土層錨桿預(yù)應(yīng)力損失探討及補(bǔ)償對策

王 輝，楊廒葆，徐孟龍，劉學(xué)會，高東源

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

預(yù)應(yīng)力錨桿廣泛用于邊坡、巖土深基坑等地面工程及隧道、采場等地下硐室，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的土體、圍巖加固方式[1]。研究發(fā)現(xiàn)，錨桿的預(yù)應(yīng)力總是會有所損失，錨桿的預(yù)應(yīng)力損失表現(xiàn)為所施加的初始預(yù)應(yīng)力總是先隨著時間在不斷減小，最后趨于穩(wěn)定值。在工程中，如果錨桿預(yù)應(yīng)力損失使得被加固地層抗剪強(qiáng)度低于穩(wěn)定值，錨桿與加固體有可能一起變形，從而導(dǎo)致錨桿喪失其加固作用。因此，要保證工程能夠被成功加固，就必須要讓錨桿保持長期穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力[2]。否則，一旦被加固的地層失穩(wěn)，不僅將給工程帶來極大危害，而且會使人民生命財產(chǎn)安全受到威脅[3]。本文通過研究錨桿作用機(jī)理，分析了錨桿預(yù)應(yīng)力損失的影響因素，從而找到應(yīng)對應(yīng)力損失的對策，為實(shí)際工程減少應(yīng)力損失提供理論依據(jù)，提高錨固工程的安全性。

1 預(yù)應(yīng)力錨桿作用機(jī)理及傳力機(jī)制

預(yù)應(yīng)力錨桿的一端伸入到穩(wěn)定土層中，通過注漿將錨桿與穩(wěn)定土層黏接形成一個整體，另一端穿過被加固的土層，通過錨具將錨桿固定在被加固土層上，被加固土層與穩(wěn)定地層就可以通過錨桿緊密連接在一起，因?yàn)橥翆蛹庸淌峭ㄟ^錨桿與周圍土體的摩阻力傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力實(shí)現(xiàn)的，所以預(yù)應(yīng)力錨桿可以主動地對土體進(jìn)行加固[4]。對于全長黏結(jié)式錨桿，主要是通過滑移面上的錨桿與滑移體相互作用來阻止下滑，每根錨桿都可以對滑移體與穩(wěn)定巖土體起到一個約束作用，既可防止滑移體的下滑，又可防止滑移體與穩(wěn)定巖土體的分離。

在錨桿被施加預(yù)應(yīng)力時，錨桿的自由段先發(fā)生彈性變形，錨固體受到的力是由錨頭通過自由段傳遞的，因?yàn)殄^固體和錨桿桿體的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體，使得錨固體和錨桿桿體變形同步，錨固體就將錨桿所受到的拉力傳遞到周圍的土層[5]。

隨著錨桿所受拉力的增加，錨桿的變形逐漸增大，而錨固體與土體的黏結(jié)摩阻力則阻止其變形的增大，錨桿最終被整體拔出破壞是由于錨固體與土體的黏結(jié)摩阻力小于錨桿所受到的拉力，錨桿的變形不收斂導(dǎo)致的[6]。

2 土層錨桿預(yù)應(yīng)力損失變化過程

土層錨桿預(yù)應(yīng)力的變化要經(jīng)歷三個不同的階段：①錨桿初期預(yù)應(yīng)力施加完畢，錨桿預(yù)應(yīng)力開始減小，此階段為錨桿預(yù)應(yīng)力快速下降階段；②在錨桿預(yù)應(yīng)力減小到最低值時，錨桿預(yù)應(yīng)力有回升的趨勢，為錨桿預(yù)應(yīng)力上升階段；③在錨桿預(yù)應(yīng)力回升之后，其值基本保持不變，此階段為錨桿預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定變化階段[2]。如圖1所示。

