高邊坡預應力錨索錨固力的損失分析

錢婭

（云南省公路工程監理咨詢有限公司，云南昆明 650000）

0 前言

隨著我國經濟的高速發展，公路建設突飛猛進，公路等級也在不斷提高，高填深挖隨處可現，尤其在云南山嶺重丘區，高填方高邊坡更為普遍，路基下沉、邊坡滑坍等病害也常有發生。在處治和預防邊坡滑移的過程中，預應力錨索是效果最好、處治最徹底的一種措施，因而也就得到了最為廣泛的應用。但是錨固應力將會因為受到安裝錨具、巖體發生變動、張拉系統的存在以及鋼絞線在使用中出現松弛等多種因素影響而有所損失，損失程度將會對整個錨固工程實踐結果產生最為直接的影響。所以，想要明確錨固效果評價、了解張拉的荷載，對錨索預應力所產生的損失做出合理的估算，具有積極意義[1]。

筆者結合親自實踐的昭待高速公路十二合同段K225+170～K225+320 段滑坡體錨索加固處理的過程，淺述在該過程中的心得和體會，供廣大公路建設者在施工類似工程時借鑒。

1 工程概況

昭待高速公路K225+170～K225+320 段路基為深開挖路塹，長377m，最大挖深35m，右側為推移式滑坡，該滑坡為一土質滑坡，滑體主要由山前殘坡積物和滑坡堆積物組成，成分主要為粘土和碎石土，滑體松散堆積層狀與山體自然坡度近乎平行。滑床為弱風化基巖，滑坡平面形態呈“舌”狀，前緣部份隆起，后緣已不清晰，其側壁清晰有陡坎。滑坡前緣寬約130m，后緣寬約70m，前后緣高差48m，長約150m，滑動方向為由東向西。原設計采用在第一臺邊坡平臺處設置抗滑擋土墻進行處治，擋墻底有3m 長φ25 砂漿錨桿鎖腳。施工中，邊坡嚴重失穩，已施工的部份抗滑擋墻下移傾倒損毀。為確保路基穩定及運營后的行車安全，對該段路基右側邊坡采取預應力錨索、框格梁、抗滑樁、放緩邊坡清除坍體、樁板墻等綜合防護處治措施。

2 錨索張拉實際伸長量與理論伸長量對比

通過使用四級張拉操作錨索，每級張拉分別15%、30%、70%、100%，在開始張拉之前，首先要完成初步的張拉任務，在進行張拉時，需要嚴格參考錨墊板與OVM15-5 型號錨具。張拉的時候要校核錨索伸長量與張拉應力值控制情況，將理論層面的伸長量與實際操作獲得的伸長量兩者之間的差異維系在6%之內，若是超出整個范圍，便需要停止張拉，重新檢查核對千斤頂及油壓表是否配套，必要時應送有資質的單位重新標定，同時觀看坡面、檢查錨墊板，對預應力鋼絞線進行彈性檢驗，總之，一定要將原因查明并采取措施予以調整后，方可繼續張拉。本段邊坡防護，根據不同的地質地形，錨索的長度不同，而且錨固段和自由段的長度也不相同，以K225+213 斷面A12B5孔為例：錨固段Lmg=12m，自由段Lzy=11m，在計算理論伸長量的時候，要根據以下公式展開：

式中：△L-理論伸長量，mm；N-錨索張拉張，N；Lzy-錨索自由段長度，mm；E-錨索的彈性模量，MPa 取 195；A-錨索截面面積，mm2。

將相關數據代入上述公式為：

△L=（500×1000×11×1000）/（195×1000×139×4）=50.7mm

現場實際張拉的結果如表1 所示。

表1 A12B5 孔錨索張拉記錄

現場實際伸長量△L=8.5×2+19.7+16.1=52.8m（計算中初張拉時的伸長量采用相鄰級的伸長值代替），則實際伸長量與理論伸長量的差值為52.8-50.7=2.1mm，2.1/50.7=4.14%＜6%，通過上述計算可知，實際張拉結果滿足技術標準要求。

