預(yù)應(yīng)力單孔復(fù)合壓力分散型錨桿的明顯優(yōu)勢

牛義昌，張建成，胡延海

1.鄭州中核巖土工程有限公司，河南 鄭州 450002

2.河南省有色工程勘察有限公司，河南 鄭州 450052

0 引言

通過在地層中埋設(shè)錨桿，使其與地層緊密結(jié)合在一起，依賴桿體與周圍地層的抗剪強度傳遞桿體的拉力或使地層自身得到加固，就是巖土錨固技術(shù)[1]。

1934年至20世紀(jì)70年代是巖土錨固技術(shù)快速發(fā)展的時期，在這一時期出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力錨桿，使錨桿的作用發(fā)揮的淋漓盡致，涉及到了工程領(lǐng)域的各個方面，除了在傳統(tǒng)的邊坡工程、深基坑支護、地下工程領(lǐng)域以外錨固技術(shù)已經(jīng)深入到結(jié)構(gòu)抗浮工程、重力壩加固工程、橋梁工程及抗傾覆、抗震工程中。

通過將早期張拉的錨桿固定在結(jié)構(gòu)物或剛性面板上對錨桿施加預(yù)應(yīng)力，這就是預(yù)應(yīng)力錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿較非預(yù)應(yīng)力錨桿有很大的優(yōu)勢：安裝后能及時提供支護抗力，使巖土體處于三軸應(yīng)力狀態(tài)；控制地層與結(jié)構(gòu)物變形的能力強；按一定密度布置錨桿，施加了預(yù)應(yīng)力后能在地層內(nèi)形成壓縮區(qū)；施加預(yù)應(yīng)力后能明顯提高潛在滑動面和軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度；張拉工序能檢驗錨桿承載力，質(zhì)量易保證。

1 單孔復(fù)合錨固體系

到了20世紀(jì)80年代單孔復(fù)合錨固技術(shù)，首先在英國、日本等發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用[2]。有關(guān)專家通過對硬粘土中錨桿的實驗得出了堅硬粘土中錨桿固定長度與結(jié)合有效因子fc的關(guān)系曲線，該曲線表明，當(dāng)使用短的（2.5m～3.5m）固定長度時，綜合有效因子為0.95～1.0幾乎能完全發(fā)揮粘土的抗剪強度，隨著固定長度的增加，有效因子fc快速降低，當(dāng)固定長度增加到25m時，有效因子降至0.25,可見并不是錨固長度越大越好。

圖1 單根錨桿與復(fù)合粘結(jié)應(yīng)力峰值對比

傳統(tǒng)的巖土錨固方法不能將荷載均勻分布于固定長度上，會產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于粘結(jié)應(yīng)力分布的不均勻性，隨著錨桿上荷載的增大，在荷載傳至固定長度最遠(yuǎn)端之前，桿體與灌漿體或灌漿體與土層界面上就會發(fā)生粘結(jié)效應(yīng)逐步弱化或脫開的現(xiàn)象。為了從根本上改變集中拉力型錨固方法的弊端，英國、日本等國家已先后開始研究單孔復(fù)合錨固方法――在同一個鉆孔中安裝幾個單元錨桿，而每個錨桿都有自己的桿體，自由長度和錨固長度，而且承受的荷載也是通過各自的張拉千斤頂施加的，并通過預(yù)先的位移補償張拉（補充各單元錨桿在同等荷載作用下因自由段長度不等而引起的位移差），而使所有單元錨桿始終承受相同的荷載。

這種新型錨固體系，可將集中荷載分散為幾個較小的荷載，作用于固定段的不同部位，使粘結(jié)應(yīng)力峰值大大降低，因單元錨桿的固定長度很小，不會發(fā)生粘結(jié)效應(yīng)逐步弱化，能使粘結(jié)應(yīng)力均勻分布于整個固定長度上，最大限度地調(diào)用整個錨桿固定長度范圍內(nèi)的地層強度，錨桿長度可隨固定長度的增長而成比例提高（見圖1）。

在高港新機場建設(shè)中，采用單孔復(fù)合錨固創(chuàng)造了土錨承載力的新記錄，位于砂和完全崩解的花崗巖地層中，錨桿鉆孔內(nèi)設(shè)置7個單元錨桿，單元錨桿的固定長度分別為3m和5m，總固定長度長30m，在3000kN荷載作用下，未見異常變化。

拉力型與壓力型錨桿的主要區(qū)別是在錨桿受荷載后其固定段內(nèi)的灌漿體分別處于受拉或受壓狀態(tài)。拉力型錨桿的強度是依靠桿體與灌漿體之間的粘結(jié)應(yīng)力產(chǎn)生的，由固定段與自由段交界處向底端傳遞，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)此應(yīng)力大于桿體與漿體間的握裹力時就會出現(xiàn)張拉裂縫，甚至是整體破壞，且桿體直接與漿體接觸，防腐性能也比較差。壓力型錨桿借助無粘性鋼絞線或帶套管鋼筋使之與灌漿體隔開和特制的承載體將荷載直接傳至底部的承載體由底端向固定段的頂端傳遞。這種錨桿受拉力時通過承載體傳到漿體上的是壓應(yīng)力，所以漿體不易開裂，適用于永久性工程。

國外有研究資料表明：施加相同的荷載，拉力型錨桿固定段上的應(yīng)變值要比壓力型錨桿大。壓力型錨桿由于受到灌漿體自身強度的限制，單個錨桿也不能提供很高的承載力。為了解決這個問題，出現(xiàn)了壓力分散型錨桿—即在一個鉆孔中設(shè)置多根桿體，它們有自己獨立的錨固段、自由段，獨立發(fā)揮作用，又不失為一個整體。由圖3可見拉力型錨桿的軸力峰值遠(yuǎn)大于壓力分散型錨桿，而在拉力型錨桿上更易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。需要指出的是壓力分散型錨桿施工工藝復(fù)雜且成本較高對于工程實際應(yīng)用需要還需綜合考慮。

3 結(jié)論

由以上的分析可見，預(yù)應(yīng)力單孔復(fù)合壓力分散型錨桿有以下優(yōu)點：

1）可以提供較大承載力；澳大利亞已經(jīng)出現(xiàn)了由65根直徑15.2mm，的鋼絞線組成單孔復(fù)合錨固體系，單孔極限承載力已經(jīng)達(dá)到16500kN；

2）由于施加了預(yù)應(yīng)力，它可以變被動為主動，在巖土體還未發(fā)生位移之前就提前給其提供了一個主動的壓力，發(fā)揮了巖土體自身的強度，有效控制了巖土體變形；

3）壓力分散型錨桿有各自獨立的錨固段、自由段，能將軸力均勻地分布在每個桿體上，不會出現(xiàn)某一個點應(yīng)力特別集中的情況，能有效防止桿體與漿體之間由于剪應(yīng)力大于握裹力而產(chǎn)生的裂縫和破壞；

4）由于有套管的保護，桿體不直接與漿體接觸，防止了漿體對桿體的腐蝕，增長了錨桿的壽命，對于永久性工程更加實用。

[1]程良奎，范景倫，韓軍，許建平.巖土錨固[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]中國巖土錨固工程協(xié)會.巖土錨固新技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]龔曉南,高有潮.深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.