国内预应力锚杆(索)防护要求与存在的问题

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1、引言
    近10年来，预应力锚索加固技术已广泛应用于建筑结构物加固、边坡治理、大型地下洞室及深基坑支护等工程。随着我国基础工程建设项目的迅猛发展，可以预见，预应力锚索加固技术将获得更为广泛的应用。
    然而，根据国际后张预应力协会(FIP)的35例锚杆锚索腐蚀破坏实例的分析及我国近30a预应力锚索应用情况的调查，在高拉应力作用下，预应力筋会出现应力腐蚀，如法国米克斯坝，有几根13000kN承载力的锚杆仅使用几个月就发生断裂。我国梅山水电站的无粘结监测锚索(924绝缘胶浸泡及2～3层沥青麻袋包裹)在运行4～6a，先后有3束锚索因应力腐蚀兼氢脆而导致钢丝断裂。
    国际学术界和工程界进行了大量的研究，制定了一系列强制性规定，我国学术和工程界起步较晚，设计、施工和使用均存在一定的随意性，各部门各行业的规定也不同，与国际规范的差距较大。
    2、岩土锚杆(索)的腐蚀特点
    岩土锚杆(索)所在的特定介质环境和高拉应力特点，使未经防腐或防腐不当的锚杆(索)发生腐蚀，甚至导致破坏。根据钢筋腐蚀的不同机理，一般分为应力腐蚀、氢脆、化学腐蚀和电化学腐蚀。
    国际后张预应力协会(FIP)地锚工作小组收集到了35例预应力锚杆(索)腐蚀破坏实例，并对其破坏的原因进行了统计分析。
    可以看出，其中永久锚杆(索)占69%，临时锚杆占31%，锚杆使用期在2 a以内和2 a以上发生腐蚀断裂的各占一半。
    锚索破坏的原因分析如下：
    （1）锚固段问题 两例都是由于锚固段内灌浆不足所致，其中一例是3m长的钢绞线受含硫酸盐和氯化物的地下水侵蚀，灌浆施工缺少压水检查和施工不当导致锚固段灌浆不足。
    （2）自由段问题 大致分为以下5种破坏形式：(a)地层运动造成拉筋超应力，使其产生裂纹；(b)在有氯化物的情况下，水泥浆包裹不足或无水泥浆；(c)由于耐久性差导致沥青包裹层破坏；(d)保护材料选择不当，如化学材料中含有硝酸根离子和吸湿玛碲脂；(e)所有拉筋在无保护情况下存放了很长时间。
    （3）锚头问题 主要是缺乏防腐措施或工作期间保护剂充填不完全或塌落。
    表1 35例地锚腐蚀破坏实例统计分析
    3、中国规范中关于预应力锚杆(索)防护要求
    3.1水工预应力锚固设计规范(SL212-98)
    这是国家水利部发布的行业标准：
    （1）预应力锚固中的锚杆(索)体，可按表2的标准进行防腐、防锈处理；
    （2）锚杆(索)体防腐防锈处理时，所使用的材料及其附剂中不得含有硝酸盐、亚硝酸盐、硫氰酸盐等，氯离子含量不得超过重量的0.02%；
    （3）预应力锚杆(索)采用水泥砂浆或水泥浆作为封孔灌浆或胶结材料时，应符合水工预应力锚固设计规范。掺加的减水剂、早强剂、膨胀剂中对钢材有腐蚀作用的物质含量也应符合第(2)条的规定；
    （4）无粘结预应力锚杆(索)锚固段所使用的胶结材料也满足第(3)条的规定。对于张拉段也必须采用水泥浆或水泥砂浆进行全孔封闭防护；
    （5）封孔灌浆后，锚索应有大于20 mm的保护层厚度。
    表2 预应力锚杆(索)的防腐、防锈标准
    注：A级防护材料，如石灰水、防腐油；B级防护材料，塑态防护，如凝胶、树脂或防锈油脂； C级防护材料，刚性防护，如水泥浆或水泥砂浆。
    3.2 锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB50086-2001)
    这是国家建设部和国家质量监督检验检疫总局联合发布的国家最新统一标准：
    （1）预应力锚杆的锚固段灌浆体宜选用水泥浆或水泥砂浆，其抗压强度不宜低于30MPa。压力分散型锚杆锚固段灌浆体抗压强度不宜低于40MPa；
    （2）锚固段内的预应力筋每隔1.5～2.0m应设置隔离架。永久性的拉力型或拉力分散型锚杆锚固段内的预应力筋宜外套波纹管，预应力筋的保护层厚度不应小于20mm。临时性锚杆预应力筋的保护层厚度不应小于10mm；
    （3）自由段内预应力筋宜采用带塑料套管的双重防腐，套管与孔壁间应灌满水泥砂浆或水泥净浆；
    （4）预应力锚杆体内的绑扎材料不宜采用镀锌材料；
    （5）灌浆料可采用水灰比0.45～0.50的纯水泥浆，也可采用灰砂比为1∶1，水灰比为0.45～0.50的水泥砂浆；
    （6）当采用自由段带套管的预应力筋时，宜在锚固段长度和自由段长度内采取同步灌浆；
