拉力型錨索預(yù)應(yīng)力損失機理分析及防治技術(shù)研究

武岳彪

摘要：預(yù)應(yīng)力錨索是一種主動支護結(jié)構(gòu)，通過主動施加預(yù)應(yīng)力，壓縮土體，改善巖土性能，提高其抗剪強度，充分發(fā)揮其自穩(wěn)潛力，有效控制結(jié)構(gòu)變形。近年來，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)發(fā)展突飛猛進，應(yīng)用日趨廣泛，然而因錨索預(yù)應(yīng)力損失而導(dǎo)致的損失或引發(fā)的事故屢見報端、觸目驚心，必須予以高度關(guān)注。本文在以前人對錨索預(yù)應(yīng)力損失的研究為支撐，進一步探索預(yù)應(yīng)力損失的關(guān)鍵因素，提出防治措施，增強預(yù)應(yīng)力錨索的可靠性、安全性與穩(wěn)定性。

Abstract： The prestressed anchor cable is an active supporting structure. By actively applying prestress， it compresses the soil， improves the geotechnical properties， improves its shear strength， fully exerts its self-stabilizing potential， and effectively controls the deformation of the structure. In recent years， the development of prestressed anchor cable technology has advanced by leaps and bounds， and its application is becoming more and more widespread. However， the loss or accident caused by the loss of prestressed anchor cable has been reported frequently and shocked， and must be highly concerned. This article is supported by previous research on the prestressed loss of the anchor cable， further explores the key factors of the prestressed loss， and proposes preventive measures to enhance the reliability， safety and stability of the prestressed anchor cable.

關(guān)鍵詞：拉力型錨索;預(yù)應(yīng)力損失;防治技術(shù)

0? 引言

預(yù)應(yīng)力錨索施工對土體擾動小、可以根據(jù)需要靈活設(shè)置、施工進度快、成本低，開挖后能及時主動支護，改善巖土應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)揮巖體自穩(wěn)能力，有效控制變形。近年來以其獨特的優(yōu)勢在邊坡工程加固、基坑支護工程中占據(jù)了越來越重要的地位，發(fā)揮了不可替代的作用。

預(yù)應(yīng)力錨索通過利用土體的自身阻抗去制約另一部分土體變形和結(jié)構(gòu)破壞，在施工時按照錨索設(shè)計計算時提出的預(yù)應(yīng)力施加值進行張拉和鎖定，以更好地發(fā)揮錨索的制約系統(tǒng)。然而，多年以來錨索預(yù)應(yīng)力損失的難題一直未能有效解決，因其機理復(fù)雜，影響因素眾多，一直是工程界關(guān)注的焦點，國內(nèi)外一些學(xué)者對此進行了一定的研究工作。

丁多文等人提出預(yù)應(yīng)力損失和巖體蠕變及錨鋼絞線松弛有一定的關(guān)系;陳安敏等人提出了錨索預(yù)應(yīng)力損失基于時間變化的估算方法;王清標(biāo)等人提出了預(yù)應(yīng)力基于巖土、砂漿蠕變的計算公式。張發(fā)明等人認為引起錨索錨固力損失的最主要因素是巖體的變形與施工質(zhì)量;徐湘濤等人發(fā)現(xiàn)，錨索鎖定時的預(yù)應(yīng)力損失影響最大。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失進行了一定的研究，從損失機理到計算模型至施工影響都做了全面的分析，但由于采集數(shù)據(jù)有限，研究理論還待進一步驗證和完善。

在研究機理尚不能全面掌握之際，通過分析影響預(yù)應(yīng)力損失的各種因素，從施工角度進行控制，通過數(shù)據(jù)積累，以現(xiàn)有理論為支撐，研究預(yù)應(yīng)力損失防治的技術(shù)，對進一步發(fā)揮錨索的技術(shù)優(yōu)勢有巨大的推動作用，促進錨索技術(shù)進一步成熟。

