預應力錨索作用機理及預應力損失因素初探

摘要：邊坡預應力錨索加固技術是一種利用巖土體自身強度主動加固方式，預應力錨索施工過程中盡可能減少對被錨固土體或巖體的擾動，影響錨索預應力損失的原因很多，主要有錨索體材料的應力松弛、巖體變形、混凝土的收縮及蠕變、張拉順序、環(huán)境因素以及錨具和張拉設備引起的預應力損失，本文探討了其破壞機理與影響因素。

關鍵詞：預應力錨索，作用機理，影響因素

邊坡預應力錨索加固技術是一種利用巖土體自身強度主動加固方式，預應力錨索施工過程中盡可能減少對被錨固土體或巖體的擾動，最大程度避免了對既有邊坡的整體性產(chǎn)生進一步的破壞，并通過錨固技術合理地利用邊坡巖體或土體自身強度，具有保護邊坡原有結構，造價低等特點，被廣泛應用于鐵路、公路等邊坡滑坡治理和加固工程中。

1、預應力錨索的作用機理

預應力錨索比較細長，不能提供彎曲抗力，僅能提供軸向抗拉，是一維結構單元，其通過外端固定于坡面，另一端穿過邊坡滑動面，錨固于邊坡內(nèi)部穩(wěn)定巖土體中，通過錨索施加的預應力，加大滑移面上的法向壓力，從而產(chǎn)生抗滑阻力，使邊坡巖土體的結構面處于受壓狀態(tài)，從而增大抗滑阻力，以提高邊坡巖土體的整體性，改善巖土體的力學性能，有效控制巖體的位移，增加邊坡穩(wěn)定性，達到治理滑坡及危巖危石的目的。

預應力錨索錨固作用主要有兩種，其一是錨索的物理效應，即使巖體復合成一體，從而提高巖體的整體穩(wěn)定性；其二是對邊坡表面提供壓力以約束邊坡向臨空方向產(chǎn)生變形。

（1）錨索的物理效應

錨索的物理效應是通過改變邊坡巖土體一系列的物理性質(zhì)達到的，例如，壓力注漿材料通過錨索孔擴散到巖體裂隙以及結構面中，從而改善提高了邊坡巖體結構面的力學性能，進而提高邊坡巖體的整體性；預應力錨索的預緊力產(chǎn)生的法向拉力一方面通過外置錨頭作用于邊坡表面，另一方面通過錨固段注漿材料和巖體之間的粘結作用于巖體內(nèi)部，使邊坡巖體成為由錨索、注漿體和巖體相互作用的復合體，增加了巖體整體剛度，從而提高巖體的整體穩(wěn)定性。

（2）錨固的力學效應

錨索錨固巖土體的力學效應主要體現(xiàn)為邊坡表面錨索的自由端張拉鎖定施加預應力之后，彌補了邊坡原有的應力，使邊坡由雙向受力狀態(tài)恢復為三向受力狀態(tài)，邊坡巖土體應力的產(chǎn)生二次重分布，使其內(nèi)部的初始裂隙閉合，進而提高邊坡巖土體的整體剛度。對于邊坡巖體而言，預應力錨索對邊坡壓應力作用阻礙巖層分離，有效控制巖體的位移；加大巖層和滑移面間的摩擦力，且錨索本身的抗剪切作用可以阻礙巖層間的相對滑動，使巖層夾緊形成組合梁，從而提高巖層的承載能力。

綜上所述，預應力錨固技術其錨固作用的主要特點為：

(1) 受力合理。能充分利用巖土體的抗剪強度平衡結構物的拉力，積極調(diào)用巖土體的自身強度和自穩(wěn)能力，因而能大量節(jié)約建筑材料和工程投資。

(2) 主動抗衡。錨索安裝后即能提供足夠的抗力，有效的限制巖土體的位移。

(3) 改善巖土體的應力狀態(tài)，能有效控制巖土體及工程結構的變形，增強了巖土工程的穩(wěn)定性，并能使較弱結構面上或滑移面上的抗剪強度得以提高，同時能保證工程的長期穩(wěn)定性。

2、錨索預應力損失主要因素

影響錨索預應力損失的原因很多，主要有錨索體材料的應力松弛、巖體變形、混凝土的收縮及蠕變、張拉順序、環(huán)境因素以及錨具和張拉設備引起的預應力損失，錨索預應力損失具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）錨索體材料的應力松弛

預應力錨索在張拉后，錨索在長期高拉應力軸向荷載作用下，產(chǎn)生應力松弛而導致錨索體材料的預應力損失。應力松弛損失與錨索體材料性能、鋼材的型號、所處環(huán)境溫度有很大的關系，但鋼材的應力松弛導致的預應力損失一般在5%～10%之間。鋼材的應力松弛大小與張拉荷載的大小有關，張拉應力越大，松弛損失就越大，實驗表明，當施加的預應力超過鋼材強度標準值的50%時，應力松弛值增長顯著。應力松弛在張拉后初期發(fā)展迅速，1天之后預應力損失達到80% ，大約20天以后，應力松弛曲線趨于極限，松弛基本上不再發(fā)展。