    （7）当采用自由段无套管的预应力筋时，应进行两次灌浆。第一次灌浆时，必须保证锚固段长度内灌满，但浆液不得流入自由段。预应力筋张拉锚固后，应对自由段进行第二次灌浆；
    （8）永久性预应力锚杆应采用封孔灌浆，应用浆体灌满自由段长度顶部的空隙。
    3.3 土层锚杆设计与施工规范(CECS 22∶90)
    此规范由中国工程建设标准化协会批准的，属协会标准。
    关于锚杆设计，规定使用年限2 a以内的锚杆，可按临时性锚杆设计；使用年限大于2 a的锚杆，应按永久性锚杆设计。
    对原材料，有以下规定：
    (1) 塑料套管材料应具有足够的强度，保证其在加工和安装过程中不致损坏，具有抗水性和化学稳定性，且与水泥砂浆和防腐剂接触无不良反应；
    (2) 隔离架应由钢、塑料或其他对杆体无害的材料组成，不得使用木质隔离架；
    (3) 防腐材料应满足∶在锚杆服务年限内，应保持其稳定性；在规定的工作温度内或张拉过程中不得开裂，变脆或成为流体；不得与相邻材料发生反应，应保持其化学稳定性和防水性；不得对锚杆自由段的变形产生任何限制；
    (4) 水泥浆体材料应满足：水泥宜使用普通硅酸盐水泥，必要时可采用抗硫酸盐水泥；不得使用高铝水泥；细骨料应选用粒径小于2 mm的中细砂，砂的含泥量按重量计不得大于3%，砂中所含云母、有机质、硫化物及硫酸盐等有害物质的含量，按重量计不宜大于1%；
    (5) 混合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质，不得使用污水，永久性锚杆不得使用pH值小于4.0的酸性水和硫酸盐含量按SO4计算不超过水重1%的水；
    (6) 水泥浆中氯化物的总含量不得超过水泥重量的0.1%，一般不宜采用膨胀剂。
    本规范由专章对锚杆防腐提出了要求，要求对腐蚀环境进行充分的调查，防腐方法必须适应使用目的，对锚头，自由段和锚固段应分别对待，规定永久性锚杆必须进行双层防腐，当腐蚀环境特别严重时，临时锚杆也应采用双重防腐。
    4、国外关于预应力锚杆(索)防护要求
    经初步查阅有关文献，由于起步较晚，我国岩土锚固规范对锚杆(索)防护的要求与国际规范差距主要表现在：
    (1)对地层侵蚀性的检测与确定；
    (2)锚杆的防腐级别和方法，尤其表现在永久性防护措施如灌浆材料和线材要求方面；
    (3)施工后防蚀能力确定。
    从发展过程来看，美国已经历了5个发展阶段
    (1)固定段钢绞线无保护；
    (2)使用单一波纹管；
    (3)使用树脂膜包裹钢绞线，再分两次灌浆；
    (4)使用环氧树脂包裹，再灌满环氧树脂锚固端；
    (5)使用环氧树脂包裹，再灌满环氧树脂锚固端，再加一层保护管。
    美国PTI建议地锚分为1级(防腐蚀)和2级(非防腐蚀)，其中1级使用波纹管及环氧树脂等材料保护。且建议，尤其是水坝工程，应使用树脂包裹钢绞线及灌树脂浆。
    国际后张预应力协会(FIP)1986年规范规定，永久性地锚采用单层波纹管内灌树脂浆或双层波纹管内灌水泥浆保护。
    荷兰、南非等国规范均规定使用树脂浆。英国BSI规范、德国DSI工法、日本SEEE工法等国规范规定使用单一PE波纹管内灌树脂浆。树脂浆的种类大体分为3类：
    (1)不饱和聚酯树脂，可加水泥、炉石粉、细纱、石粉；
    (2)环氧树脂；
    (3)多元聚乙烯树脂，可加水泥、炉石粉、细纱、石粉。
    钢绞线安装灌浆后，FIP1996、瑞士1997、欧盟19个国家均采用欧洲标准EN1537∶1999规范，要求所有工作锚索施工前后均采用数字高阻计进行绝缘电阻检测，以确保其防蚀功能。
    5、建议
    综上所述，我国岩土锚固规范(即使是最新的国家规范)中对锚杆(索)耐久性的要求相对较低，可操作性差，与当前国际发展水平相差较大，结构的安全性重点放在各种结构强度要求上，而对环境因素(如工程周围水，土中有害化学介质侵蚀等)下的耐久性要求则相对考虑较少。这一方面是由于此类结构在我国应用时间不长，失事几率较小；另一方面，我国有关规范要求零散，不具体明确。此外，与我国的经济发展水平较低和国内学者的不同认识有一定的关系，导致工程决策时过多考虑当时的费用所致。
    随着我国基本建设的发展，工程结构耐久性问题已经引起高度重视，但目前仍主要集中在混凝土结构的耐久性方面，作为土建结构重要组成部分的岩土预应力锚杆(索)工程的耐久性问题的研究和重视，理应引起相关研究、设计和实践部门的高度重视。