預應力錨索錨固力損失機理分析及其在巖土工程中的應用

劉俊慧

（廣州博昊勘測技術有限公司，廣東 廣州）

巖土工程中使用預應力錨索進行加固后，外界環境、施工技術、錨索質量等因素都會對錨索的錨固力產生影響。如果錨固力損失嚴重，則無法起到加固、保護的作用，不僅影響工程的施工質量，而且有可能對現場施工人員的安全構成威脅。因此，在巖土工程施工中應用預應力錨索時，一方面要明確錨固力損失機理，進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，在錨固力不能達標的情況下及時補償張拉。

1 預應力錨索錨固力損失機理分析

1.1 土體性質對錨固力損失的影響

1.1.1 土體的蠕變影響

土體具有孔隙率高、易于壓縮、天然強度低等特點，嵌入到土層中的錨索在受到較大的荷載時會發生明顯的蠕變位移，并帶動錨體周邊土體流動，導致錨索承載力出現明顯下降。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生施加荷載后的前期。當施加荷載為300 KN 時，在載荷施加的前90 min 內，蠕變量達到了1.90 mm，占總蠕變量（2.59 mm）的73.4%；當施加載荷為600 KN 時，在載荷施加的前90 min 內，蠕變量達到了4.20 mm，占總蠕變量（4.49 mm）的93.5%。橫向對比來看，錨索蠕變量的大小與其預應力成正比，即施加荷載越大的情況下，蠕變量越大。由此可得，土層蠕變是導致錨索錨固力損失的一個主要因素。

1.1.2 土體的壓縮變形影響

受到預應力錨索的影響，土體在受荷影響區域內會產生塑性壓縮和相對變為。根據前人研究可知，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100 mm。壓縮量除了與施加荷載有關外，與地層的巖土性質也有密切關系，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 錨固段巖體質量對錨固力損失的影響

嵌入巖石內的錨索，在長期受到較大預應力作用的情況下，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應力也會持續下降，最終使錨索松動，從巖石中脫出[1]。圖2 是某巖土工程中2 根預應力錨索的現場預應力損失測試曲線。

圖2 錨固段不同巖體質量與錨固力損失關系曲線

圖2 中，7-2#錨索嵌入的圍巖屬于完整度較好、硬度較大的閃長巖，查閱有關資料可知其BQ（基本質量指標）值為569，假設錨索鎖定后預應力值不變，延續80 h 后錨固力損失僅為12%。9-2#錨索嵌入的圍巖屬于風化的軟弱巖層，經過計算其BQ 值為352，假設錨索鎖定后預應力值不變，延續80 h 后錨固力損失達到了58%。

由此可知，在錨固段巖體完整度高、結構面良好，巖體BQ 值較大的情況下，錨固力損失較小；反之錨固力損失較大。

1.3 震動或沖擊對錨索錨固力損失的影響

巖土工程中使用預應力錨索進行邊坡加固時，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受到爆破、地震或者是鉆機等多種沖擊力的影響，進而造成錨固力損失。尤其是在穩定性較差的松散巖體中進行鉆挖施工時，產生的沖擊力會導致巖體或土體的抗剪強度降低，錨索錨固段的蠕變量增加；同時，錨固段受到沖擊作用后與巖體之間產生空隙，變得松動，錨固力隨之下降。有研究表明，在巖土工程的爆破作業中，當爆破點與錨索體之間的距離＜5 m 時，錨索錨固力的損失量是受到相同靜荷載下損失量的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，對工程邊坡錨索的錨固力進行了觀測，結果如圖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日進行爆破后，錨固載荷為900 kN；在11 月2 日再次觀測時，錨固力降低為745 kN，觀測期間累計下降了155 kN，說明施工爆破對錨固力損失有較為顯著的影響。

2 預應力錨索在巖土工程中的應用

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°，一側坡體有松動變形跡象，另一側靠近溝谷河流。該路段屬于半挖半填露天，有最大高度為90 m 的高邊坡。從地質調查情況來看，邊坡區地層以侏羅紀熔結凝灰巖為主，巖體裂隙發育，破碎情況較為嚴重。為保障公路行車安全，必須要對邊坡進行加固。原加固方案為“混凝土擋土墻+鋼筋網噴射混凝土”聯合防護，但是在邊坡開挖期間發現多處坡面裂縫，并且錨索鉆孔時遇到數次卡鉆、突然進尺等情況，表明邊坡存在連續的張開裂隙帶，原防護方案無法保證邊坡穩定，需要重新設計防護方案。結合現場情況，優化后的方案如下：使用預應力錨索進行Ⅰ級邊坡加固；Ⅱ級和Ⅲ級邊坡在錨索加固的基礎上，使用鋼筋混凝土格型底梁將外錨頭連接成為整體。

2.2 預應力錨索施工

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

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

2.3 錨索預應力監測

如前文所述，該工程所在地區的邊坡巖體裂隙較為發育，采用預應力錨索加固后需要密切監測錨索的有效預應力，一方面用于檢驗該加固方案的應用效果和施工質量；另一方面也能提前采取應對措施，避免出現邊坡滑塌事故。隨機抽選一定數量的錨索，在錨索上安裝測力計，抽選數量不低于錨索總數的10%。

本次錨索預應力監測采用的是MGH 型振弦式錨索測力儀，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被轉換成電信號，傳輸到GSJ-2 型電腦檢測儀中進行分析，輸出結果可直接顯示錨索拉力[4]。該儀器的準確率為0.5%，可以滿足工程監測需要。這里選取第1#、7#和13#三根錨索，在錨索鎖定的120 min 內，每20 min 收集1 次數據，將記錄數據統計成表2。

表2 錨固力短期損失速率（單位：kN/min）

由表2 數據可知，3 根錨索的錨固力變化趨勢基本一致，即隨著時間的增加，錨固力呈現出下降趨勢。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，在測試結束是下降到0.22 kN/min，2 h內下降了72.8%。

2.4 預應力錨索的補償張拉

從抽樣錨索的錨固力監測結果來看，部分錨索的錨固力損失較為嚴重，達不到預期的邊坡加固效果，需要采取補償張拉措施，使錨索應力重新達到設計值[5]。這里以其中一根需要補償張拉的錨索為例，補償張拉前后的錨固力損失對比結果見表3。

表3 錨索補償張拉前后錨固力損失對比

由表3 數據可知，該錨索經過補償張拉后，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%，這一數據表明補償張拉取得了顯著效果。

3 結論

巖土工程施工中，采用預應力錨索進行加固能夠顯著提高邊坡穩定性。但是錨索的錨固力會受到多種因素的影響，例如土體的壓縮變形、巖體的應力狀態、鋼絞線的松弛程度以及錨索的施工質量等，都有可能導致錨固力損失進而達不到設計要求，產生安全隱患或質量問題。施工單位在應用預應力錨索時，應當明確錨固力損失的原因與機理，并通過密切監測錨固力的方式，隨時掌握錨固力變化情況，當錨固力達不到施工要求時及時采取補償張拉措施，確保預應力錨索的可靠與穩定。