1? 預(yù)應(yīng)力錨索的作用機理

1.1 預(yù)應(yīng)力錨索的受力特點

錨索受力時錨固段漿體受拉并通過漿體將拉力傳遞給周圍地層，隨施加荷載的變化，預(yù)應(yīng)力錨索粘結(jié)應(yīng)力和受力部位也會隨之變化。與樁承載力作用機理相似，前期發(fā)揮摩擦力，當(dāng)摩擦力不足以支撐上部荷載時才發(fā)揮樁端承載力，錨索也類似，荷載較小時，主要由錨固段前端發(fā)揮粘結(jié)應(yīng)力，后段基本不發(fā)揮，隨著荷載增大，粘結(jié)應(yīng)力逐步后移，當(dāng)荷載持續(xù)增大時，粘結(jié)應(yīng)力峰隨之變大，主要由端部承受。

1.2 錨索預(yù)應(yīng)力損失變化規(guī)律

錨索的預(yù)應(yīng)力損失，主要分為瞬時損失和隨時間變化的長期損失。瞬時損失主要發(fā)生在張拉鎖定過程中，維持時間段，影響最大;長期損失一般經(jīng)過三個階段，第一階段是快速損失期，主要由鋼絞線松馳、砂漿徐變等引起，第二階段是波動變化期，呈現(xiàn)小幅波動，變化頻繁，第三階段是平穩(wěn)變化期，此時預(yù)應(yīng)力不在有大的波動，已趨于穩(wěn)定，按趨勢緩慢發(fā)展。

此外，當(dāng)周邊荷載增加、位移加大時錨索預(yù)應(yīng)力會有較大幅度增加，經(jīng)歷一段時間后可以接近鎖定值，但這種錨固力增量是一種被動增大的過程，反映了錨索預(yù)應(yīng)力損失設(shè)計不足或預(yù)應(yīng)力損失不足抵御巖土變形，只能通過位移被動受力，此情況應(yīng)盡量避免。

經(jīng)過分析，瞬間損失對錨索的性能削弱最為致命，影響最為關(guān)鍵，此后損失隨時間逐步趨緩，故應(yīng)科學(xué)施策防治預(yù)應(yīng)力瞬間損失，并以此作為預(yù)防預(yù)應(yīng)力損失的重中之重。

2? 防治錨索預(yù)應(yīng)力損失技術(shù)研究

目前對于錨索預(yù)應(yīng)力損失的研究尚不成熟，本文主要以前人研究的理論為指導(dǎo)，從施工角度進行控制、分析，提出防治預(yù)應(yīng)力損失的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 預(yù)防預(yù)應(yīng)力損失的準(zhǔn)備工作

2.1.1 加大錨索自由段長度

錨索自由段長度越長，預(yù)應(yīng)力損失越小，錨索拉力越穩(wěn)定。若自由段長度過短，則對錨索施加預(yù)應(yīng)力后，錨索彈性位移較小，錨頭一旦出現(xiàn)松動，可能會造成較大的預(yù)應(yīng)力損失越大。建筑基坑支護規(guī)程中對錨索自由段長度做了明確的規(guī)定：

a為錨索傾角;

a1為錨索至基坑底面的垂直距離;

a2為基坑內(nèi)外側(cè)土壓力等值點位置。

錨索自由段長度除了滿足本條規(guī)定外，尚需滿足不小于5m的規(guī)定，且應(yīng)穿過潛在滑動面進入穩(wěn)定巖層不小于1.5m，此外錨索總長度還應(yīng)考慮外錨頭的長度，必要時方便補張拉。為減少錨索銹蝕，可以對錨索外露部分進行防腐處理，但不建議直接封錨，否則無法正常補張拉。

2.1.2 選擇性能匹配的錨具，減少回彈量

錨索張拉后，當(dāng)千斤頂卸荷時，是靠工作錨板來鎖定的，鎖定過程中絞線會發(fā)生回縮，而回縮量則表征了預(yù)應(yīng)力損失的大小，這可據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）規(guī)定計算：

