自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用

劉慶元

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司 南方分院，深圳 518048)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)項目的高速發(fā)展，大量的錨固工程得到應(yīng)用，巖土錨固工程除在地下工程、邊坡工程、結(jié)構(gòu)抗浮工程、深基坑工程中繼續(xù)保持著良好的發(fā)展態(tài)勢外，在重力壩加固工程、橋梁工程以及抗傾覆、抗地震工程中也有了較大的進展。除了傳統(tǒng)的錨固結(jié)構(gòu)形式外，大量的新型錨固結(jié)構(gòu)不斷研制成功并得到應(yīng)用，例如塊硬水泥錨桿、擴頭地錨、屈服錨桿、自鉆式注漿錨桿、可回收錨桿、傳力可控型錨桿以及自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索等。

自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索是一種新型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，在錨固體系上施加主動荷載時，張拉荷載在錨具外表面處與錨固段產(chǎn)生的抵抗荷載(簡稱錨固荷載)平衡;張拉機具卸載過程中，各自鎖荷載之和與反力結(jié)構(gòu)上外錨頭的剩余荷載一起與錨固荷載進行平衡;當(dāng)自鎖器發(fā)揮作用且張拉機具全部卸載后，作用在反力結(jié)構(gòu)上的只有錨固荷載減去自鎖荷載后的剩余荷載，其內(nèi)力也相應(yīng)減小。

與普通錨固結(jié)構(gòu)相比較，自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力場具有三大特點:①反力結(jié)構(gòu)上的剩余荷載比錨固荷載小甚至為零，不但可減小反力結(jié)構(gòu)，而且反力結(jié)構(gòu)下地基應(yīng)力值也相應(yīng)減小，從而對坡面淺表層的巖土體干擾也小，可大幅減小因該部分巖土體變形調(diào)整引起的預(yù)應(yīng)力損失。②自鎖器對張拉段地層施加主動黏結(jié)應(yīng)力，且作用方向為沿錨索軸向朝向坡體內(nèi)部，有利于保持該部分巖土體的穩(wěn)定。③錨固荷載由自鎖荷載和反力結(jié)構(gòu)上的剩余荷載共同平衡，即錨固段抵抗能量場=張拉段自鎖能量場+附加能量場，能充分提高結(jié)構(gòu)各部分的利用率。

因此，自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)充分利用張拉段地層能量場，改善錨固應(yīng)力場分布，具有荷載分布均勻、降低反力結(jié)構(gòu)規(guī)?；蛉∠戳Y(jié)構(gòu)、施工便捷、延緩錨固荷載損失、預(yù)防預(yù)應(yīng)力錨索突發(fā)事故、節(jié)約造價、便于環(huán)保等優(yōu)點，在搶險工程和環(huán)境保護要求較高的領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)越性。

1 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計方法

1.1 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計參數(shù)

目前應(yīng)用較多的預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)有普通拉力型、普通壓力型、拉力分散型、壓力分散型以及拉壓復(fù)合型，主要是依據(jù)錨固段的結(jié)構(gòu)進行分類，與這些預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)類型相似，自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的設(shè)計也包括如下內(nèi)容:

1)錨固荷載計算

目前采用較多的是簡化的Bishop條分法，其計算公式為

式中 K——穩(wěn)定性系數(shù);

mi——傾角影響系數(shù);

ci——第i條土條的有效內(nèi)聚力，kN;

li——第i條土條沿滑裂面的長度，m;

Wi——第 i條土條的重力，kN;

F——巖土體的加固荷載，kN;

n——巖土體被分割的條塊數(shù);

θ——加固荷載F與水平面的夾角，°;

αi——第i條土條滑裂面與水平面的夾角，°;

φi——第 i條土條的有效內(nèi)摩擦角，°;

2)預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格、長度及錨固段長度計算

該部分設(shè)計計算包括鉆孔孔徑、鉆孔傾角、組成預(yù)應(yīng)力錨索的鋼絞線類型及束數(shù)、注漿體強度、錨固段長度和預(yù)應(yīng)力錨索總長度等，相關(guān)規(guī)范或文獻說明較多，本文不再贅述。

3)反力結(jié)構(gòu)計算

反力結(jié)構(gòu)對應(yīng)的剩余荷載為

其中，F(xiàn)為反力結(jié)構(gòu)上的作用荷載，kN。Fzi為第i單元的自鎖荷載，kN。

結(jié)構(gòu)設(shè)計方法則根據(jù)彈性地基梁法可計算出反力結(jié)構(gòu)的撓度ω、彎矩M和剪力Q分別為

式中 k——溫克爾地基系數(shù)，kN/m3;

