錨索預(yù)應(yīng)力損失變化規(guī)律的數(shù)值試驗研究

溫彥良，常來山，張治強(qiáng)

(遼寧科技大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

隨工程建設(shè)的發(fā)展，工程中遇到的巖土加固問題也越來越突出，預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)是現(xiàn)今巖土加固的一項重要手段，因此在大量的巖土加固工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是，在預(yù)應(yīng)力錨索施工和使用過程中會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失現(xiàn)象，錨索實際有效預(yù)應(yīng)力大小成為評價加固工程效果好壞的一項基本因素。目前，有許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究[1-4]，研究表明，預(yù)應(yīng)力損失與材料性質(zhì)、被錨因介質(zhì)力學(xué)特性、錨夾具的加工質(zhì)量、施工工藝及運行管理水平有關(guān)。錨索的預(yù)應(yīng)力損失，主要來源于三個方面，即張拉過程的損失、錨索鎖定過程的損失和由于時間的變化而引起的預(yù)應(yīng)力損失。

張拉過程中的預(yù)應(yīng)力損失，主要由預(yù)應(yīng)力錨索同孔壁的摩擦和張拉千斤頂?shù)哪ψ枇Υ笮Q定。若鉆孔平直，錨索安裝后不接觸孔壁，則損失很小或不產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。張拉千斤頂?shù)哪Σ翐p失一般只有1%，所以這一損失很小，可以用超張拉來消除。

預(yù)應(yīng)力的鎖定損失。錨索張拉程序完成后，當(dāng)張拉千斤頂卸荷時，是靠工作錨板來鎖定錨索的。鎖定時，鋼絲或鋼絞線均產(chǎn)生一定量的回縮，回縮量大小決定了錨索預(yù)應(yīng)力損失的大小。錨索鎖定后，回縮量大小與錨夾具的設(shè)備和制造工藝有關(guān)，可通過檢測設(shè)備測量得到，并可以通過超張拉、施工工藝和補(bǔ)償張拉來補(bǔ)償。

但由于時間的推移，引起的預(yù)應(yīng)力損失不僅因素復(fù)雜，計算具體損失量也十分因難，一般只能在設(shè)計中，充分考慮各種因素可能引起的預(yù)應(yīng)力損失后，從安全度予以考慮。由時間引起的預(yù)應(yīng)力損失，主要有預(yù)應(yīng)力筋的松弛、混凝土的徐變、被錨固介質(zhì)的流變，以及運行管理期間的各種不利情況等[5]。

本文以數(shù)值模擬的手段，對時間的變化所引起的錨索預(yù)應(yīng)力損失情況進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，并對減少預(yù)應(yīng)力損失措施的結(jié)果進(jìn)行了分析對比。

1 模型計算條件

1.1 模型特點、邊界條件及模擬方法

計算模型中錨索全長6m，錨固段長1m，自由段5m，沿y方向布置于模型的中心,外錨固端位于坐標(biāo)原點。考慮到計算精度的要求和邊界效應(yīng)的影響，最終確定計算模型尺寸取為20m×40m×20m的正六面體。為了提高計算的精確度，單元呈放射狀分布，錨索布于模型中部,這就使得錨索所處的地方單元密度最大,模型共18000個單元，19277個節(jié)點。

為了合理的對墊墩進(jìn)行模擬，此處采用有限差分程序中的襯砌單元模擬墊墩。墊墩邊長取20cm，厚度10cm，模型數(shù)值計算采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則。

文中主要研究錨索預(yù)應(yīng)力及其損失的變化規(guī)律，因此簡化模型的受力狀態(tài)，可以更清楚的表現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律。數(shù)值試驗中簡化的模型，除了一個受到墊墩壓力作用的側(cè)面為自由面外，其他5個側(cè)面均采用法向約束；不考慮其它荷載的影響，也忽略介質(zhì)的重力作用[6]。

