可回收式預(yù)應(yīng)力錨索作用機(jī)理及施工力學(xué)研究

摘 要：預(yù)應(yīng)力錨索是目前巖土工程領(lǐng)域最常使用的技術(shù)工具之一，目的是通過錨索構(gòu)件完成針對巖土體的預(yù)應(yīng)力錨固，而錨索構(gòu)件則需要依據(jù)巖土體特征進(jìn)行拉力選擇。本文在針對預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行研究時(shí)，選擇了較為具有代表性的可回收式預(yù)應(yīng)力錨索作為研究對象，通過其在巖土體方面的錨固作用機(jī)理分析以及施工力學(xué)分析，得出可回收式預(yù)應(yīng)力錨索的基本特征，以及其在預(yù)應(yīng)力錨固領(lǐng)域的作用。

關(guān)鍵詞：巖土體；預(yù)應(yīng)力錨固；作用機(jī)理；施工力學(xué)

前言：在巖土體的施工中，為了能夠保證土體下方的地層能夠與施工所采用的加固物保持完美結(jié)合，需要通過錨固技術(shù)對其進(jìn)行壓應(yīng)力的施加，從而使其成為全新的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，避免其在使用過程中出現(xiàn)變形、位移。在開展錨固技術(shù)時(shí)，需要結(jié)合巖土體自身的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索的選擇，而錨索本身的特性也成為了施工團(tuán)隊(duì)進(jìn)行錨索選擇的主要依據(jù)。在開展施工之前，需要優(yōu)先完成錨索施力情況的判斷。

一、可回收式預(yù)應(yīng)力錨索的作用機(jī)理分析

（一）巖土體加固機(jī)理分析

應(yīng)用錨索對巖土體進(jìn)行錨固施工，能夠?qū)r土體產(chǎn)生強(qiáng)化，再借助一定的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)。在相關(guān)的技術(shù)機(jī)理中，常見的機(jī)理主要有懸吊作用、連續(xù)壓縮等具有代表性的施工機(jī)理。通過不同的機(jī)理選擇，能夠達(dá)到不同的加固效果。

其中，懸吊作用激勵是指在錨索加固過程中，施工人員選取相對不穩(wěn)定的巖土體，將錨索通過上方選調(diào)的方式，深入到深層的巖土體中，使錨索與穩(wěn)定巖土結(jié)合，避免出現(xiàn)離層滑脫現(xiàn)象。這種錨固機(jī)理主要應(yīng)用與地層較深的巖土體錨固之中。

與之不同的連續(xù)壓縮錨固機(jī)理則主要應(yīng)用于拱形洞之中，在拱形洞內(nèi)，部分巖土體會出現(xiàn)破碎區(qū)，為了保證洞內(nèi)洞壁具有較強(qiáng)的支撐力，工程施工需要將錨索的敢提搭建成圓錐形，用以承受壓應(yīng)力[1]。而在具體的施工當(dāng)中，為了保證洞內(nèi)圍巖形成的壓縮帶始終處于均勻狀態(tài)，施工人員需要依據(jù)一定的錨桿間距進(jìn)行錨桿群布設(shè)，各個錨桿之間相互交錯，從而形成壓應(yīng)力的承壓拱，以此來承受拱形洞上方的破碎巖石所帶來的景象載荷。

（二）可回收式預(yù)應(yīng)力錨索的機(jī)理特殊性分析

以往在施工當(dāng)中選擇的普通預(yù)應(yīng)力錨索，主要是自由式拉力型錨索。這種錨索由鋼筋、注漿體、絞線、外錨頭等部件共同構(gòu)成。在受力過程中，鋼筋以及絞線會通過張拉的方式實(shí)現(xiàn)剪應(yīng)力的傳遞，再將力傳輸至注漿體內(nèi)部，最后由注漿體經(jīng)過外錨頭完成剪應(yīng)力的傳出。而本文所研究的可回收式錨索，則是在傳統(tǒng)錨索之上增加波紋套管、固定臺座以及承載體等部分，而鋼絞線、注漿體和外錨頭則保持不變。在受力時(shí)，鋼絞線完成張拉，固定臺座以及承載體會將受力轉(zhuǎn)變成為均勻分布的壓力，傳輸?shù)阶{體，再由注漿體完成外傳。在進(jìn)行作用機(jī)理的詳細(xì)對比之后可以發(fā)現(xiàn)，普通的預(yù)應(yīng)力錨索與可回收式預(yù)應(yīng)力錨索，存在著許多不同之處。

