地層壓縮徐變對錨索預應力損失探討

蒲黍絛 陳再謙

摘 要：影響錨索預應力損失的因素很多。其中，地層壓縮徐變是造成錨索預應力損失的主要因素。研究表明，地層壓縮徐變引起錨索預應力損失可分為兩個階段。第一個階段：在土層厚度未達到限值x時，錨索預應力損失量隨著土層厚度增加而增加;第二個階段：在土層厚度超過限值x后，錨索預應力損失量隨著土層厚度增加幾乎不變，損失量趨于一個穩(wěn)定值，支護體系和巖土層達到一個平衡狀態(tài)。本文以實際工程為依托，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地層壓縮徐變引起的錨索預應力損失進行研究，為預應力錨索設計、控制及施工提供一定的參考依據(jù)。

關鍵詞：錨索;預應力損失;地層壓縮徐變;鋼絞線松弛

中圖分類號：TU757

文獻標志碼：A

隨著城市建設的發(fā)展，對市政道路的挖方邊坡及建筑深基坑的錨固提出更高的要求。在眾多的錨固措施中，預應力錨索具有能夠利用土體自重形成自鎖結構、提高圍巖加固體的剛度并充分發(fā)揮巖土體的固有承載力等優(yōu)點，占據(jù)十分重要的地位。

在工程運用中，預應力錨索往往伴隨預應力損失的現(xiàn)象。在地質條件較差的巖土環(huán)境中，錨索的預應力損失往往較為嚴重。目前，大量學者對錨索的預應力損失進行了一系列的研究，取得了較為豐碩的成果[1-10]。

研究結果表明，錨索預應力損失的影響因素多，大致可歸納為兩部分：一部分是錨索張拉鎖定后，在較短時間內由于錨索體系的回彈變形、錨墩下基礎變形及張力系統(tǒng)的摩阻力等原因造成的預應力損失;另一部分是在長期荷載作用下，由于地層壓縮徐變、灌漿材料的蠕變及鋼絞線應力松弛等原因造成的預應力損失。其中，地層壓縮徐變是造成錨索預應力損失的主要因素。

本文在前人研究成果的基礎上，以市政邊坡工程為研究背景，在現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，研究地層壓縮徐變引起的錨索預應力損失，為工程設計施工等提供一定的參考。

1 錨索預應力損失因素分析

1.1 短時間內錨索預應力損失分析

在錨索張拉鎖定后的較短時間內，預應力損失主要是因為張力系統(tǒng)的摩阻力、錨索體系的回彈變形及錨墩下基礎變形等造成的。研究結果表明[11-12]，在錨索張拉約3～10 d的預應力損失約占總預應力損失的30%～50%。因此，在張拉鎖定3～10 d后進行補償張拉是消除預應力損失的有效辦法。

1）錨索體系回彈變形的影響

由于預應力錨索的外錨固端采用的是錨索、墊墩以及夾片等構成的自錨體系，在荷載加載結束，鋼絞線向邊坡內回縮，這種鋼絞線和外錨固端的卡牢回縮過程也會造成錨索預應力的損失。在錨索的拉拔試驗中，錨索外錨固端的位移隨荷載加卸載變化，卸載時會產生鋼絞線的回縮，這也是造成錨索預應力瞬時損失的主要因素。

2）張力系統(tǒng)摩阻力的影響

錨索張拉系統(tǒng)主要包括千斤頂和油泵等。研究表明[13]，張拉系統(tǒng)的摩擦阻力引起的預應力損失在2%～4%之間，油壓表所記錄的拉力比鋼絞線實際受荷大2%～4%。如果設計張拉荷載是以油壓表的讀數(shù)記錄為基礎，則設計張拉力應考慮張拉系統(tǒng)部分的應力損失。

3）錨墩下基礎變形的影響

在預應力荷載作用下，錨索錨墩下的土體產生變形，從而引起預應力的損失。這部分預應力的損失與錨墩下巖土體的變形量有關。若錨墩下為剛度較大的支護結構體，該部分預應力損失量有限，可忽略不計。

1.2 長期荷載作用下錨索預應力損失分析

錨索在長期荷載作用下的預應力損失是設計中較為受關注的問題，因為它關系到預應力錨索的安全性和耐久性。預應力錨索在長期荷載作用下，其預應力的損失量主要由地層壓縮徐變、灌漿材料的蠕變及鋼絞線應力松弛3部分構成，下面將一一進行分析。

1）地層壓縮徐變的影響

通過大量的工程實踐資料和研究成果的總結研究發(fā)現(xiàn)，錨索預應力損失的主要原因是巖土體的壓縮徐變造成的。巖土體是一種力學性質十分復雜的彈塑性介質，在受荷情況下裂隙被壓密，發(fā)生塑性和彈性變形，導致錨索產生松弛現(xiàn)象，因而出現(xiàn)預應力的損失，預應力損失速度和巖土體的徐變速率一致，隨著時間的增加而不斷減緩，最終達到平衡狀態(tài)。結合工程實踐，經驗表明，一般巖質邊坡預應力的損失率約為15%～20%，當錨固段部位所處巖層為較破碎巖體時，相應的預應力值損失率約為20%～25%。而當錨索后的地層存在土層時，預應力值的損失率將更高，地層徐變對錨索預應力損失影響是長期的。