因為錨索預(yù)應(yīng)力，對其加固效果有著較為明顯的影響，那么準(zhǔn)確施加錨索預(yù)應(yīng)力就關(guān)系著計算的精度問題。預(yù)應(yīng)力錨索在施工時，一般先將錨索插到孔底，然后在孔底注入一定長度的漿體，等到這部分漿體和錨索硬化到能承受起錨索的初始張拉力時，才進(jìn)行預(yù)張拉，最后鎖定。錨索的模擬采用有限差分程序中提供的錨索單元進(jìn)行，首先讓錨索都有了一定程度的張拉，然后將其與墊墩連接并設(shè)為剛性鉸結(jié)，使其不會發(fā)生相對錯動。由于錨索的被動拉伸會帶動墊墩擠壓巖體，從而使墊墩的作用得以體現(xiàn)。由計算的結(jié)果可以看出，采用這種方法來模擬錨索和墊墩的共同作用是合理的。

1.2 模型的力學(xué)參數(shù)

本文旨在定量研究時間變化條件下，錨索預(yù)應(yīng)力變化的規(guī)律。設(shè)計預(yù)應(yīng)力60kN，模型介質(zhì)為粗砂巖，巖體力學(xué)參數(shù)經(jīng)Hoke-Brown準(zhǔn)則對巖石參數(shù)進(jìn)行折減確定。灌漿體選用水泥砂漿，錨索直徑為φ20 mm，材料具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表

2 計算結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果(圖1、圖2)可見，錨索預(yù)應(yīng)力變化分為三個階段：預(yù)應(yīng)力降低階段、預(yù)應(yīng)力回升階段、預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定階段。

圖1 錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

圖2 外錨頭和內(nèi)錨頭巖體Y向位移變化規(guī)律(向右為正，向外為負(fù))

預(yù)應(yīng)力降低階段：錨索預(yù)應(yīng)力從60kN降低到45.5kN，損失了24.16%左右。錨固鎖定后，錨索各點預(yù)應(yīng)力沿軸向均勻分布，開始逐漸下降，原因在于巖體的徐變，巖體徐變是錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要來源。由于巖體本身存在大量的節(jié)理、裂隙，在外加預(yù)應(yīng)力荷載作用下，必然被壓縮，而這一過程不是短時間能完成的，需要持續(xù)一段時間。一般來說，巖體質(zhì)量越好，節(jié)理裂隙越少，巖體的變形越小，徐變也越小，持續(xù)的時間也短。而對于多裂隙的軟巖，其預(yù)應(yīng)力損失就相當(dāng)可觀。由圖1、圖2可知，在此階段，巖體的徐變主要發(fā)生在外錨頭附近的壓應(yīng)力集中區(qū)，外錨頭附近巖體Y向位移明顯增大，且位移增大規(guī)律與錨索預(yù)應(yīng)力降低規(guī)律完全一致；而此階段內(nèi)，錨頭附近巖體軸向位移基本穩(wěn)定，變化不明顯。

預(yù)應(yīng)力回升階段：預(yù)應(yīng)力從45.5kN回升到49.1kN，此階段預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)了小幅回升，回升幅度6%。錨索與被加固巖體組成了一個錨固體系，錨固體系內(nèi)的錨索和被加固介質(zhì)的相互作用是一個調(diào)整的過程。錨索加固巖體使巖體出現(xiàn)壓縮形變，巖體的壓縮儲存的彈性能量也會對錨索產(chǎn)生拉升作用，從而使得錨索的預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)小幅回升。

預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定階段：預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定在48.9kN，并隨時間開始出現(xiàn)微量下降。錨固體系內(nèi)，錨索和被加固巖體的相互作用基本穩(wěn)定，達(dá)到了一個相對平衡的狀態(tài)，總預(yù)應(yīng)力損失18.5%。