首先，普通的預(yù)應(yīng)力錨索作為拉力型錨索，其內(nèi)部的注漿體始終處于受力狀態(tài)，而在此狀態(tài)下，注漿體不會對孔壁產(chǎn)生徑向力。隨著預(yù)應(yīng)力增大，錨固的截面則開始縮小，連同漿土界面強(qiáng)度降低。而采用可回收錨索，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其擁有三向應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)錨索會依照均勻的壓力分布對圍巖施壓，從而增加漿土界面的強(qiáng)度，具有更好的加固效果。

其次，普通的預(yù)應(yīng)力錨索在反復(fù)受到拉力的過程中，注漿體容易出現(xiàn)老化損壞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部形成腐蝕。而可回收式預(yù)應(yīng)力錨索，注漿體所受到的壓力高于其受拉能力，因此具有較高的穩(wěn)定性。

其三，在載荷的傳遞方面，傳統(tǒng)的普通預(yù)應(yīng)力錨索，端頭的受力最大，其拉應(yīng)力也最高，向尾端過度，受力遞減；而可回收式預(yù)應(yīng)力錨索的受力集中在尾端，且存在最大壓應(yīng)力，向端頭過度，受力遞減。與前者相比，可回收式預(yù)應(yīng)力錨索更加適宜在地層較深的巖土體開展加固工作。

其四，在施工過程中，使用普通預(yù)應(yīng)力錨索時(shí)，施工人員需要保證錨桿與注漿體之間保持粘結(jié)，需要使用粘結(jié)筋來進(jìn)行強(qiáng)度控制；而可回收式預(yù)應(yīng)力錨索，則可以采用五年結(jié)的鋼絞線在預(yù)應(yīng)力筋外完成套管，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外隔離，避免出現(xiàn)腐蝕。

二、可回收式預(yù)應(yīng)力錨索的施工力學(xué)分析

（一）巖土體的力學(xué)傳遞特性

在相關(guān)的研究中，研究學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)選擇了粒裝土和粘性土兩種不同的土質(zhì)進(jìn)行錨桿試驗(yàn)，通過測量注漿體表面所含有的摩阻力的方式對其錨固力學(xué)特性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，注漿體表面所擁有的摩阻力會沿著錨固的方向呈現(xiàn)非均勻的分布方式，而分布長度越長則其極限的抗拔力增速則會越慢，并且會出現(xiàn)臨界長度，其指數(shù)分析如公式1所示：

公式1：t（z）=r0eAZ/d

公式中，錨固段Z的剪應(yīng)力值用t（z）進(jìn)行表示，而r0則代表錨固段近端的剪應(yīng)力，d則為錨索直徑，A表示錨索主應(yīng)力常數(shù)。帶入長度L積分，可以獲得極限錨固力計(jì)算值，如公式2所示：

公式2：Tu=1/Aπd2t0

結(jié)合公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)人員得到了可回收式預(yù)應(yīng)力錨索在針對巖土體進(jìn)行施工時(shí)的力學(xué)特性。其中，在密度較高的砂土層中進(jìn)行施工，錨桿長度設(shè)定需要依據(jù)最大表面粘結(jié)力進(jìn)行確定，而在松砂土層中，粘結(jié)力則會與理論值相接近[2]。隨著外部載荷的不斷增加，巖土層的表面粘結(jié)力會不斷上升，指導(dǎo)達(dá)到某一個峰值點(diǎn)后，開始逐漸回落，并與錨固段遠(yuǎn)端的應(yīng)力值想接近；錨索的長短與表面粘結(jié)力相關(guān)，其中短錨索粘結(jié)力更大；地層密度變化，會使得錨索的錨固力隨之發(fā)生變化。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，不同密度的土層，表面粘結(jié)強(qiáng)度值最大可相差超過五倍之多。

