預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失機(jī)理分析及其在巖土工程中的應(yīng)用

劉俊慧

（廣州博昊勘測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 廣州）

巖土工程中使用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固后，外界環(huán)境、施工技術(shù)、錨索質(zhì)量等因素都會(huì)對(duì)錨索的錨固力產(chǎn)生影響。如果錨固力損失嚴(yán)重，則無(wú)法起到加固、保護(hù)的作用，不僅影響工程的施工質(zhì)量，而且有可能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全構(gòu)成威脅。因此，在巖土工程施工中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索時(shí)，一方面要明確錨固力損失機(jī)理，進(jìn)而從源頭上采取措施最大程度上減小錨固力損失；另一方面又要做好錨固力損失檢測(cè)，在錨固力不能達(dá)標(biāo)的情況下及時(shí)補(bǔ)償張拉。

1 預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失機(jī)理分析

1.1 土體性質(zhì)對(duì)錨固力損失的影響

1.1.1 土體的蠕變影響

土體具有孔隙率高、易于壓縮、天然強(qiáng)度低等特點(diǎn)，嵌入到土層中的錨索在受到較大的荷載時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的蠕變位移，并帶動(dòng)錨體周邊土體流動(dòng)，導(dǎo)致錨索承載力出現(xiàn)明顯下降。以飽和淤泥地層為例，不同荷載下錨索的蠕變曲線如圖1 所示。

圖1 飽和淤泥地層中錨索的蠕變曲線

由圖1 可知，在飽和淤泥地層中，錨索的蠕變變形主要發(fā)生施加荷載后的前期。當(dāng)施加荷載為300 KN 時(shí)，在載荷施加的前90 min 內(nèi)，蠕變量達(dá)到了1.90 mm，占總?cè)渥兞浚?.59 mm）的73.4%；當(dāng)施加載荷為600 KN 時(shí)，在載荷施加的前90 min 內(nèi)，蠕變量達(dá)到了4.20 mm，占總?cè)渥兞浚?.49 mm）的93.5%。橫向?qū)Ρ葋?lái)看，錨索蠕變量的大小與其預(yù)應(yīng)力成正比，即施加荷載越大的情況下，蠕變量越大。由此可得，土層蠕變是導(dǎo)致錨索錨固力損失的一個(gè)主要因素。

1.1.2 土體的壓縮變形影響

受到預(yù)應(yīng)力錨索的影響，土體在受荷影響區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生塑性壓縮和相對(duì)變?yōu)?。根?jù)前人研究可知，松散地層的土體壓縮量大約在25～30 mm，極限荷載下壓縮量最大可以超過(guò)100 mm。壓縮量除了與施加荷載有關(guān)外，與地層的巖土性質(zhì)也有密切關(guān)系，地層越松散的情況下壓縮量越大。不同地層壓縮引起錨固力損失見表1。

表1 不同地層壓縮引起的錨固力損失（單位：%）

1.2 錨固段巖體質(zhì)量對(duì)錨固力損失的影響

嵌入巖石內(nèi)的錨索，在長(zhǎng)期受到較大預(yù)應(yīng)力作用的情況下，錨固段與圍巖之間形成一段位移，并且隨著位移量的增加錨索的預(yù)應(yīng)力也會(huì)持續(xù)下降，最終使錨索松動(dòng)，從巖石中脫出[1]。圖2 是某巖土工程中2 根預(yù)應(yīng)力錨索的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力損失測(cè)試曲線。

圖2 錨固段不同巖體質(zhì)量與錨固力損失關(guān)系曲線

圖2 中，7-2#錨索嵌入的圍巖屬于完整度較好、硬度較大的閃長(zhǎng)巖，查閱有關(guān)資料可知其BQ（基本質(zhì)量指標(biāo)）值為569，假設(shè)錨索鎖定后預(yù)應(yīng)力值不變，延續(xù)80 h 后錨固力損失僅為12%。9-2#錨索嵌入的圍巖屬于風(fēng)化的軟弱巖層，經(jīng)過(guò)計(jì)算其BQ 值為352，假設(shè)錨索鎖定后預(yù)應(yīng)力值不變，延續(xù)80 h 后錨固力損失達(dá)到了58%。

