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。為了達到預(yù)應(yīng)力這個目標，錨索采用了高強鋼材—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）式進行計算：

研究表明，砂漿的抗剪強度決定了其對預(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)標準多采用不同的數(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，錨索較長。經(jīng)過試算和綜合比較得出：

當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，錨固角不一定能達到最優(yōu)化設(shè)計方案進行，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。當然，這些損失可以在鎖定的時候進行超張拉或者通過改進施工工藝技術(shù)以及以補償張拉的方式來進行補償[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。

（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)驗來進行，筆者認為關(guān)于這方面的研究有待進一步加強研究。

參考文獻：

[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。