國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)防護(hù)要求與存在的問題

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1、引言
    近10年來，預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)物加固、邊坡治理、大型地下洞室及深基坑支護(hù)等工程。隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目的迅猛發(fā)展，可以預(yù)見，預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)將獲得更為廣泛的應(yīng)用。
    然而，根據(jù)國(guó)際后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)(FIP)的35例錨桿錨索腐蝕破壞實(shí)例的分析及我國(guó)近30a預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)用情況的調(diào)查，在高拉應(yīng)力作用下，預(yù)應(yīng)力筋會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，如法國(guó)米克斯壩，有幾根13000kN承載力的錨桿僅使用幾個(gè)月就發(fā)生斷裂。我國(guó)梅山水電站的無粘結(jié)監(jiān)測(cè)錨索(924絕緣膠浸泡及2～3層瀝青麻袋包裹)在運(yùn)行4～6a，先后有3束錨索因應(yīng)力腐蝕兼氫脆而導(dǎo)致鋼絲斷裂。
    國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界進(jìn)行了大量的研究，制定了一系列強(qiáng)制性規(guī)定，我國(guó)學(xué)術(shù)和工程界起步較晚，設(shè)計(jì)、施工和使用均存在一定的隨意性，各部門各行業(yè)的規(guī)定也不同，與國(guó)際規(guī)范的差距較大。
    2、巖土錨桿(索)的腐蝕特點(diǎn)
    巖土錨桿(索)所在的特定介質(zhì)環(huán)境和高拉應(yīng)力特點(diǎn)，使未經(jīng)防腐或防腐不當(dāng)?shù)腻^桿(索)發(fā)生腐蝕，甚至導(dǎo)致破壞。根據(jù)鋼筋腐蝕的不同機(jī)理，一般分為應(yīng)力腐蝕、氫脆、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。
    國(guó)際后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)(FIP)地錨工作小組收集到了35例預(yù)應(yīng)力錨桿(索)腐蝕破壞實(shí)例，并對(duì)其破壞的原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。
    可以看出，其中永久錨桿(索)占69%，臨時(shí)錨桿占31%，錨桿使用期在2 a以內(nèi)和2 a以上發(fā)生腐蝕斷裂的各占一半。
    錨索破壞的原因分析如下：
    （1）錨固段問題 兩例都是由于錨固段內(nèi)灌漿不足所致，其中一例是3m長(zhǎng)的鋼絞線受含硫酸鹽和氯化物的地下水侵蝕，灌漿施工缺少壓水檢查和施工不當(dāng)導(dǎo)致錨固段灌漿不足。
    （2）自由段問題 大致分為以下5種破壞形式：(a)地層運(yùn)動(dòng)造成拉筋超應(yīng)力，使其產(chǎn)生裂紋；(b)在有氯化物的情況下，水泥漿包裹不足或無水泥漿；(c)由于耐久性差導(dǎo)致瀝青包裹層破壞；(d)保護(hù)材料選擇不當(dāng)，如化學(xué)材料中含有硝酸根離子和吸濕瑪碲脂；(e)所有拉筋在無保護(hù)情況下存放了很長(zhǎng)時(shí)間。
    （3）錨頭問題 主要是缺乏防腐措施或工作期間保護(hù)劑充填不完全或塌落。
    表1 35例地錨腐蝕破壞實(shí)例統(tǒng)計(jì)分析
    3、中國(guó)規(guī)范中關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨桿(索)防護(hù)要求
    3.1水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范(SL212-98)
    這是國(guó)家水利部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：
    （1）預(yù)應(yīng)力錨固中的錨桿(索)體，可按表2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防腐、防銹處理；
    （2）錨桿(索)體防腐防銹處理時(shí)，所使用的材料及其附劑中不得含有硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫氰酸鹽等，氯離子含量不得超過重量的0.02%；
    （3）預(yù)應(yīng)力錨桿(索)采用水泥砂漿或水泥漿作為封孔灌漿或膠結(jié)材料時(shí)，應(yīng)符合水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范。摻加的減水劑、早強(qiáng)劑、膨脹劑中對(duì)鋼材有腐蝕作用的物質(zhì)含量也應(yīng)符合第(2)條的規(guī)定；