由此可知，在錨固段巖體完整度高、結(jié)構(gòu)面良好，巖體BQ 值較大的情況下，錨固力損失較??；反之錨固力損失較大。

1.3 震動(dòng)或沖擊對(duì)錨索錨固力損失的影響

巖土工程中使用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行邊坡加固時(shí)，大多采取一邊開挖、一邊施加錨索的方法，這樣在施工期間錨索會(huì)受到爆破、地震或者是鉆機(jī)等多種沖擊力的影響，進(jìn)而造成錨固力損失。尤其是在穩(wěn)定性較差的松散巖體中進(jìn)行鉆挖施工時(shí)，產(chǎn)生的沖擊力會(huì)導(dǎo)致巖體或土體的抗剪強(qiáng)度降低，錨索錨固段的蠕變量增加；同時(shí)，錨固段受到?jīng)_擊作用后與巖體之間產(chǎn)生空隙，變得松動(dòng)，錨固力隨之下降。有研究表明，在巖土工程的爆破作業(yè)中，當(dāng)爆破點(diǎn)與錨索體之間的距離＜5 m 時(shí)，錨索錨固力的損失量是受到相同靜荷載下?lián)p失量的40 倍左右[2]。這里以某水利工程為例，基于施工需要采取了劈裂爆破作業(yè)，對(duì)工程邊坡錨索的錨固力進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 某水利工程邊坡錨索錨固力變化曲線

由圖3 可知，在1 月2日進(jìn)行爆破后，錨固載荷為900 kN；在11 月2 日再次觀測(cè)時(shí)，錨固力降低為745 kN，觀測(cè)期間累計(jì)下降了155 kN，說(shuō)明施工爆破對(duì)錨固力損失有較為顯著的影響。

2 預(yù)應(yīng)力錨索在巖土工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某高速公路的K26+256～K28+604 段位于丘陵地帶，該路段U 型溝谷發(fā)育，植被覆蓋率高，多年平均降水量1 381 mm。邊坡自然坡度36.6～42.7°，一側(cè)坡體有松動(dòng)變形跡象，另一側(cè)靠近溝谷河流。該路段屬于半挖半填露天，有最大高度為90 m 的高邊坡。從地質(zhì)調(diào)查情況來(lái)看，邊坡區(qū)地層以侏羅紀(jì)熔結(jié)凝灰?guī)r為主，巖體裂隙發(fā)育，破碎情況較為嚴(yán)重。為保障公路行車安全，必須要對(duì)邊坡進(jìn)行加固。原加固方案為“混凝土擋土墻+鋼筋網(wǎng)噴射混凝土”聯(lián)合防護(hù)，但是在邊坡開挖期間發(fā)現(xiàn)多處坡面裂縫，并且錨索鉆孔時(shí)遇到數(shù)次卡鉆、突然進(jìn)尺等情況，表明邊坡存在連續(xù)的張開裂隙帶，原防護(hù)方案無(wú)法保證邊坡穩(wěn)定，需要重新設(shè)計(jì)防護(hù)方案。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，優(yōu)化后的方案如下：使用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行Ⅰ級(jí)邊坡加固；Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)邊坡在錨索加固的基礎(chǔ)上，使用鋼筋混凝土格型底梁將外錨頭連接成為整體。

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索施工

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，為了避免發(fā)生牽引式坍塌，施工人員首先進(jìn)行了坡頂外山體的加固處理。使用機(jī)械設(shè)備清理掉坡面松動(dòng)的石塊和質(zhì)量較差的土體后，進(jìn)行邊坡分級(jí)。將原來(lái)的連續(xù)性邊坡改為三級(jí)臺(tái)階式邊坡，按照自上而下的順序進(jìn)行開挖。第一級(jí)高度為20 m，坡率為0.8；第二級(jí)高度為24 m，坡率為0.85；第三級(jí)至高邊坡的山頂，坡率為0.85。完成開挖后，使用小型碾壓設(shè)備將土體夯實(shí)，形成硬度較大并且表面平整的分級(jí)式坡面。然后按照施工圖紙進(jìn)行測(cè)量放線，標(biāo)記出需要插入錨桿、錨索的具體位置，將砂漿錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索插入相應(yīng)位置[3]。同時(shí)，在滑塌體底部設(shè)置水平排水孔，不僅能夠及時(shí)排出坡體徑流，還能消除潑面體滲水。在坡腳出砌筑片石混凝土擋土墻進(jìn)行加固，防止落實(shí)掉落到公路上。

