分析巖土錨桿標準中關于錨桿設計的安全性問題

　　目前錨固技術已被廣泛應用到各大巖土工程領域，大量實踐也證實了其無可取代的優越性，例如簡化結構體系、提高結構穩定度、確保施工安全、加快施工進度、節約工程材料、降低工程造價等。所謂巖石錨固，它是一種通過把結構埋入地層并錨固到巖土上來獲取所需應力，進而實現拉力與剪力傳遞的施工技術。巖石錨固技術目前已被用來抵抗豎向位移、抵抗沿基礎線位移及傾倒、抵抗沿地層臨界面剪切破壞及維持巖體穩定、加固地基等領域。與國外巖土錨桿設計的研究相比較，我國業內學者的研究主要考慮如下方面：鋼筋等材料自身對截面積的拉力；錨固段砂漿對鋼拉桿握固力的極限拉力；錨固段底層對砂漿摩擦力的極限拉力。總體而言，我國學者對巖土錨桿設計的理論研究尚不能完全實現確保施工安全、縮短施工工期、節約工程材料、降低工程造價等。基于此研究背景，本文根據我國巖土錨固技術標準的基本要求，主要對巖土錨桿標準中錨桿設計的安全性進行討論，以期提高我國錨固工程的施工安全與施工質量。
　　
　　一、錨桿設計的安全系數
　　錨桿設計的安全系數通常包括錨桿桿體或錨桿筋體設計的抗拉安全系數、錨桿固體設計的抗拔安全系數，其中錨桿桿體或錨桿筋體設計的抗拉安全系數=錨桿桿體極限拉力：錨桿拉力設計值；錨桿固體設計的抗拔安全系數=錨桿極限抗拔力：錨桿拉力設計值。巖土錨桿設計的安全系數通常需對錨桿結構設計的風險程度與不確定性因素進行綜合考慮，其中包括錨固巖土體或地層的性態、桿體材料與灌漿的不穩定性、筋體中所有鋼筋或鋼絞線受力的不均勻性、錨桿群中部分錨桿承載力失效或下降對周邊錨桿工作荷載的影響程度、周邊環境或地下水的變化、錨桿抵御輕微腐蝕的能力等。
　　
　　
　　備注：臨時錨桿的工作年限＜2a、永久錨桿的工作年限＞2a；最小安全系數要求當錨桿破壞引發公共安全事故時取最大值、若未引發公共安全事故時取中值、其余情況取最小值，其中前兩種情況的危害程度均較后者嚴重。
　　表1-1錨桿錨固體抗拔安全系數與錨桿桿體抗拉安全系數
　　（一）眾所周知，錨桿設計的安全系數直接關乎到巖土錨固工程的可靠性，基于此理論基礎，世界各國紛紛出臺錨桿規范來對錨桿設計的安全系數進行規定。表1-1為世界主要國家對錨桿錨固體抗拔安全系數與錨桿桿體抗拉安全系數的規定。由表1-1可知，世界主要國家的錨桿規范皆要求重點參考錨桿破壞后的危害程度與錨桿安全系數來對錨桿設計的安全系數取值，其中各主要國家對錨桿設計安全系數的取值基本一致。此外，表1-1中提及的最小安全系數通常是用來滿足錨桿對安全工作狀態的基本要求。但目前多數錨桿設計皆為嚴格遵循上述基本要求，具體包括如下兩種情況：
　　1.錨桿桿體或錨桿桿筋設計的安全系數偏小
　　針對錨桿桿體或錨桿桿筋安全系數偏小的問題，本文以國內某永久性大型邊坡錨固工程為例展開討論。該錨固工程錨桿設計的具體情況包括：工程所用的鋼絞線為12根Φ15.2mm 1860MPa級鋼絞線；錨桿拉力值為2000kN。通過計算可知，該工程錨桿設計的安全系數僅為1.55，該數值較國標規定的1.80小0.25。為了更加深入探討錨桿桿體或錨桿桿筋安全系數偏小的問題，本文再簡要介紹另一工程案例。某24m深基坑工程設計的支護結構為3道錨桿背拉排樁支護，其中錨桿桿體的鋼絞線為Φ152mm 1860MPa級鋼絞線，通過計算可知該工程桿體的抗拉安全系數為1.00左右。
　　2.未明確巖土錨桿設計的安全系數及未搞清楚錨桿錨固體抗拔安全系數的真實含義，亦或采用了明確的錨桿設計安全系數，但未對其采用極限抗拔力試驗（標準的錨桿基本試驗）與驗收試驗來進行驗證。
　　（二）研究證實，前文所提及的兩種情況勢必會影響到錨桿工作的安全性。基于此論斷，本文以錨桿桿體抗拉安全系數偏小為研究對象展開討論。
　　1.錨桿桿體抗拉安全系數偏小可使鋼絞線的受力分布不均勻（此時各鋼絞線拉應力之間的差距約15%）及鋼絞線的截面積因外力腐蝕作用而呈減小趨勢，此時極易引起錨桿局部鋼絞線出現斷裂現象。
