工程工期为240d，实际180d 完成，工期提前了60d。
    4.5.2 安装简单、易操作、节省投资
    迎水面防渗面板和溢流堰面锚筋多为水平方向，采用水泥砂浆：①浆液从拌制到锚筋安装2h 内（水泥初凝）必须完成，否则水泥砂浆不能再用；②水平向锚筋孔内注浆困难，耗时长。树脂锚固剂是由树脂胶泥与固化剂两部分分隔包装成卷形，两部分只有在搅拌混合后才凝结，因其为聚酯薄膜包装呈药卷状的，施工时可直接用锚筋杆体将其推进孔内，由搅拌机带动锚筋转动，边搅拌边推进，锚筋推进到孔底即完成安装，因而提高了功效，节省了人工成本。
    5 ·结语
    野沟门水库除险加固工程与2010 年5 月底完工，7 月份通过了蓄水验收，8 月底水库蓄满运行，至今已3 年多，未出现新旧混凝土分离现象，渗漏情况得到彻底解决，该工程合同工期到2010 年10 月31日，提前了5 个月完成施工任务，其主要因素之一是采用了树脂锚固剂，缩短了锚筋的承载时间，提高了锚筋的锚固力，由此可见树脂锚固剂栽植锚筋技术在水利工程施工中是可借鉴和推广的。