3 預應力損失分析

測試損失的預應力選擇的設備為XYJ 型的三弦式荷載傳感器，選擇使用型號為GK403 的數據采集儀作為采集預應力數據的設備。在預應力錨索錨墊板上安裝完成三弦式荷載傳感器，之后需要將千斤頂安裝在上面，將壓力分級施加到錨索之上。每增加一級以后，都必須要通過自鎖式錨具完成鎖定，使得油泵得以完全解壓，之后再次開始準備下一次的荷載操作。劃分錨索應力損失，將其成為兩個不同的部分，①加載結束以后的損失部分；②加載過程中的損失部分。其中①所造成的損失主要是由于坡面巖體出現蠕變以及鋼絞線發生松弛，屬于變形與松弛損失。②所造成的損失包括有夾片和錨具等出現回縮變形現象、卸載過程中釋放油壓以及張拉系統摩擦阻力等引發的損失，屬于系統性的損失。

3.1 系統損失

理論層面上的夾片與錨具所導致的預應力損失，在計算損失量的時候可以按照如下公式展開：

其中：△L-夾片與錨具在變形時出現的回縮值；L-有效的錨索長度，即自由段的長度值；Ey-鋼絞線的彈性模量（取195MPa）；A-鋼絞線的截面積。

以具有相同設計參數的A12B6、A12B7、A12B8計算該部分預應力損失，單根預應力錨索 Nl=（139mm2×4×195MPa×6mm）/10m=65.1kN。其損失率=65.1/500=13.02%。

現場實測 A12B6、A12B7、A12B8三點預應力損失如表2 所示，可以計算三點平均預應力損失為Ns=（36.5+37.55+37.8）/3=37.3kN，平均損失率=（7.30%+7.51%+7.56%）/3=7.46%。

表2 A12B6、A12B7、A12B8 號錨索預應力系統損失

從上述數據可以看出，理論結果相比較于實際測量的結果而言是偏大的，即使是再將因為受到摩阻力影響而導致的預應力損失添加上，實測結果仍舊是大于理論值，并且實際測量的結果中還包含有釋放油壓而導致的各種損失，所以在實際的設計與施工環節，預應力損失用該理論計算式計算并代表系統應力損失是偏于安全的。

3.2 松馳與變形損失

完成加載以后，損失預應力是一個持續的過程，損失的預應力主要是因為坡面的巖體發生變動，鋼絞線發生松弛而引起。

3.2.1 鋼絞線的松馳

由于受到長時間的荷載作用影響，鋼絞線將會時移事易，出現應力松弛，這個過程將會持續十幾年到幾十年不等，所以在實驗中很難展開相關的測試。所以，在大多數情況下將會按照1000h 的松弛量，松弛量的數值受到應力水平的影響，最為常見的鋼絞線松弛率結果如表3 所示。

表3 常用鋼絞線的松馳率

鋼絞線所表現出來的松弛率大小，不僅受到鋼絞線本身所表現出來的物理力學特征影響，同時還會受到初應力的影響。在對受到長期荷載影響的鋼絞線所出現的應力損失展開計算的時候，普遍的是需要根據張拉控制應力的90%展開。

3.2.2 巖體的蠕變

由于巖體其本身就具有各向異性以及不連續的特點，受荷區的巖體內部的所有組成單元將會因為受到應力的影響而出現相對移位以及塑性壓縮變形的特征。這種現象的出現是伴隨著時間的變化而變化的，這就被稱作為巖體的蠕變。就預應力錨索而言，主要是在應力較為集中的位置發生巖體蠕變現象，巖體的結構位置將會因為受到錨固力的影響而出現壓密，所以，巖體在受到錨固力的影響下，將會緩緩的出現壓縮變形，進而導致預應力出現損失。錨索預應力發生損失是受到結構特性與巖體強度等因素的影響，因為巖體發生形變，將會導致錨固力在一周之后出現緩慢損失。下面以A12B6、A12B8號錨索的觀測值為例，分析因為坡面的巖體出現蠕變或者是鋼絞線發生松弛而導致的預應力損失。

