預(yù)應(yīng)力錨索在設(shè)計中的參數(shù)取值及分析

【摘 要】預(yù)應(yīng)力錨索是一種對巖土體擾動小、施工較快捷、安全可靠性較高，又十分經(jīng)濟(jì)的巖土體加固技術(shù)，本文通過對錨索設(shè)計中相關(guān)問題的探討，引入了錨固長度的計算公式，以及最優(yōu)錨固角的選擇確定，對錨索預(yù)應(yīng)力損失這一問題做了相關(guān)深入的了解，并在其設(shè)計中給出了合理化的建議。

【關(guān)鍵詞】錨固長度；最優(yōu)錨固角；預(yù)應(yīng)力損失

1 引言

自從阿爾及利亞的Cheurfas大壩首次使用預(yù)應(yīng)力錨索以來，已發(fā)展了近70年。預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)利用錨固段施加預(yù)應(yīng)力，可提高巖土體的整體強(qiáng)度，并且相對其它工程措施有效的減少了對巖土體的擾動。所以目前預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)工程中應(yīng)用的越來越廣泛，逐漸成為最為高效和經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)，并且得到了各行各業(yè)的高度重視并得以迅速發(fā)展。

錨索是由錨桿演化而來的，因此，從一定意義上來說，可將錨索定義為高承載力的錨桿。根據(jù)構(gòu)成劃分，錨索結(jié)構(gòu)一般由錨頭、錨索體和外錨頭三部分共同組成；根據(jù)用途劃分，預(yù)應(yīng)力錨索體由錨梁、自由段、錨固段和安全段四部分組成。為了達(dá)到預(yù)應(yīng)力這個目標(biāo)，錨索采用了高強(qiáng)鋼材—鋼絞線，而且在施工中必須有一道重要工序—預(yù)應(yīng)力張拉。在預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計過程中，參數(shù)選取、應(yīng)力損失等一些問題，不得不引起重視，下面我們分開進(jìn)行相關(guān)問題的討論。

2 預(yù)應(yīng)力的參數(shù)問題

錨索設(shè)計承載力、錨索極限承載力、錨索安全系數(shù)，這些參數(shù)優(yōu)化選擇研究已經(jīng)比較深入，此章主要來討論錨索錨固段長度及錨索最優(yōu)錨固角的確定。

2.1 錨固段長度的確定

目前預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計中采用膠結(jié)式內(nèi)錨頭最為普遍，是因為它有較高的承載力，膠結(jié)式內(nèi)錨頭受力傳導(dǎo)過程：預(yù)應(yīng)力錨索張拉→膠結(jié)材料同預(yù)應(yīng)力錨索的摩阻力→膠結(jié)材料同孔壁的摩阻力，為了計算方便，我們假定內(nèi)錨固段所受的摩阻力是沿膠結(jié)長度均勻分布的。因此可采用（1-1）式計算：

而在工程實際中，摩阻力是受地質(zhì)條件、水文條件等一系列因素影響的，均勻分布這個假定過于理想化，并且許多研究和試驗成果表明，錨固段沿孔壁的剪應(yīng)力呈倒三角形分布，其分布是不均勻的，而沿錨固段長度迅速遞減[1]，并不是錨固段越大，其抗拔力越大，當(dāng)錨固段長到一定程度，拉拔力提高并不顯著，所以增加錨固段長度并不是提高設(shè)計張拉力的好辦法。

鑒于以上原因，在國際的規(guī)范中，對錨固段的長度要求也做了一定的規(guī)定，一般情況下長度不宜超過10m。如10m仍不能滿足實際的工程要求，可采取其它的工程措施以提高錨固段的錨固力，比如改變錨固段的結(jié)構(gòu)就是一種較為理想的措施，可采用（1-2）式進(jìn)行計算：

研究表明，砂漿的抗剪強(qiáng)度決定了其對預(yù)應(yīng)力錨索的握裹力。然而，砂漿在錨孔內(nèi)對錨索的握裹應(yīng)力的分布情況相當(dāng)復(fù)雜，目前對這方面的研究資料較少，沒有規(guī)范的資料可引用。因此，在實際工作中，僅簡單的考慮平均握裹應(yīng)力這個數(shù)值，根據(jù)平均值來研究其所需的錨固段的長度[2]。

以上成果僅適用于巖層或者較堅硬的土層中，而當(dāng)錨索錨固段處于一般土層中，施加預(yù)應(yīng)力大小取決于膠結(jié)材料對土層的摩阻力以及土層的工程地質(zhì)性質(zhì)，然后根據(jù)單位長度的摩阻力進(jìn)行相長度計算，而不再依據(jù)膠結(jié)材料對錨索的平均握裹力。

2.2最優(yōu)錨固角的選擇

預(yù)應(yīng)力錨索成本較高，錨索的設(shè)計關(guān)系到許多問題，尤其對錨索的受力方向有更高的要求，正確把握方位角，施加預(yù)應(yīng)力，可減少投資并且可使工程更加趨于合理化。現(xiàn)有資料中，關(guān)于方位角的確定大多數(shù)依賴經(jīng)驗公式及專家意見，沒有形成規(guī)范，不同的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)多采用不同的數(shù)值。