2.1 預(yù)應(yīng)力快速下降階段

此階段發(fā)生在初期施加預(yù)應(yīng)力后。從圖1 可以看出：這個過程歷時較短，預(yù)應(yīng)力呈現(xiàn)快速下降的趨勢，而且預(yù)應(yīng)力的損失比較大，占預(yù)應(yīng)力總損失量的45%左右。該階段預(yù)應(yīng)力的損失主要與錨具回縮、土體壓密、孔道摩阻和施加的預(yù)應(yīng)力等因素有關(guān)。

圖1 錨桿預(yù)應(yīng)力—時間變化曲線

2.2 預(yù)應(yīng)力上升階段

該階段錨桿預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)回升的現(xiàn)象。從圖1可以看出：預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)上升的主要原因是由于土體變形作用使得預(yù)應(yīng)力的增加量要大于松弛效應(yīng)引起的預(yù)應(yīng)力損失量，最終導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力隨時間變化有增加的趨勢，而且其大小與此階段土體變形量大小有關(guān)。

2.3 預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定變化階段

此階段錨桿預(yù)應(yīng)力值變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定。在該過程中，錨桿的預(yù)應(yīng)力值由于土體變形模量有小規(guī)模的變化而略有增加，但增加的值要小于第二階段的平均值。錨桿預(yù)應(yīng)力會隨著土體變形的穩(wěn)定最終也趨于穩(wěn)定。

3 錨桿預(yù)應(yīng)力損失原因及補(bǔ)償對策

錨桿預(yù)應(yīng)力的損失是指在錨桿施加了初始預(yù)應(yīng)力后，由于各種因素，錨桿的預(yù)應(yīng)力在不斷發(fā)生變化，當(dāng)錨桿變形趨于穩(wěn)定時，錨桿的應(yīng)力小于其初始預(yù)應(yīng)力的現(xiàn)象。錨桿出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失的原因主要有以下幾方面：

(1)桿體材料的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失；

(2)錨桿張拉鎖定時引起的預(yù)應(yīng)力損失；

(3)錨固段土層的蠕變引起的預(yù)應(yīng)力損失；

(4)群錨效應(yīng)和張拉順序引起的預(yù)應(yīng)力損失；

(5)水的作用引起的預(yù)應(yīng)力損失。

3.1 桿體材料的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失及補(bǔ)償對策

因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力錨桿長期受到荷載作用，錨桿桿體發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，結(jié)果將會造成預(yù)應(yīng)力的損失。由鋼材的松弛實(shí)驗(yàn)知：鋼材在長期承受荷載下因應(yīng)力松弛所造成的預(yù)應(yīng)力損失量通常為5%～10%，鋼材在相同的應(yīng)力作用下，隨著受荷時間的增加，鋼材的松弛損失率增加緩慢，如受荷100 h的應(yīng)力松弛損失量約為受荷1 h應(yīng)力松弛損失量的2倍，而受荷1 000 h的應(yīng)力松弛損失量約為受荷1h松弛損失量的2.5倍。同時從試驗(yàn)結(jié)果還可以得知：張拉荷載的大小也關(guān)系到鋼材的應(yīng)力松弛損失量，當(dāng)對錨桿施加的應(yīng)力過大超過鋼材強(qiáng)度的50%以上時，錨桿的應(yīng)力松弛量明顯增大[2]。

根據(jù)以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，由于錨桿桿體松弛所造成的預(yù)應(yīng)力損失比較小，因此，為了達(dá)到控制錨桿預(yù)應(yīng)力損失的目的，可以采用高強(qiáng)度低松弛的預(yù)應(yīng)力鋼絞線來替代原來的錨桿桿體。