　　2．錨桿桿體抗拉安全系數偏小可能使鋼絞線過高及筋材松弛量過大，進而極易引起預應力損失超出允許標準。
　　3.若高抗拉強度鋼絞線的拉應力＞鋼絞線抗拉強度的3/5，其極易引起應力腐蝕或鋼絞線斷裂。
　　
　　二、錨桿設計的試驗與驗收標準
　　由前文可知，適宜的錨桿安全系數是錨桿結構設計必須考慮的重要內容，其中錨桿設計的合理性通常需采用基本試驗與驗收試驗進行嚴格的驗證，究其原因為錨桿承載力極易受到桿體制作質量、錨固地層的變化、注漿及錨桿鉆孔等工藝條件的影響。錨桿的基本試驗通常是指錨桿極限抗拔力試驗，其操作現場的地層條件必須與擬建工程的地層條件相同，同時還需嚴格執行國家有關規定。錨固工程施工之前通常需采用基本試驗來對錨桿設計進行驗證，由此確保錨桿設計的極限拉力值與有關設計要求基本相符。如果錨固工程隨意套用與擬建工程地層條件相當的錨桿基本試驗數據或未進行任何基本試驗便盲目開工，其必然使錨桿的安全度喪失被準確驗證的良好時機，由此極易增加錨桿安全工作的風險因素。
　　（一）據大量調查數據顯示，我國巖土錨固工程目前普遍選擇降低驗收試驗的標準。國家有關規范明確規定：“驗收試驗錨桿數量應≥錨桿總數的1/20，即≥3根。永久性錨桿試驗荷載的最大值應等于錨桿軸向拉力設計值的1.5倍，其中試驗荷載的最大值應與錨桿設計的安全系數呈一一對應關系。”如果嚴格按照上述要求設計驗收試驗的標準，其設計出的數據必定能夠證實工程錨桿的安全儲備與設計規定的安全系數大致吻合。然而針對我國眾多錨固工程未采取標準的驗收試驗等情況，本文主要從如下方面進行闡釋。
　　1.若永久性錨桿的張拉力達到拉力設計值的1.05倍~1.10倍，那么此錨桿設計可被判定為合格；若臨時性錨桿的張拉力達到拉力鎖定值或拉力設計值，其驗收結果可被判定為合格。若永久性錨桿僅＞設計值安全儲備的0.1倍，那么此永久性錨桿必定難以抵御凍融交替、暴雨侵蝕、地層開挖會變異荷載等環境改變的不良影響，同時也難以抵御錨桿局部腐蝕侵蝕現象對其安全工作狀態的不良影響。
　　2.目前我國城市基坑支護工程普遍存在錨桿初始預應力大幅度降低、基坑邊界位移量過大、基坑坍塌事故頻發等情況，研究證實上述諸多情況多由隨意降低錨桿驗收試驗標準所致。
　　3．我國現行錨桿標準明確規定：“若要判定錨桿驗收結果合格，必須具備如下充分條件，即以最大試驗作用為前提，錨桿的蠕變量及彈性位移皆要滿足國家有關規范的基本要求。”由此可見，錨桿驗收試驗降至初始荷載之前必須事先加載到能夠滿足蠕變率的最大試驗荷載，隨后再提升該初始荷載到鎖定荷載水平，同時做好相應的鎖定工作。圖2-1為錨桿荷載（P）-位移（S）曲線。
　　
　　備注：該圖所示的錨桿標準與國際錨桿標準的有關規定完全吻合，其中N1(KN)表示錨桿軸向拉力的設計值。
　　圖2-1錨桿荷載（P）-位移（S）曲線
　　（二）我國現行巖土錨桿設計標準明確規定：“受最大試驗荷載影響的錨桿彈性位移應＞錨桿自由長度理論彈性伸長值的4/5，同時應＜錨桿自由段長度+錨固段長度的1/2。其次就受最后一級荷載影響的錨桿而言，其在6min~60min以內的蠕變量應≤2.0mm。”對錨桿彈性位移的規定通常用來驗證錨桿的實際自由段長度與設計要求之間的吻合度，同時用來判定錨桿的正常工作狀態；對錨桿蠕變量的規定通常用來控制錨桿蠕變量在30min~50a以內≤12mm。綜上所述，如果能夠嚴格執行國家規定的驗收試驗標準，錨固工程及錨桿質量的安全性便可被提升至要求范圍以內。然而大量錨固工程調查數據顯示，我國錨桿設計驗收試驗尚存在諸多問題，其中多數工程根本不能夠提供完全滿足國家規范的驗收試驗資料。如果此現狀不能及時得到解決，其勢必會對我國錨固工程的安全性造成直接且深遠的影響。
　　
　　三、問題錨桿的處理