（2）邊坡巖土體的變形

巖土體在錨索預應力以及原巖應力作用下，會發(fā)生蠕變現(xiàn)象，應變逐漸增大，導致錨索預應力減小。蠕變引起的預應力損失與巖體的軟硬以及密實程度密切相關，巖石越堅硬，蠕變越小，預應力損失值相應的也比較小。巖體的結構完整性是影響巖體變形的重要因素，自然地質(zhì)條件下的巖體存在大量結構面、節(jié)理、裂隙等，在錨索施加預應力的作用下時，這些裂隙趨于閉合，從而導致錨索預應力損失。在施加預應力初期，巖體壓縮變形顯著，預應力損失明顯。邊坡在施工過程中，由于開挖形成臨空面，邊坡內(nèi)部應力重分布，巖體向臨空面發(fā)生變形，導致錨索張拉而產(chǎn)生預應力增大的趨勢，但這種趨勢隨時間的增長逐漸趨緩。

（3）錨具和張拉設備引起的預應力損失

錨具不可避免的存在夾片回縮問題，因此錨頭夾具是產(chǎn)生的預應力損失的又一重要因素。

錨索張拉系統(tǒng)一般由油泵、油表、油管和千斤頂?shù)炔糠纸M成。張拉系統(tǒng)的摩阻損失為2%～4%左右，因此油表所顯示的張拉力，比千斤頂?shù)撞夸摻g線的受力實際值要大2%～4%左右。一般情況下張拉都是以油表讀數(shù)為基礎的，因此應考慮張拉系統(tǒng)引起的預應力的損失量。

（4）混凝土的收縮以及蠕變導致的預應力損失

錨索的錨頭端通常固定在抗滑樁、框架梁或錨墊墩上，混凝土本身具有收縮和蠕變性質(zhì)，因此在施加預應力后，混凝土構件會產(chǎn)生相應的壓縮變形從而導致預應力損失。

（5）張拉順序引起預應力損失

當邊坡上有多個孔錨索時，比較合理的張拉方式應該是同步張拉，但往往受設備以及施工環(huán)境的限制，通常有一臺或幾臺設備依次進行張拉，如果采用順序張拉方式，當張拉后面的錨索時，由于邊坡所受壓應力增大，導致邊坡進一步產(chǎn)生壓縮變形，此時最初張拉的錨索預應力不可避免就會損失一部分。張拉順序應考慮對鄰近錨索的影響以及盡量減少預應力損失，因此多采用隔位張拉。

（6）環(huán)境因素引起的預應力損失

環(huán)境對錨固力的影響主要集中反映在巖體裂隙較為發(fā)育、滲透系數(shù)較大的區(qū)域。

雨水或地下水滲入巖體裂隙或錨孔，如果裂隙內(nèi)存在諸如膨脹土等遇水膨脹或耐崩解性較低的巖土體介質(zhì)，會加劇裂隙的擴展；在北方地區(qū)，裂隙中的水的凍融也會造成裂隙加大。總之，一般情況下環(huán)境因素對錨索預應力的影響主要體現(xiàn)在錨固應力的增加上，并且具有時間滯后效應。但隨著裂隙水的逐漸消散，增加的錨固預應力也會隨之消失。

（7）爆破與地震等沖擊力引起的預應力損失

邊坡開挖過程中爆破、重型機械或地震力發(fā)生的沖擊力會造成錨索預應力大量損失，且該損失量較之邊坡所受靜荷載作用引起的錨索預應力損失量要大得多。大量工程經(jīng)驗表明，當在距錨索3m之內(nèi)進行爆破作業(yè)時，錨索預應力損失明顯，其預應力損失量要比錨索在相同時間受靜載作用發(fā)生的預應力損失量大36倍。

3、結論

文章初步介紹了預應力錨索邊坡加固的基本原理及邊坡使用過程中錨索預應力損失的基本原因，為預應力錨索加固邊坡工程設計施工提供了有益的參考。盡管預應力錨索邊坡加固理論已經(jīng)取得了一定的成果，但是仍然處于探索和研究的階段。在我國的相關設計施工規(guī)范中，還沒有對其具體設計計算原則和施工方法做出相應的規(guī)定和說明。目前，大多數(shù)設計施工單位都是按照已有的工程經(jīng)驗結合工程實踐進行設計施工，理論研究遠遠落后于工程實踐。隨著理論水平和新施工工藝的不斷發(fā)展，預應力錨索在邊坡加固工程中將得到進一步的發(fā)展。

作者介紹：木鑫澤，男，1976年出生，1996年畢業(yè)于浙江大學工程管理專業(yè)，本科，工程師。單位：溫州市區(qū)灣區(qū)交通工程建設指揮部。