3.2 錨桿張拉鎖定時引起的預(yù)應(yīng)力損失及補(bǔ)償對策

錨桿張拉時會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，主要表現(xiàn)為在張拉時，油壓千斤頂顯示的壓力要大于錨桿測力計輸出的壓力值。由于在張拉錨桿時錨桿同孔壁和張拉千斤頂有摩擦，因此在錨桿張拉的過程中錨桿的預(yù)應(yīng)力會有損失，而且錨桿預(yù)應(yīng)力損失量的大小與錨桿同孔壁的摩擦力和張拉千斤頂?shù)哪ψ枇Φ拇笮∮嘘P(guān)。如果在錨桿張拉過程中錨桿不與孔壁接觸，則錨桿的預(yù)應(yīng)力損失的很小甚至是不產(chǎn)生損失。

在錨桿鎖定時，錨桿預(yù)應(yīng)力會因錨桿自由段的彈性變形而產(chǎn)生損失，錨桿預(yù)應(yīng)力損失量的大小與錨桿桿體的回縮量大小有關(guān)。預(yù)應(yīng)力錨桿張拉完畢，在千斤頂回油的瞬間，其鋼絞線向坡內(nèi)回縮，在鋼絞線的帶動下，夾片和錨具也開始回縮，最終錨桿鎖定時，鋼絞線會與錨具和夾片之間相互卡牢，但在此過程中，錨桿的預(yù)應(yīng)力會隨著鋼絞線的回縮而產(chǎn)生損失[2]。

為了降低預(yù)應(yīng)力的損失，在張拉前應(yīng)對張拉設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，并且可以進(jìn)行超張拉和二次補(bǔ)償張拉來彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力的損失。

3.3 錨固段土層的蠕變引起的預(yù)應(yīng)力損失及補(bǔ)償對策

土體是具有蠕變的工程特性，錨桿周圍土體在錨桿長期剪力作用下產(chǎn)生蠕變，隨著剪力的增大，土體力學(xué)性質(zhì)也越差，土體的蠕變特性就更加明顯，由于土體蠕變所造成的錨桿預(yù)應(yīng)力損失不容忽視。

土體的蠕變過程包含三個階段，如圖2所示。第I階段(AB)為衰減蠕變階段，土體的應(yīng)變速率隨著蠕變變形的增加逐漸減小，從圖2可以看到蠕變曲線的斜率逐漸減小。當(dāng)?shù)竭_(dá)B點(diǎn)時，應(yīng)變速率在本階段為最小值。第II階段(BC)為穩(wěn)定蠕變階段，此階段應(yīng)變速率保持不變，蠕變曲線近似直線。第III階段(CD)為加速蠕變階段，此階段應(yīng)變速率由C點(diǎn)到D點(diǎn)迅速增加，最終導(dǎo)致土體發(fā)生破壞[4]。

圖 2 土體蠕變的三個階段

采用高壓注漿或二次灌漿的方法來減小土層的蠕變性，可以減小錨桿預(yù)應(yīng)力的損失。高壓灌漿和二次灌漿不僅能減小土層的蠕變性，而且能增大錨桿錨固體的面積。研究發(fā)現(xiàn)，在軟弱土層中，錨桿進(jìn)行二次張拉的預(yù)應(yīng)力損失為0.9%，僅為進(jìn)行一次張拉的預(yù)應(yīng)力損失(5.3%)的1/6，所以對錨桿進(jìn)行二次張拉可以在很大程度上減少預(yù)應(yīng)力的損失[5-6]。

為了減少錨桿預(yù)應(yīng)力的損失可以在錨桿安裝時進(jìn)行超張拉，且在張拉完畢后要維持荷載一段時間。對錨桿進(jìn)行補(bǔ)償張拉應(yīng)在錨桿初期應(yīng)力損失后，其張拉次數(shù)越多，得到的補(bǔ)償效果越好，一般可以使損失的預(yù)應(yīng)力得到70%以上的補(bǔ)償[7]。