λ——彈性地基的柔度特征值，m－1;且

x——沿梁長軸方向離梁端的距離，m;

b，Ec，I——分別為反力梁的寬度，m、彈性模量，kN/m2、慣性矩，m4。

然后可直接利用現(xiàn)行規(guī)范進行有關(guān)設(shè)計計算。

1.2 自鎖參數(shù)設(shè)計

自鎖參數(shù)設(shè)計是自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)新增的設(shè)計內(nèi)容，自鎖參數(shù)包括自鎖器離孔口的最小距離和各自鎖單元的自鎖段長度、自鎖荷載，其參數(shù)設(shè)計直接關(guān)系到自鎖荷載能否實現(xiàn)，從而實現(xiàn)自鎖錨固結(jié)構(gòu)的目的。

1)自鎖器離孔口的最小距離Lmin

由于在自鎖單元內(nèi)距離自鎖器較近的部位會出現(xiàn)應(yīng)力峰值，為了保證自鎖器的安全使用，其應(yīng)力峰值不應(yīng)超過孔周巖土體的抗剪強度，否則將引起孔周巖土體破壞，從而有可能導(dǎo)致自鎖失效，其應(yīng)力峰值τmax計算公式為

其中，F(xiàn)z1為第一單元(即靠近孔口單元)自鎖荷載，kN;D為錨固體的直徑，mm;φ為巖土體的內(nèi)摩擦角，°;μ為巖土體泊松比。

式(8)中，τmax及 Fz1均為未知量。為此，需先繪制孔周巖土體的抗剪強度τ0與軸方向距離孔口的距離y之間的曲線，然后參考第一單元自鎖荷載分擔(dān)錨固荷載的比例要求，分別繪制不同比例時對應(yīng)的 τmax水平直線，該水平直線與 τ0—y曲線的交點所對應(yīng)的y值即為該自鎖荷載時對應(yīng)的Lmin。綜合比較選擇合適的第一單元自鎖荷載，即可計算出自鎖器距離孔口的最小距離 Lmin。

2)自鎖段長度

當(dāng)張拉段地層為單一地層時，其自鎖段長度可采取均勻分布的方式，且

其中，lz為自鎖單元長度，m;Lz為張拉段長度，m;Lmin為自鎖器離孔口的最小距離，m;n為自鎖單元個數(shù)。

當(dāng)張拉段包含多種地層時，首先分別對張拉段長度和彈性模量進行加權(quán)平均，再按加權(quán)平均的彈性模量換算虛擬張拉段長度，然后對虛擬張拉段長度計算虛擬自鎖長度，最后依據(jù)彈性模量比換算成實際地層對應(yīng)的自鎖長度。假設(shè)張拉段包含m種地層，第i種地層對應(yīng)的長度為li，其彈性模量為 Ei，則有

其中，L'z為換算張拉段長度，m;E'為地層的換算彈性模量，MPa;l'z為換算自鎖單元長度，m;liz為第 i單元自鎖單元長度，m。

當(dāng)某一自鎖段跨越不同地層時，仍按彈性模量比進行換算，即虛擬自鎖長度減去前一地層的剩余虛擬長度后，再換算成對應(yīng)地層的實際長度。

3)自鎖荷載

對應(yīng)各自鎖單元的自鎖荷載計算公式可直接推導(dǎo)如下

式中 A，B均為簡化系數(shù)，

Ea——錨固體的換算彈性模量，MPa;

E——巖土體彈性模量，MPa;

z——各自鎖單元內(nèi)沿孔軸方向距離自鎖器的距離，m。

2 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的實施

自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的實施基本與常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索相同，實施的重點在于自鎖器的安裝和張拉鎖定兩個關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。

2.1 自鎖器的安裝

自鎖器的安裝步驟為:①根據(jù)設(shè)計資料確定每單元自鎖器的位置(若錨固段設(shè)計為荷載分散型的，自鎖單元應(yīng)與受力單元一致)，并在相應(yīng)鋼絞線張拉段上做出明顯標(biāo)志。②對于無黏結(jié)鋼絞線，應(yīng)在安裝自鎖器的標(biāo)志位置處開始向錨固端方向約10 cm段剝除PE套并將防腐油脂擦除干凈。③依次將鋼絞線、注漿管和回漿管穿過自鎖器，并將各單元自鎖器固定在標(biāo)志位置。

2.2 張拉鎖定

由于自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索為新型結(jié)構(gòu)，尤其是錨固荷載由自鎖荷載和反力結(jié)構(gòu)共同進行平衡，其張拉鎖定工藝與普通預(yù)應(yīng)力錨索有較大差異，具體施工工藝為:

1)張拉機具采用復(fù)合張拉系統(tǒng)，即主張拉機具和輔助頂推機具。主張拉機具可采用液壓千斤頂，而輔助頂推機具構(gòu)造如下:①承壓套由鋼質(zhì)材料組成，狀似中部開口圓筒，兩端面附有受力鋼板，并且在鋼質(zhì)圓筒外設(shè)有加勁鋼肋板。②固定裝置主要用于固定頂推系統(tǒng)，使其固定在承壓套上，并能自由工作。固定裝置主要采取滑動鍵槽結(jié)構(gòu)或螺栓結(jié)構(gòu)。③頂推系統(tǒng)主要為一小型液壓千斤頂，額定荷載為300 kN，行程為150 mm。復(fù)合張拉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2)首先從鋼絞線外露端頭分別裝上錨具、限位板，再安裝輔助頂推機具，最后安裝張拉千斤頂及工具錨和夾片，由于自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索按自鎖單元進行分單元張拉，因此工具錨內(nèi)只能安裝被張拉單元的夾片，而且為了實現(xiàn)自鎖效果，張拉過程中反力結(jié)構(gòu)上的錨具不能安裝夾片。

3)按照普通預(yù)應(yīng)力錨索的張拉規(guī)程對一個自鎖單元的鋼絞線進行張拉，自鎖單元的張拉順序為從坡體內(nèi)向外進行。

圖1 復(fù)合張拉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4)當(dāng)一個自鎖單元張拉至設(shè)計荷載并持壓穩(wěn)定后，對張拉千斤頂緩慢卸載，當(dāng)卸載至該單元的反力結(jié)構(gòu)上的剩余荷載時，停止卸載，并穩(wěn)定該荷載;然后在反力結(jié)構(gòu)上的錨具內(nèi)安裝該單元的夾片，啟動頂推系統(tǒng)，直至反力結(jié)構(gòu)上的錨具夾片鎖緊鋼絞線(一般情況下，夾片環(huán)行槽基本與錨具外表面平齊)，最后對頂推系統(tǒng)卸載。

5)按照3)和4)的操作方法依次對各自鎖單元進行張拉鎖定，即可完成對整根自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的張拉鎖定。

3 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的自鎖效果

為了探索自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的自鎖效果及運營狀況，選取福建省境內(nèi)某高速公路一處滑坡工程實例進行監(jiān)測，該滑坡錨固段地層為強風(fēng)化凝灰熔巖，張拉段地層為坡殘積土層及砂土狀強風(fēng)化凝灰熔巖，每根預(yù)應(yīng)力錨索采用3單元自鎖，自鎖荷載及注漿體軸向應(yīng)力(1斷面緊貼自鎖器，2斷面距離自鎖器1.5 m)監(jiān)測結(jié)果見圖2至圖7。

圖2 MS1單元自鎖荷載長期變化曲線

從上述長期監(jiān)測曲線可總結(jié)出如下規(guī)律:①自鎖荷載在鎖定的初期有一個小幅震蕩，然后呈緩慢衰減趨勢，半年后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明自鎖效果良好。②注漿體壓應(yīng)力與到自鎖錨固段底端距離成非線性關(guān)系，回歸公式可描述為σ=aebx(a、b分別為與荷載、孔周巖土體和錨固體材料力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù))。③壓力峰值出現(xiàn)在自鎖器的自鎖錨頭處，其峰值大小受巖土特性、注漿體與巖土界面黏結(jié)力、自鎖器位置和注漿體強度的影響而變化。

圖3 MS2單元自鎖荷載長期變化曲線

圖4 MS3單元自鎖荷載長期變化曲線

圖5 MS1單元注漿體軸向應(yīng)力長期變化曲線

圖7 MS3單元注漿體軸向應(yīng)力長期變化曲線

4 結(jié)論

自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)具有荷載分布均勻、降低反力結(jié)構(gòu)規(guī)?；蛉∠戳Y(jié)構(gòu)、施工便捷、延緩錨固荷載損失、預(yù)防預(yù)應(yīng)力錨索突發(fā)事故、節(jié)約造價、便于環(huán)保等優(yōu)點，在搶險工程和環(huán)境保護要求較高的領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)越性。工程實踐證明，自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索能有效實現(xiàn)錨固荷載的自鎖效果，其自鎖荷載變化趨勢與錨固荷載一致。自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的注漿體軸向應(yīng)力較之常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索有較大幅度的降低，有利于保持注漿體的整體性，在使用期限及防腐等方面具有明顯優(yōu)勢。自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索是一種新型結(jié)構(gòu)，對于張拉段地層強度較低的條件下其適用性與經(jīng)濟性需進一步探索。

［1］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，2002.

［2］尤春安，戰(zhàn)玉寶.預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布規(guī)律及分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(3):925-928.

［3］周忠海.關(guān)于對預(yù)應(yīng)力錨索加固效應(yīng)的看法［J］.山西建筑，2008，34(5):82-83.

［4］劉偉平，扶名福，羅小艷.錨索的極限抗拔力分析［J］.鐵道建筑，2010(5):74-75.

［5］付文斌，陳泰霖，王安明，等.壓力分散型錨索現(xiàn)場試驗與分析［J］.鐵道建筑，2009(12):86-88.

［6］張發(fā)明，陳祖煜，劉寧.巖體與錨固體間黏結(jié)強度的確定［J］.巖土力學(xué)，2001，22(12):470-473.