3 提高預(yù)應(yīng)力措施

(1)補(bǔ)償張拉。初始預(yù)應(yīng)力損失造成預(yù)應(yīng)力的不足，可以在初始錨固相對穩(wěn)定后，進(jìn)行補(bǔ)償張拉。補(bǔ)償張拉值的大小為損失的預(yù)應(yīng)力，即損失多少補(bǔ)償多少。文中初次錨固損失11.1kN，因此補(bǔ)償張拉量為11.1kN，計算結(jié)果見圖3。

圖3 補(bǔ)償張拉錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

可見，補(bǔ)償張拉后，由于又施加了預(yù)應(yīng)力，錨固體系內(nèi)平衡狀態(tài)被打破，錨索和被錨固巖體之間再次相互作用，錨索預(yù)應(yīng)力經(jīng)過預(yù)應(yīng)力降低階段、回升階段，從而又達(dá)到一個新的穩(wěn)定階段。最終預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定在57.3kN，比設(shè)計預(yù)應(yīng)力降低了2.7kN，總預(yù)應(yīng)力損失4.5%，比補(bǔ)償張拉之前降低了14%。

(2)超張拉。為了彌補(bǔ)初始預(yù)應(yīng)力損失，可以在施加初始預(yù)應(yīng)力時進(jìn)行超張拉，即張拉值大于設(shè)計預(yù)應(yīng)力，一般超張拉值是設(shè)計預(yù)應(yīng)力的110%～130%。文中確定初始超張拉值為70kN，經(jīng)計算，最終預(yù)應(yīng)力值穩(wěn)定在57.48kN(圖4)，比設(shè)計預(yù)應(yīng)力值低2.52kN，與設(shè)計預(yù)應(yīng)力相比，預(yù)應(yīng)力損失為4.2%，比不采用超張拉降低了14.3%。

對比圖4與圖1可知，不同預(yù)應(yīng)力情況下，錨索預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律完全相同，都經(jīng)歷了降低、回升和穩(wěn)定三個階段，可見這是鎖定后錨索預(yù)應(yīng)力變化的一個基本規(guī)律；同時初始預(yù)應(yīng)力的損失比例基本相同，初始預(yù)應(yīng)力60kN時，預(yù)應(yīng)力損失18.5%，初始預(yù)應(yīng)力70kN時，預(yù)應(yīng)力損失17.9%，因此，鎖定后，錨索預(yù)應(yīng)力絕對損失與初始預(yù)應(yīng)力關(guān)系不大。

圖4 超張拉錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

對比補(bǔ)償張拉和預(yù)張拉兩種措施，可以發(fā)現(xiàn)，這兩種方法都能有效降低預(yù)應(yīng)力的損失，效果都很明顯。但補(bǔ)償張拉施工相對麻煩，同時應(yīng)做好預(yù)應(yīng)力檢測工作；而預(yù)張拉則比較簡單，但預(yù)張拉的量值應(yīng)合理設(shè)計，否則會影響錨固效果。

另外，合理增大墊墩的外形尺寸，選用屈服拉力較大的錨索等，都可以降低錨索預(yù)應(yīng)力損失，再此不予探討。

4 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬技術(shù)相比于現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗有很大的優(yōu)越性，簡便易行，結(jié)論可靠。

(2)鎖定后，錨索預(yù)應(yīng)力的變化經(jīng)歷了降低、回升和穩(wěn)定三個階段。預(yù)應(yīng)力鎖定前，內(nèi)錨頭附近巖體位移較大；而鎖定后，外錨頭附近巖體的位移較大，是造成預(yù)應(yīng)力損失的主要原因。預(yù)張拉的施工應(yīng)在預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定階段。

(3)對補(bǔ)償張拉和預(yù)張拉在降低預(yù)應(yīng)力損失方面的效果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，這兩種措施效果明顯，都可大幅提高穩(wěn)定狀態(tài)的錨索預(yù)應(yīng)力，且結(jié)果差別不大。

(4)預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)內(nèi)錨索和被錨固介質(zhì)是相互作用的，預(yù)應(yīng)力的降低是錨索和被錨固介質(zhì)動態(tài)調(diào)整的結(jié)果。

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