本次巖土工程中共布置了470 根預(yù)應(yīng)力錨索，均采用高強(qiáng)度低松弛無(wú)粘結(jié)鋼絞線，單根鋼絞線的極限抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 950 MPa。每根錨索有5 條鋼絞線組成，錨索長(zhǎng)度在20～30 m 不等。根據(jù)施工方案，錨索預(yù)應(yīng)力至少要達(dá)到750 kN，考慮到存在一定的預(yù)應(yīng)力損失，超張拉10%，即張拉荷載需要達(dá)到825 kN。

2.3 錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

如前文所述，該工程所在地區(qū)的邊坡巖體裂隙較為發(fā)育，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固后需要密切監(jiān)測(cè)錨索的有效預(yù)應(yīng)力，一方面用于檢驗(yàn)該加固方案的應(yīng)用效果和施工質(zhì)量；另一方面也能提前采取應(yīng)對(duì)措施，避免出現(xiàn)邊坡滑塌事故。隨機(jī)抽選一定數(shù)量的錨索，在錨索上安裝測(cè)力計(jì)，抽選數(shù)量不低于錨索總數(shù)的10%。

本次錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用的是MGH 型振弦式錨索測(cè)力儀，由精密傳感器、O 型密封圈、活塞、缸體等組成。壓力傳感器采集到的壓力信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)紾SJ-2 型電腦檢測(cè)儀中進(jìn)行分析，輸出結(jié)果可直接顯示錨索拉力[4]。該儀器的準(zhǔn)確率為0.5%，可以滿足工程監(jiān)測(cè)需要。這里選取第1#、7#和13#三根錨索，在錨索鎖定的120 min 內(nèi)，每20 min 收集1 次數(shù)據(jù)，將記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成表2。

表2 錨固力短期損失速率（單位：kN/min）

由表2 數(shù)據(jù)可知，3 根錨索的錨固力變化趨勢(shì)基本一致，即隨著時(shí)間的增加，錨固力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，1#錨索的錨固力短期損失速率最快，最開始為0.81 kN/min，在測(cè)試結(jié)束是下降到0.22 kN/min，2 h內(nèi)下降了72.8%。

2.4 預(yù)應(yīng)力錨索的補(bǔ)償張拉

從抽樣錨索的錨固力監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，部分錨索的錨固力損失較為嚴(yán)重，達(dá)不到預(yù)期的邊坡加固效果，需要采取補(bǔ)償張拉措施，使錨索應(yīng)力重新達(dá)到設(shè)計(jì)值[5]。這里以其中一根需要補(bǔ)償張拉的錨索為例，補(bǔ)償張拉前后的錨固力損失對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 錨索補(bǔ)償張拉前后錨固力損失對(duì)比

由表3 數(shù)據(jù)可知，該錨索經(jīng)過(guò)補(bǔ)償張拉后，錨固力損失值從160.75 kN 降低為7.05 kN；錨固力損失比從19.60%降低至0.93%，這一數(shù)據(jù)表明補(bǔ)償張拉取得了顯著效果。

3 結(jié)論

巖土工程施工中，采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固能夠顯著提高邊坡穩(wěn)定性。但是錨索的錨固力會(huì)受到多種因素的影響，例如土體的壓縮變形、巖體的應(yīng)力狀態(tài)、鋼絞線的松弛程度以及錨索的施工質(zhì)量等，都有可能導(dǎo)致錨固力損失進(jìn)而達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生安全隱患或質(zhì)量問(wèn)題。施工單位在應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索時(shí)，應(yīng)當(dāng)明確錨固力損失的原因與機(jī)理，并通過(guò)密切監(jiān)測(cè)錨固力的方式，隨時(shí)掌握錨固力變化情況，當(dāng)錨固力達(dá)不到施工要求時(shí)及時(shí)采取補(bǔ)償張拉措施，確保預(yù)應(yīng)力錨索的可靠與穩(wěn)定。