2）灌漿材料蠕變的影響

徐變是灌漿材料（混凝土材料）的重要特征，在長期恒定荷載作用下，變形隨時間增長而不斷增加。影響灌漿材料徐變特性的因素主要有：施加的荷載歷時、環(huán)境溫度、加荷齡期、濕度等。一般荷載歷時增加，徐變增大;加載齡期越小，徐變越大;環(huán)境溫度越高，徐變越大;環(huán)境濕度越高，徐變越大。因此，灌漿材料的徐變也是造成錨索預應力損失的重要因素之一。

3）鋼絞線應力松弛的影響

任何鋼材都具有應力松弛的特性。在長期受荷情況下，鋼絞線的松弛量與受荷大小及環(huán)境溫度有關，一般隨荷載的增加而增大，隨環(huán)境溫度的升高而增大。金屬材料的蠕變主要是材料內部晶格間錯位的累積，進而在晶界和晶格間產生微裂紋和微孔洞，從而導致變形隨時間增長而增大。鋼絞線松弛對預應力損失量在5%～10%，影響主要集中在鎖定初期。

2 工程實例

2.1 工程概況

工程地位于貴州省貴陽市，整個地塊呈現(xiàn)方正布局，占地面積約16 713 m2，其中建筑面積約為8 000 m2。場地地面標高為1 287.70～1 329.00 m，地形坡度為10～25°，地勢起伏較大，整體呈現(xiàn)南高北底。設計場平標高1 294.7 m，場平后再南側形成永久挖方邊坡，邊坡高度為7～28 m。平面布置圖如圖1所示。

整個南側分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個區(qū)段進行邊坡設計，其中：

I區(qū)：位于南側西段，長約60 m，坡向正北，該段邊坡開挖后，坡高7～28 m，邊坡坡頂為覆蓋層，厚度約4.8 m，為可塑狀粘土，坡體下部為灰?guī)r，為巖土混合質坡體，為橫向坡。

Ⅱ區(qū)：位于南側中段轉角位置，長約60 m，坡向280～320°，該段邊坡開挖后，坡高18～28 m，邊坡坡頂為覆蓋層，厚度約5.0 m，為可塑狀粘土，坡體下部為灰?guī)r，為巖土混合質坡體，為順向坡。

Ⅲ區(qū)：位于南側東段，長約100 m，坡向朝北，該段邊坡開挖后，坡高20～28 m，邊坡坡頂為覆蓋層，厚度約7.0～10.0 m，為可塑狀粘土，坡體下部為灰?guī)r，巖土混合質坡體，為橫向坡。

場區(qū)出露地層為三疊系下統(tǒng)大冶組第一段（T1d1）地層，為淺灰色薄至中厚層灰?guī)r，巖芯完整性較好，為較硬巖。場區(qū)巖層產狀為290°∠40°～45°。

邊坡設計方案采用抗滑樁+錨索的方案進行支護處理，錨索設計預應力700 kN。施工中按設計預應力的10%進行超張拉，即總施加預應力為770 kN。

2.2 錨索預應力的現(xiàn)場測試情況分析

分別在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)選擇2根錨索（編號為MS1-1、MS1-2）、2根錨索（編號為MS2-1、MS2-2）及4根錨索（編號為MS3-1、MS3-2、MS3-3、MS3-4）進行錨索預應力的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

目前大部分研究成果是圍繞巖質邊坡進行探討的，研究成果表明預應力損失一般為總預應力的20%，巖體破碎的可達25%。本工程根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示預應力損失值很大，特別是Ⅲ區(qū)監(jiān)測時其初始預應力已經衰變了54.2%。與前人研究成果不同的是，本工程邊坡不是純巖質邊坡，為巖土混合邊坡，一部分錨索穿過土層之后才進入巖層，由于土層的壓縮模量遠小于巖石，在錨索預應力荷載作用下，土層產生的壓縮變形遠遠大于巖層。因此，可認為本工程錨索預應力衰變如此之大，究其原因是在預應力荷載作用下，土層產生較大的壓縮變形，導致錨索預應力損失較大。在施工工藝及其他因素相同的情況下，各區(qū)地質條件不一樣（主要是錨索后土層厚度不一樣），導致各區(qū)錨索預應力損失不一致。其示意圖如圖2所示。

2.3 地層壓縮徐變引起預應力損失分析

考慮到各區(qū)錨索的施工工藝基本相同，由錨索體系回彈變形、張力系統(tǒng)摩阻力、錨墩下基礎變形、灌漿材料蠕變及鋼絞線應力松弛各因素引起的預應力損失值基本一致。因此，在討論地層壓縮徐變引起預應力損失分析時，就不一一將上述預應力影響因素引起的損失值進行計算，而是將其包含在總損失值里面討論地層壓縮徐變引起預應力損失。