　　針對如何處理驗收不合格的錨桿，我國制定并出臺了《巖土錨桿（索）技術規程》（CECS22：2005），該規程對問題錨桿如何處理的規定預示著我國巖土錨桿標準化建設的進步。研究證實，巖土錨固工程安全鏈的完整性要求對錨桿設計的安全性、錨桿設計試驗與驗收、問題錨桿的處理一視同仁，即三者是不可分割的整體，缺一不可。《巖土錨桿( 索) 技術規程》(CECS22：2005)明確規定：“若錨桿設計驗收試驗不合格，則必須增加錨桿試件的數量，其中錨桿試件的增加數量要達到問題錨桿數量的3倍。此外應按照最大實際試驗荷載的1/2對問題錨桿進行鎖定，最后再根據問題錨桿與錨桿總量的比值來確定錨固工程錨桿的設計總抗力與實際總抗力之間的差值，進而對錨桿進行增補。”根據《巖土錨桿( 索) 技術規程》(CECS22：2005)的有關規定，本文針對如何處理不合格錨桿的問題引入如下（見圖3-1）錨桿驗收試驗與不合格錨桿處理框架圖。
　　
　　圖3-1錨桿驗收試驗與不合格錨桿處理框架圖
　　結合圖3-1及《巖土錨桿( 索) 技術規程》(CECS22：2005)，本文將做如下說明：
　　（一）若錨桿設計驗收試驗未達到臨時錨桿拉力設計值的1.2倍或永久錨桿的1.5倍是由錨桿驗收試驗的局部破壞所致，亦或錨桿設計驗收試驗能夠滿足國家驗收試驗規程對荷載的要求，但受最大試驗荷載影響的蠕變試驗不合格，此時皆應被認為該錨桿設計不合格。
　　（二）就不合格的錨桿而言，如果對錨桿預留有二次灌漿系統（補強系統），那么必須對二次灌漿完畢的錨桿進行補充驗收試驗，同時根據原驗收試驗標準對補充驗收試驗進行評定。如果錨桿結構未預留有二次灌漿系統，那么需根據最大實際試驗荷載值與錨桿抗拔安全系數的比值來對錨桿結構進行鎖定，同時可以把此荷載鎖定值歸納到原有錨桿設計的總抗力內。
　　（三）《巖土錨桿( 索) 技術規程》(CECS22：2005)規定：“根據不合格錨桿與錨固工程錨桿總量的百分比來計算出錨固工程錨桿設計總抗力與實際總抗力之間的差值，同時根據此差值來對錨桿數量進行增補。”針對此規定，大量研究證實，其要求對錨桿進行補償是非常必要的，同時也具有一定的合理性。此處提及的增補工序所產生的額外工程造價應由責任方全權負責。此項規定的意義為：針對不遵守國家規范而引起的錨桿質量缺陷，責任人必須承擔經濟責任，由此起到警示作用，同時也對工程后續施工安全起到防范作用。
　　
　　四、討論
　　綜上所述，錨桿是目前錨固支護的關鍵性結構，其作用機理方面與分類方面皆存有較大差異，同時錨桿被應用到不同錨固工程支護施工方面時，錨桿設計人員應該充分嚴格制定國家現行錨桿設計規程《巖土錨桿( 索) 技術規程》(CECS22：2005)。本文以巖土錨桿設計的安全性問題為研究對象，以巖土錨桿標準《巖土錨桿( 索) 技術規程》(CECS22：2005)為理論依據，主要從錨桿設計的安全系數、錨桿設計的試驗與驗收標準、問題錨桿的處理三大方面展開討論，以期提高我國錨固工程錨桿的設計水平。總體而言，此次研究可簡單歸納為如下四點：
　　（一）錨桿設計的安全系數、錨桿設計的試驗與驗收標準、問題錨桿的處理對巖土錨固工程的安全性具有直接性且長遠性的影響，換而言之，如果錨桿設計存有隨意降低錨桿的安全系數或錨桿的試驗驗收標準等行為，其勢必會影響到巖土錨固工程的安全性，甚至引發一系列工程安全事故。
　　（二）巖土錨桿設計的安全系數對巖土錨固工程安全性的影響至關重要。錨桿設計的安全系數應嚴格依據錨桿的工作年限和問題錨桿對公共安全的危害程度來確定。一般而言，臨時錨桿錨固體的抗拔安全系數應≥1.4~1.8；永久性錨桿錨固體應≥1.8~2.2。臨時錨桿桿體的抗拉安全系數應≥1.6；永久性錨桿桿體應≥1.8。
　　（三）錨桿設計的試驗與驗收標準是確保巖土錨固工程安全性的重要保障，其中就受最大試驗荷載影響的錨桿而言，其蠕變率與彈性位移是判定錨桿合格與否的關鍵性指標。針對如何處理問題錨桿，本文任何可通過增補錨桿來實現錨固工程的長期穩定。