3.4 群錨效應(yīng)和張拉順序引起的預(yù)應(yīng)力損失及補(bǔ)償對策

錨桿進(jìn)行群錨張拉時，造成預(yù)應(yīng)力損失的原因是后續(xù)錨桿的施工會造成周圍已安裝的錨桿的錨固力減小。在錨桿進(jìn)行張拉時會引起周圍土體的變形，從而造成張拉錨桿影響范圍內(nèi)已安裝錨桿的預(yù)應(yīng)力損失[3]。在基坑支護(hù)與邊坡治理工程中，一般都存在多排、多孔錨桿，在進(jìn)行下部錨桿施工時，會導(dǎo)致已經(jīng)張拉到設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的上部錨桿產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失。

對錨桿進(jìn)行合理的布置可以最大程度地減少預(yù)應(yīng)力的損失。比如，在坡面上進(jìn)行錨桿的布置，采用正方形布置要優(yōu)于矩形布置，因?yàn)樵诎凑站匦尾贾脮r，其相鄰錨桿之間的預(yù)應(yīng)力削弱要大于正方形布置。在群錨加固過程中，由于自由段長度發(fā)生變化導(dǎo)致的錨桿預(yù)應(yīng)力的損失，可以通過增大自由段長度來減少錨桿預(yù)應(yīng)力損失。

為了降低因張拉順序不同而引起的預(yù)應(yīng)力損失，應(yīng)該選擇合理的張拉順序，而在進(jìn)行張拉時最合理的張拉順序是同時同步張拉，但是這在實(shí)際工程中往往會受到環(huán)境條件的影響與限制，從而導(dǎo)致不能進(jìn)行同時同步張拉?？梢圆捎梅旨墢埨姆椒▉頊p少預(yù)應(yīng)力的損失，其過程為先將錨桿張拉到設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的一定比例，等到施工完畢后再次進(jìn)行張拉直到達(dá)到設(shè)計預(yù)應(yīng)力值[8]。

3.5 水的作用引起的預(yù)應(yīng)力損失及補(bǔ)償對策

在基坑或邊坡工程中，水的存在始終會間接的影響錨桿的預(yù)應(yīng)力。當(dāng)水滲入到土體中，會使土體因?yàn)檐浕斐闪W(xué)性質(zhì)變差，土體產(chǎn)生較大的塑形變形，而錨桿筋體的彈性變形減小。根據(jù)胡克定律，錨桿的受力減小，錨桿預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生損失，而且由于土體含水率增大，土體孔隙比與黏粒含量會增大，最終土層預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力損失量會隨著土體蠕變性的增大而增大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失累積到一定量，被加固的土體失穩(wěn)，最終導(dǎo)致錨桿與錨固體一起被拔出，錨固失去作用[9]。

為了保證錨固工程能夠長期安全穩(wěn)定，必須要做好基坑與邊坡工程的排水與防滲，在處理錨固工程的水時，可以采用防、排、堵、擋、降等措施。主要包括：①在坡面設(shè)置排水溝，將地表水引入溝內(nèi)；②在坡腳設(shè)置邊溝，為了防止邊溝水滲入土體，可以進(jìn)行鋪砌加固；③當(dāng)坡面上出現(xiàn)裂縫和孔洞時，應(yīng)將裂縫與孔洞密封，防止地表水侵入坡體內(nèi)部。以上措施可以減少土體含水量，從而降低錨桿預(yù)應(yīng)力損失[7]。

4 結(jié)論

通過研究土層錨桿作用機(jī)理與傳力機(jī)制，針對土層錨桿預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了綜合分析，總結(jié)了導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)力損失的主要原因?yàn)椋簵U體材料的應(yīng)力松弛、錨桿張拉鎖定、錨固段土層的蠕變、群錨效應(yīng)和張拉順序、水的作用。并且針對不同情況的應(yīng)力損失提出了相應(yīng)的減少應(yīng)力損失的補(bǔ)償對策，為錨固工程保證錨桿預(yù)應(yīng)力提供了依據(jù)。本文只是針對錨桿應(yīng)力損失做出了定性分析，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的環(huán)境條件具體分析，做出相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

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