考慮到巖層的剛度遠大于土層，且?guī)r體內裂隙在荷載作用下擠密變形發(fā)生彈性和塑性變形需要考慮時間效應，短時間內發(fā)生的變形量忽略不計，由此引起的預應力損失忽略不計。在預應力荷載作用下，土層的變形量遠大于巖層，因此在討論時，忽略巖層的壓縮徐變，僅討論土層。根據(jù)現(xiàn)場錨索鉆孔記錄數(shù)據(jù)，各區(qū)錨索土層段厚x度如表2所示。

將土層厚度和對應的預應力損失量進行擬合，得到如圖3所示的關系曲線。

考慮到除地層壓縮徐變引起錨索預應力損失外，還有其他因素引起錨索預應力損失。因此，地層壓縮徐變引起錨索預應力損失量不會無限大，會有個限值，本工程根據(jù)擬合數(shù)據(jù)揭露限值x約為13.5。當土層厚度x≤13.5 m時，錨索預應力損失量處于增加的趨勢;當土層厚度x>13.5 m時，錨索預應力損失趨于一個穩(wěn)定值，支護體系和巖土層達到一個平衡狀態(tài)。

基于此，可將地層壓縮徐變引起錨索預應力損失分為兩階段：

第一個階段：在土層厚度未達到限值x時，錨索預應力損失量隨著土層厚度增加而增加，其關系可用下述表達式闡述：

y=71.2-472.71+e（x-7.3）/1.7+472.7（1）

從式（1）可知，當x=0時，y=76.57 kN，考慮到灌漿材料蠕變的時間因素，在張拉后的短時間內，由錨索體系回彈變形、張力系統(tǒng)摩阻力及鋼絞線應力松弛等因素引起的預應力損失約占設計荷載的10%（x=0時）。

第二個階段：在土層厚度超過限值x后，錨索預應力損失量隨著土層厚度增加幾乎不變，損失量趨于一個穩(wěn)定值，支護體系和巖土層達到一個平衡狀態(tài)。

由式（1）可知，當x→∞，y→472.7，即對于本工程預應力損失最大值為472.7 kN，占總設計荷載的61.4%。

根據(jù)上述分析，在張拉后初期，由錨索體系回彈變形、張力系統(tǒng)摩阻力及鋼絞線應力松弛等因素引起的預應力損失約占設計荷載的10%。基于此結論，可以得到本工程由地層壓縮徐變引起的最大預應力損失量約為395.7 kN，占總設計荷載的51.4%。

3 結論

影響錨索預應力損失的因素很多，其中地層壓縮徐變是造成錨索預應力損失的主要因素。本文以實際工程為依托，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地層壓縮徐變引起的錨索預應力損失進行研究，主要得到如下結論：

1） 地層壓縮徐變引起錨索預應力損失分為兩階段。第一個階段：在土層厚度未達到限值x時，錨索預應力損失量隨著土層厚度增加而增加;第二個階段：在土層厚度超過限值x后，錨索預應力損失量隨著土層厚度增加幾乎不變，損失量趨于一個穩(wěn)定值，支護體系和巖土層達到一個平衡狀態(tài)。

2）在張拉后的短時間內，由錨索體系回彈變形、張力系統(tǒng)摩阻力及鋼絞線應力松弛等因素引起的預應力損失約占設計荷載的10%。

3）由地層壓縮徐變引起的最大預應力損失量約為395.7 kN，占總設計荷載的51.4%。

4）對于本工程土層厚度限值x為13.5 m，對于不同性質的土層、設計荷載大小，土層厚度限值x應不一樣，需進一步進行研究。

5）由于預應力損失值較大，針對錨索后有土層的情況，在施加預應力后可適當進行幾次補償張拉，待邊坡、支護結構及錨索預應力達到一個相對平衡狀態(tài)時再進行封錨。

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（責任編輯：曾 晶）

Discussion on Prestress Loss of Anchor Cable Caused

by Ground Compression and Creep

PU Shutao*， CHEN Zaiqian

（Guiyang Engineering Corporation Limited of Power China，Guiyang 550081，China）

Abstract：

There are many factors affecting the prestress loss of anchor cable， among which the compression and creep of stratum is the main factor. The research shows that the prestress loss of anchor cable caused by ground compression and creep can be divided into two stages. The first stage： when the thickness of the soil layer does not reach the limit x， the prestress loss of the anchor cable increases with the increase of the thickness of the soil layer; The second stage： when the thickness of the soil layer exceeds the limit x， the prestress loss of the anchor cable almost remains unchanged with the increase of the thickness of the soil layer， the loss tends to a stable value， and the support system and the rock and soil layer reach a balance state. Based on the project and field monitoring data， the prestress loss of anchor cable caused by stratum compression and creep is studied in this paper， which provides some reference for the design， control and construction of prestressed anchor cable.

Key words：

anchor cable; prestress loss; compression and creep of strata; relaxation of steel strand