（1）A12B6號錨索預應力短期變化

錨索預應力的損失過程，是一個長期的過程，持續的時間甚至可以達到數十年。當A12B6號錨索在完成加載以后的2.5h、4.5h和150h 的三個時刻，對錨索預應力的損失數值展開詳細的觀測與分析。通過分析的結果表明，在最開始的2.5h 之內，錨索預應力所表現出來的預應力損失速度時最快的，所示的預應力約為25.51kN。之后，預應力損失的速度將會逐漸的趨向于緩慢，等到4.5h 以后，預應力損失的數值將會達到1.31kN.。當鋼絞線松弛與坡體蠕變在經過150h 的變化以后，對其變化的結果進行計算，預應力數值變化結果僅僅為6.57kN，總損失大約占據設計值的6.68%。

（2）A12B8號錨索預應力短期、長期變化

A12B8號錨索在系統出現應力損失以后，其錨固力在150h 以內的損失變化曲線與長期損失變化曲線。隨著時間的變化推移，A12B8號錨索長期預應力損失將會逐漸趨向于穩定數值。通過記錄的結果可以清楚的了解，錨索預應力的長期損失結果占據12%左右。

3.3 錨索錨固力變化的環境影響

3.3.1 降雨對錨固力的影響

錨固力還會受到降雨歷時以及降雨總量的影響，并且效果十分明顯。產生這種影響的結果將會在巖體裂縫發育中有所體現，特別是在具有較大滲透系數的位置中，同時具備明顯的時間滯后效應。因為滑動位置遇到水以后，將會降低強度，削減抗剪力，從而造成錨固力逐漸喪失。但是根據現場觀察測量的結果可以清楚的了解，在降雨之后，裂縫中的水分消失，錨固力又會緩慢的恢復到降水之前，所以說，錨固力受到降水的影響不大。

3.3.2 溫度變化對錨固力的影響

溫度變化所產生的影響，主要是在巖體變形領域中有所體現，將會造成錨索的預應力錨固力發生變動。因為受到熱脹冷縮的影響，巖石的內部位置將會出現應力狀態變化，巖體的溫度上升的時候，將會增加錨固力，若是溫度下降，將會降低錨固力。巖體不同，膨脹系數也有所差異，所以，溫度的變化情況，也將會導致錨固力出現變動。由于巖體的膨脹系數較小，溫度變化引起的錨固力變化值很小，工程中可以不考慮溫度變化對錨固力的影響。

4 結語

通過對預應力錨索施工過程中系統引起的損失和鋼絞線松馳與巖體蠕變引起的損失進行分析，結果表明：錨具、夾片等變形回縮是系統損失的主要因素，鋼絞線松馳與巖體蠕變是引起錨固力長期損失的主要原因，施工中氣候變化引起錨固力損失在氣候的回復過程中可以忽略。試驗及計算結果顯示，該邊坡系統引起的損失值大小約占13.02%，鋼絞線松馳與巖體蠕變引起的損失值大小約占12.0%，即鋼絞線的預應力損失合計為25.02%，那么在為錨索施加預應力的時候，我們采取比設計控制力增加25.02%的超張拉是比較合理的，這樣就可以為彌補系統和鋼絞線及巖體蠕變而形成的預應力損失，能保證錨索在正常工作狀態下滿足錨固力的要求。當然在具體邊坡錨索預應力超張拉力計算時，應考慮鋼絞線的強度級別，所施加超張拉后的錨固應力應小于0.8 倍鋼絞線的強度[2-3]。