（二）可回收式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布規(guī)律

通過對以往研究和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和錨固段受力分布圖的分析，本文總結(jié)了關(guān)于可回收式預(yù)應(yīng)力錨索的分布規(guī)律。

首先，預(yù)應(yīng)力錨索的承載板是整個錨固段粘結(jié)應(yīng)力最低的位置，通常情況下趨近于零。造成這一現(xiàn)象的主要原因體現(xiàn)在土體分離方面，錨固段受到了集中力的作用，使其地面形成了自由面，而剪應(yīng)力t越低，則受到剪切互等原理影響，其承載板應(yīng)力也應(yīng)趨近于零。

其次，在承載板內(nèi)部，由于粘結(jié)應(yīng)力的變化，其受到的應(yīng)力會迅速上升，并激增至最高點(diǎn)，隨后快速回落，而在到達(dá)錨固段中部后，降低為零[3]。對于漿土界面來說，由于錨固段設(shè)置過長且超過了臨界長度，那么其超過的部分不會受力，最終使得錨固段的尾端承受了絕大多數(shù)的剪應(yīng)力。而在剪應(yīng)力公式計(jì)算當(dāng)中，錨固段所受的剪應(yīng)力會隨著錨固長度發(fā)生變化，最終回歸為零。

其三，承載板在錨固段當(dāng)中，由于壓應(yīng)變分布的規(guī)律，使得其所受的軸力為最大值，而在受到較高的軸力影響之后，處于尾端的注漿體也會隨之發(fā)生應(yīng)力變化。當(dāng)承載板軸力達(dá)到最高后，注漿體則需承受最大壓應(yīng)力影響，從而使注漿體轉(zhuǎn)變成為屈服狀態(tài)。

錨固段當(dāng)中的軸力以及壓應(yīng)變會隨著軸向出現(xiàn)單調(diào)縮減趨勢，且該趨勢十分顯著。在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究中，軸力以及壓應(yīng)變在錨固段當(dāng)中，會在位于承載板十米左右的位置下降為零，而此時(shí)，注漿體由于與承載板有著密切關(guān)聯(lián)，會發(fā)生受壓后的強(qiáng)度屈服。隨著屈服狀態(tài)的不斷變化，進(jìn)而形成集中于承載板一側(cè)的剛度變形破壞。

結(jié)論：綜上所述，在不同的巖土體結(jié)構(gòu)和土層內(nèi)部密度當(dāng)中，開展加固施工需要選用不同的錨固作用機(jī)理。施工團(tuán)隊(duì)在開展施工之前，還需要依據(jù)可回收式預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行剪應(yīng)力、壓應(yīng)變力學(xué)特性的分析，從而獲取在施工巖土體中錨索的應(yīng)力變化情況，保證施工質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]吳潤澤，周海清，胡源等.基于有限差分原理的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁改進(jìn)計(jì)算方法[J].巖土力學(xué)，2015，36（06）：1791-1800.

[2]王清標(biāo)，張聰，王輝等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失與巖土體蠕變耦合效應(yīng)研究[J].巖土力學(xué)，2014，35（08）：2150-2156+2162.

[3]鄭文博，莊曉瑩，蔡永昌等.地震作用下預(yù)應(yīng)力錨索對巖石邊坡穩(wěn)定性影響的模擬方法及錨索優(yōu)化研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（09）：1668-1676.

作者簡介

李勇平（1990-），男，漢族，籍貫：湖南郴州，單位：廣西建工集團(tuán)第四建筑工程有限責(zé)任公司。

（作者單位：廣西建工集團(tuán)第四建筑工程有限責(zé)任公司）