L為錨索自由段長度;

Ey為桿體彈性模量;

A為桿體截面積。

根據(jù)上式可知，錨具的回彈量與預(yù)應(yīng)力損失成正比，鋼絞線的自由段長度與與預(yù)應(yīng)力損失成反比，故一定要選擇性能匹配的錨具，控制鋼絞線的回彈量，降低預(yù)應(yīng)力鎖定瞬間的損失。

2.2 施工過程預(yù)防措施

2.2.1 減少巖土結(jié)構(gòu)擾動 ，確保錨固效果錨索

錨索的優(yōu)點之一是施工時對巖土結(jié)構(gòu)的擾動小，未造成其結(jié)構(gòu)破壞。由于邊坡工程通常采用自上而下的分步開挖措施，巖體的開挖卸載，形成較大的臨空面，巖體內(nèi)部應(yīng)力得以釋放，巖體向臨空面方向發(fā)生變形，從而導(dǎo)致支擋體系承受較大壓力。因此，應(yīng)邊挖邊錨做好防護，減少巖體的變形，增加錨索的錨固效果。

2.2.2 做好鉆孔定位，減少孔斜率對錨固力損失的影響

錨索一般以傾斜的角度嵌入土（巖）體進行錨固，鉆孔的角度和方位控制極為重要，對錨索的預(yù)應(yīng)力發(fā)揮至關(guān)重要。若控制不當(dāng)，角度產(chǎn)生偏差，則錨索安裝時會在鉆孔精度偏差的影響下與孔壁產(chǎn)生一個甚至多個接觸點，導(dǎo)致張拉過程中產(chǎn)生摩擦力，依據(jù)錨索的受力特點，摩擦力將影響錨索粘結(jié)應(yīng)力的發(fā)揮和轉(zhuǎn)移，從而造成錨固力轉(zhuǎn)移過程發(fā)生較大損失，不利于控制變形。通過研究及數(shù)據(jù)分析可知，預(yù)應(yīng)力損失量與鉆孔斜率和施加的張拉值有較大的關(guān)系，計算關(guān)系式如下：

據(jù)上式可知，在施加的張拉力一定時，鉆孔斜率越大，預(yù)應(yīng)力損失也越大。鉆孔時一定要反復(fù)查驗錨索的鉆孔角度，確保方位準(zhǔn)確，把錨索的鉆孔精度控制在0.5%以內(nèi)，錨索桿體放置后不能晃動，利用定位支架居中，避免錨索偏位，甚至與孔壁接觸，造成較大摩擦力。

2.3 錨索張拉及鎖定

錨索張拉鎖定是施工階段控制預(yù)應(yīng)力瞬間損失的關(guān)鍵步驟，應(yīng)科學(xué)、嚴(yán)謹?shù)目刂?。錨索正式張拉前，應(yīng)對預(yù)應(yīng)力錨索施加0.2倍拉力設(shè)計值進行1～2次試張拉，通過施加低荷載使鋼絞線緊繃受力，確保各部位接觸緊密。錨索預(yù)應(yīng)力的瞬間損失，錨具等彈性回縮影響較大，但張拉時的損失依然不容忽視。

2.3.1 選擇合理的張拉順利和適當(dāng)?shù)淖畲髲埨?/p>

錨索張拉之前必須要依據(jù)試錨的情況結(jié)合規(guī)范要求及同類項目的成功經(jīng)驗制定合理的順序，采用分步、逐級加荷、施放循環(huán)、對稱的方式進行張拉。對于多束錨索的，應(yīng)選擇合適的設(shè)備同步張拉，當(dāng)同一排有多個錨索時應(yīng)對稱張拉。若未采取分步張拉，則后續(xù)張拉的錨索時在施加應(yīng)力時，由于壓應(yīng)力突然增大，致使之前張拉部分已受壓的土體進一步壓縮變形，造成已張拉鎖定毛多的預(yù)應(yīng)力損失，為防止后續(xù)張拉造成已張拉的錨索應(yīng)力釋放、預(yù)應(yīng)力減少，最好配備兩臺甚至多臺設(shè)備間隔、對稱張拉，減少相互之間的干擾。