    （4）無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)錨固段所使用的膠結(jié)材料也滿足第(3)條的規(guī)定。對(duì)于張拉段也必須采用水泥漿或水泥砂漿進(jìn)行全孔封閉防護(hù)；
    （5）封孔灌漿后，錨索應(yīng)有大于20 mm的保護(hù)層厚度。
    表2 預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的防腐、防銹標(biāo)準(zhǔn)
    注：A級(jí)防護(hù)材料，如石灰水、防腐油；B級(jí)防護(hù)材料，塑態(tài)防護(hù)，如凝膠、樹脂或防銹油脂； C級(jí)防護(hù)材料，剛性防護(hù)，如水泥漿或水泥砂漿。
    3.2 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范(GB50086-2001)
    這是國(guó)家建設(shè)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的國(guó)家最新統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：
    （1）預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固段灌漿體宜選用水泥漿或水泥砂漿，其抗壓強(qiáng)度不宜低于30MPa。壓力分散型錨桿錨固段灌漿體抗壓強(qiáng)度不宜低于40MPa；
    （2）錨固段內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋每隔1.5～2.0m應(yīng)設(shè)置隔離架。永久性的拉力型或拉力分散型錨桿錨固段內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋宜外套波紋管，預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)層厚度不應(yīng)小于20mm。臨時(shí)性錨桿預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)層厚度不應(yīng)小于10mm；
    （3）自由段內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋宜采用帶塑料套管的雙重防腐，套管與孔壁間應(yīng)灌滿水泥砂漿或水泥凈漿；
    （4）預(yù)應(yīng)力錨桿體內(nèi)的綁扎材料不宜采用鍍鋅材料；
    （5）灌漿料可采用水灰比0.45～0.50的純水泥漿，也可采用灰砂比為1∶1，水灰比為0.45～0.50的水泥砂漿；
    （6）當(dāng)采用自由段帶套管的預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，宜在錨固段長(zhǎng)度和自由段長(zhǎng)度內(nèi)采取同步灌漿；
    （7）當(dāng)采用自由段無套管的預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，應(yīng)進(jìn)行兩次灌漿。第一次灌漿時(shí)，必須保證錨固段長(zhǎng)度內(nèi)灌滿，但漿液不得流入自由段。預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固后，應(yīng)對(duì)自由段進(jìn)行第二次灌漿；
    （8）永久性預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)采用封孔灌漿，應(yīng)用漿體灌滿自由段長(zhǎng)度頂部的空隙。
    3.3 土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范(CECS 22∶90)
    此規(guī)范由中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)批準(zhǔn)的，屬協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。
    關(guān)于錨桿設(shè)計(jì)，規(guī)定使用年限2 a以內(nèi)的錨桿，可按臨時(shí)性錨桿設(shè)計(jì)；使用年限大于2 a的錨桿，應(yīng)按永久性錨桿設(shè)計(jì)。
    對(duì)原材料，有以下規(guī)定：
    (1) 塑料套管材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證其在加工和安裝過程中不致?lián)p壞，具有抗水性和化學(xué)穩(wěn)定性，且與水泥砂漿和防腐劑接觸無不良反應(yīng)；
    (2) 隔離架應(yīng)由鋼、塑料或其他對(duì)桿體無害的材料組成，不得使用木質(zhì)隔離架；
    (3) 防腐材料應(yīng)滿足∶在錨桿服務(wù)年限內(nèi)，應(yīng)保持其穩(wěn)定性；在規(guī)定的工作溫度內(nèi)或張拉過程中不得開裂，變脆或成為流體；不得與相鄰材料發(fā)生反應(yīng)，應(yīng)保持其化學(xué)穩(wěn)定性和防水性；不得對(duì)錨桿自由段的變形產(chǎn)生任何限制；