本文通過綜合比較，以及查找相關(guān)地區(qū)規(guī)范，選用科學(xué)計算的方法，以達(dá)到最有效的加固效果。如圖1所示，

α為錨桿同滑動面的夾角；β為錨桿同水平面的夾角；θ為滑動面的傾角，它們有如下關(guān)系[3]：

θ=α±β

預(yù)應(yīng)力錨索所能提供的抗力為

P抗=Psinα×tgφ+Pcosα （1-3）

式中φ——滑動面上的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)α=φ時，P抗max=P/cosφ，此時錨索抗力最大，但從性價比來說，不經(jīng)濟(jì)，錨索較長。經(jīng)過試算和綜合比較得出：

當(dāng)α優(yōu)=45 o+φ/2時，得到最優(yōu)的錨固角度，因此最優(yōu)的錨固角則為[4]

β優(yōu)=θ±（45 o+φ/2） （1-4）

在施工時，現(xiàn)場條件不一定滿足設(shè)計要求，錨固角不一定能達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行，可以做微調(diào)，以保證錨固的質(zhì)量。

3 關(guān)于預(yù)應(yīng)力損失

預(yù)應(yīng)力施加后，隨著時間的推移，預(yù)應(yīng)力會逐漸衰弱，這個過程比較復(fù)雜，國內(nèi)外對此研究資料非常有限，對預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測做得較少，損失程度和損失大小的理論計算有待在以后的工程實踐中進(jìn)一步檢驗。

關(guān)于錨索預(yù)應(yīng)力損失原因，目前國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，主要涉及到下面三個方面：即張拉過程中的損失、錨索鎖定過程中的損失和由于時間延續(xù)而引起的預(yù)應(yīng)力損失[5]。

前兩個原因是施工原因，不可避免，只可減少；第三個原因?qū)贂r間效應(yīng)。這三方面的應(yīng)力損失具體原因如下：

（1） 張拉過程的預(yù)應(yīng)力損失取決于膠結(jié)材料對孔壁摩阻力以及張拉千斤頂?shù)哪ψ枇?，摩擦損失一般只有1 %左右，這一損失很小，所以這一部分的預(yù)應(yīng)力損失可以通過超張拉來補(bǔ)償。

（2） 預(yù)應(yīng)力錨索在張拉完成后，在鎖定的過程中，鋼絞線會不可避免的發(fā)生小范圍內(nèi)的回彈收縮，這個回縮量多少最終會影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的多少。當(dāng)然，這些損失可以在鎖定的時候進(jìn)行超張拉或者通過改進(jìn)施工工藝技術(shù)以及以補(bǔ)償張拉的方式來進(jìn)行補(bǔ)償[6]。

（3）錨索預(yù)應(yīng)力損失的時間效應(yīng)相對比較復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力損失隨著時間的推移逐步增加，這些損失的增加主要是源于鋼絞線的松弛效應(yīng)、混凝土的徐變效應(yīng)、被錨固介質(zhì)的流變效應(yīng)，以及運(yùn)行管理期間的各種不利情況及其外部因素所致[7]。計算具體預(yù)應(yīng)力損失量十分困難，一般只能在設(shè)計中充分考慮各種因素可能引起預(yù)應(yīng)力損失量后，從安全度予以考慮。

4 結(jié)束語

（1）預(yù)應(yīng)力錨索作為一種主動防治措施，在許多工程施工應(yīng)用中，效果顯著。本文討論了一下幾個相關(guān)參數(shù)的選取及計算方法，使預(yù)應(yīng)力錨索在實際工程應(yīng)用中，更實用，設(shè)計更加精準(zhǔn)。

（2）錨固段作為重要的一環(huán)，其長度選擇應(yīng)考慮多方面因素，單純依靠增加錨固段長度來提高抗拔力的思想及設(shè)計方法是不符合實際情況的

（3）最優(yōu)錨固角的選擇，以前都是以經(jīng)驗為主，本文通過綜合比較，選用（1-4）公式比較合理。

（4）關(guān)于預(yù)應(yīng)力損失，由于國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力損失理論計算及現(xiàn)場監(jiān)測方面的工作做得很少，尤其是對時間延續(xù)引起的錨索預(yù)應(yīng)力損失，從安全角度現(xiàn)行設(shè)計一般都以經(jīng)驗來進(jìn)行，筆者認(rèn)為關(guān)于這方面的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 覃仁輝，劉穎，李先光。關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨索單位長度錨固力確定最優(yōu)方位角的探討[J].巖土工程界。2008 ，47

[2] 趙長海，預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)，[M] 北京 中國水利水電出版社2001

[3] 巖土錨固技術(shù)研究與工程應(yīng)用[D] 人民交通出版社2010.9

[4] GB 50330-2002 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范

[5] 劉偉 四川深溪溝水電站邊坡穩(wěn)定性分析與預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)研究[D]. 長沙 中南大學(xué)， 2008

[6] 陳賓杰，張有為。高速公路邊坡工程錨索預(yù)應(yīng)力損失探討[J] 西部探礦工程 2007（Vol .10 ），197

[7] 胡其龍。淺析預(yù)應(yīng)力損失及質(zhì)量控制措施[J] 工程與建設(shè) 2014.1（Vol .1），17

作者簡介，陳云鵬 （1987—），男，河南人，碩士，助理工程師，從事工程地質(zhì)工作。