對于錨索最大張拉值，由于作用場所等不用，作用機理有差異，故各類規(guī)范中提出的標(biāo)準(zhǔn)都不相同，《巖土錨索與噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》中臨時性錨索的最大張拉力應(yīng)取錨索設(shè)計值的1.1倍，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中臨時性錨索的最大張拉力應(yīng)取錨索設(shè)計值的1.05～1.1倍，而《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定最大張拉力應(yīng)按檢測值（一級1.4倍、二級1.3倍、三級1.2倍）執(zhí)行。由于一般基坑對變形控制要求較高，結(jié)合多年施工實踐認為，基坑支護規(guī)程中的規(guī)定較為合理，通過張拉試驗一是通過張拉實現(xiàn)對每根錨索質(zhì)量檢測，當(dāng)錨索質(zhì)量不足時可以及時發(fā)現(xiàn)，以免留下質(zhì)量隱患，二是可檢測在設(shè)計荷載下錨索各連接節(jié)點的可靠性。

2.3.2 張拉位移的監(jiān)測

錨索張拉時的加荷級數(shù)不少于5級，加荷速度按50kN/min～100kN/min，每級荷載10min的持荷時間內(nèi)，按1、3、5、10min 測定錨索位移。在張拉時最大張拉值的控制和表征錨索質(zhì)量的伸長量檢測極為關(guān)鍵。

拉力型錨索彈性變形，按照試驗標(biāo)準(zhǔn)，在施加最大試驗荷載時，彈性位移量應(yīng)超過該荷載下錨索自由段按照理論計算的理論彈性伸長值的80%，且小于按理論計算的錨索自由段的彈性伸長量與1/2錨固段彈性伸長量之和，方為合格。

P：預(yù)應(yīng)力錨索張拉力;

L：預(yù)應(yīng)力錨索自由段長度（預(yù)應(yīng)力錨索自由段長度+1/2錨固段段長度）;

A：預(yù)應(yīng)力錨索面積;

E：預(yù)應(yīng)力錨索彈性模量。

錨索張拉是錨索鎖定前的最后一道工序，也是檢測錨索質(zhì)量最直觀的方式，張拉過程應(yīng)做好記錄，若錨索位移出現(xiàn)突變應(yīng)高度警惕，及時分析原因，采取二次高壓注漿等措施進行彌補，若發(fā)現(xiàn)錨索質(zhì)量不足時應(yīng)采取其他加固措施。堅決不允許在張拉異常下草草鎖定，給工程安全埋下隱患。

2.3.3 錨索鎖定

錨索的設(shè)計鎖定值一般是設(shè)計拉力值的0.75～0.9倍，這是由錨索的作用機理決定的，若鎖定值過小，錨索要發(fā)生位移才能逐步發(fā)揮預(yù)應(yīng)力，成為被動受力，違背錨索主動支護的初衷，若鎖定值過大則土體開挖過程中增加的荷載逐步達到鎖定值，直至超過鎖定值，但這個過程中描錨索會缺少變形量，破壞前預(yù)兆大大減少，會變成一種脆性破壞，不利于危險防范。

錨索鎖定后既要能發(fā)揮主動支擋作用，控制支護結(jié)構(gòu)變形，也要允許有充分的伸縮，直觀的反映結(jié)構(gòu)位移。鑒于當(dāng)前城市建設(shè)如火如荼，高樓群集、管線密布，周邊環(huán)境復(fù)雜，各種因素都對變形控制提出更高的要求，故此鎖定值應(yīng)盡量取大值，并應(yīng)充分考慮錨索張拉的瞬間損失、孔壁影響損失、巖體蠕變等隨時間變化損失的各種因素，鎖定值按設(shè)計鎖定值的1.15倍控制，減少錨索的預(yù)應(yīng)力損失，更好的限制位移，在此過程中應(yīng)做好監(jiān)測，密切關(guān)注錨索預(yù)應(yīng)力變化和基坑的位移變化。