    (4) 水泥漿體材料應(yīng)滿足：水泥宜使用普通硅酸鹽水泥，必要時(shí)可采用抗硫酸鹽水泥；不得使用高鋁水泥；細(xì)骨料應(yīng)選用粒徑小于2 mm的中細(xì)砂，砂的含泥量按重量計(jì)不得大于3%，砂中所含云母、有機(jī)質(zhì)、硫化物及硫酸鹽等有害物質(zhì)的含量，按重量計(jì)不宜大于1%；
    (5) 混合水中不應(yīng)含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害物質(zhì)，不得使用污水，永久性錨桿不得使用pH值小于4.0的酸性水和硫酸鹽含量按SO4計(jì)算不超過水重1%的水；
    (6) 水泥漿中氯化物的總含量不得超過水泥重量的0.1%，一般不宜采用膨脹劑。
    本規(guī)范由專章對(duì)錨桿防腐提出了要求，要求對(duì)腐蝕環(huán)境進(jìn)行充分的調(diào)查，防腐方法必須適應(yīng)使用目的，對(duì)錨頭，自由段和錨固段應(yīng)分別對(duì)待，規(guī)定永久性錨桿必須進(jìn)行雙層防腐，當(dāng)腐蝕環(huán)境特別嚴(yán)重時(shí)，臨時(shí)錨桿也應(yīng)采用雙重防腐。
    4、國(guó)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨桿(索)防護(hù)要求
    經(jīng)初步查閱有關(guān)文獻(xiàn)，由于起步較晚，我國(guó)巖土錨固規(guī)范對(duì)錨桿(索)防護(hù)的要求與國(guó)際規(guī)范差距主要表現(xiàn)在：
    (1)對(duì)地層侵蝕性的檢測(cè)與確定；
    (2)錨桿的防腐級(jí)別和方法，尤其表現(xiàn)在永久性防護(hù)措施如灌漿材料和線材要求方面；
    (3)施工后防蝕能力確定。
    從發(fā)展過程來看，美國(guó)已經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段
    (1)固定段鋼絞線無保護(hù)；
    (2)使用單一波紋管；
    (3)使用樹脂膜包裹鋼絞線，再分兩次灌漿；
    (4)使用環(huán)氧樹脂包裹，再灌滿環(huán)氧樹脂錨固端；
    (5)使用環(huán)氧樹脂包裹，再灌滿環(huán)氧樹脂錨固端，再加一層保護(hù)管。
    美國(guó)PTI建議地錨分為1級(jí)(防腐蝕)和2級(jí)(非防腐蝕)，其中1級(jí)使用波紋管及環(huán)氧樹脂等材料保護(hù)。且建議，尤其是水壩工程，應(yīng)使用樹脂包裹鋼絞線及灌樹脂漿。
    國(guó)際后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)(FIP)1986年規(guī)范規(guī)定，永久性地錨采用單層波紋管內(nèi)灌樹脂漿或雙層波紋管內(nèi)灌水泥漿保護(hù)。
    荷蘭、南非等國(guó)規(guī)范均規(guī)定使用樹脂漿。英國(guó)BSI規(guī)范、德國(guó)DSI工法、日本SEEE工法等國(guó)規(guī)范規(guī)定使用單一PE波紋管內(nèi)灌樹脂漿。樹脂漿的種類大體分為3類：
    (1)不飽和聚酯樹脂，可加水泥、爐石粉、細(xì)紗、石粉；
    (2)環(huán)氧樹脂；
    (3)多元聚乙烯樹脂，可加水泥、爐石粉、細(xì)紗、石粉。
    鋼絞線安裝灌漿后，F(xiàn)IP1996、瑞士1997、歐盟19個(gè)國(guó)家均采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1537∶1999規(guī)范，要求所有工作錨索施工前后均采用數(shù)字高阻計(jì)進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，以確保其防蝕功能。
    5、建議
    綜上所述，我國(guó)巖土錨固規(guī)范(即使是最新的國(guó)家規(guī)范)中對(duì)錨桿(索)耐久性的要求相對(duì)較低，可操作性差，與當(dāng)前國(guó)際發(fā)展水平相差較大，結(jié)構(gòu)的安全性重點(diǎn)放在各種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求上，而對(duì)環(huán)境因素(如工程周圍水，土中有害化學(xué)介質(zhì)侵蝕等)下的耐久性要求則相對(duì)考慮較少。這一方面是由于此類結(jié)構(gòu)在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，失事幾率較??；另一方面，我國(guó)有關(guān)規(guī)范要求零散，不具體明確。此外，與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低和國(guó)內(nèi)學(xué)者的不同認(rèn)識(shí)有一定的關(guān)系，導(dǎo)致工程決策時(shí)過多考慮當(dāng)時(shí)的費(fèi)用所致。
    隨著我國(guó)基本建設(shè)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)耐久性問題已經(jīng)引起高度重視，但目前仍主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方面，作為土建結(jié)構(gòu)重要組成部分的巖土預(yù)應(yīng)力錨桿(索)工程的耐久性問題的研究和重視，理應(yīng)引起相關(guān)研究、設(shè)計(jì)和實(shí)踐部門的高度重視。