2.4 預(yù)應(yīng)力錨索的維護工作

前文已分析了錨索經(jīng)歷瞬間損失后，還要隨時間進行三個階段的變化，為此要采取措施做好防范，減少錨索預(yù)應(yīng)力隨時間的變化。

2.4.1 做好截排水，減少降雨影響

降雨對錨固力有較為顯著的影響，由于滑動面遇水后抗剪強度和內(nèi)摩擦角等巖土性能降低，導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力損失。同時，計算土壓力可知，降雨滲透侵入后，采用水土分算，土壓力會有成倍增加，形成錨固力和土壓力此消彼長的對立變化，給基坑安全帶回極大威脅，所以施工時一定要做好截水、排水設(shè)施。

2.4.2 做好基坑巡視與監(jiān)測，保障錨索安全

錨索預(yù)應(yīng)力是按照特定工況設(shè)計的，但是施工中經(jīng)常會出現(xiàn)基坑周邊堆載的情況，增加土壓力，以致在基坑支護的安全儲備消耗殆盡后發(fā)生破壞，所以必須要嚴(yán)禁私自在基坑周邊堆載和增加動荷載的行為。巡視還應(yīng)密切關(guān)注基坑周邊場地裂縫，要及時修補，防止水流滲入，降低巖土性能，增加荷載。認真查看錨頭情況，防止開挖時拖拽破壞或銹蝕、松動，都要及時采取措施。

3? 結(jié)論

①影響錨索錨固力損失的因素眾多，預(yù)應(yīng)力損失分為瞬時損失和隨時間變化的損失。預(yù)應(yīng)力瞬時損失最為嚴(yán)重，應(yīng)作為施工控制的重點，預(yù)應(yīng)力隨時間變化的損失影響因素多，在施工中應(yīng)密切關(guān)注，做好巡視和監(jiān)測，做好各項措施對錨索進行保護。

②緊抓錨索施工重要時機。邊坡土方開挖后，土體應(yīng)力釋放，巖土性能有一定的降低，必須要保證錨索施工的及時性，并在錨索鎖定后，能有效約束土體變形后才能開挖下層土體。

③科學(xué)嚴(yán)謹做好施工過程控制，盡力減少錨索預(yù)應(yīng)力瞬間損失。嚴(yán)格控制錨索的鉆孔精度減少摩擦，降低預(yù)應(yīng)力沿程損失;按照同步、對稱的方式分步張拉錨索，張拉的最大值要達到檢測值，做好位移觀測，全面掌握錨索性能;按1.15倍的鎖定值進行超張拉鎖定，以抵消部分預(yù)應(yīng)力損失。

④做好截排水，防止水流滲透，降低巖土性能指標(biāo);維護過程中要加強巡視和監(jiān)測，及時修補裂縫，對損壞的支擋結(jié)構(gòu)及時修補，減少預(yù)應(yīng)力隨時間變化的損失和應(yīng)對突發(fā)情況造成的錨索破壞。

⑤錨索預(yù)應(yīng)力損失機理復(fù)雜，至今仍是工程界研究的熱點，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，注重結(jié)合理論從工程施工角度進行防范，取得了一定成果，但數(shù)據(jù)采集有限，仍需進一步研究，共同推動錨索預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]王清標(biāo)，張聰，王輝，等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失與巖土體蠕變耦合效應(yīng)研究[J].巖土力學(xué)，2014（8）：18-22.

[2]張發(fā)明，趙維炳，劉寧，等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固荷載的變化規(guī)律及預(yù)測模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（1）：39-43.

[3]陳安敏，顧金才，沈俊，等.軟巖加固中錨索張拉噸位隨時間變化規(guī)律的模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（2）：251-256.

[4]JGJ120-2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[5]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)[S].

[6]GB50086-2015，巖土錨索與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范[S].