锚索内锚段荷载分布及其随时间变化规律

景 锋，成传欢，余美万，陈 昊，刘元坤

锚索内锚段荷载分布及其随时间变化规律

景 锋，成传欢，余美万，陈 昊，刘元坤

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点试验室，武汉 430070）

现关于预应力锚索的研究多集中在荷载传递与加固机理方面，而对于运行期内锚段载荷分布随时间变化及其与锚索有效预应力的关系研究则较少。基于某水电站预应力锚索现场试验，研究了锚索张拉过程中的内锚头变位与内锚段载荷的非线性传递，及运行初期内锚段载荷分布随时间的调整变化规律及其与预应力变化间的影响。研究发现，拉力集中型锚索张拉后内锚段应力集中现象很严重，运行初期荷载从内锚段起始端向尾部发生了转移和调整，即是在锚索预应力快速下降阶段；但随着锚索预应力的持续降低和趋稳，内锚段荷载从起始端向尾部转移停止，随之沿整个内锚段的受荷均减小并趋于稳定，其后期变化规律与锚索预应力变化规律趋于一致。

预应力锚索；预应力损失；载荷分布；内锚固段；变化规律

1 概 述

预应力锚索因能充分地发挥岩土的自承潜力，调节和提高岩土的自身强度和自稳能力，减轻支护结构的自重，节约工程材料，并能保证施工的安全与稳定，具有显著的经济与社会效益，已在岩土工程中得到广泛的应用［1，2］。

目前许多学者在锚固方面做了许多研究，但关于预应力锚索的相关研究多集中在荷载传递与加固机理方面。尤春安、顾金才、邬爱清和丁秀丽等分别基于解析解、试验或数值分析研究了锚索的荷载传递和加固机理，研究表明传统拉力集中型锚索内锚段荷载分布极其不均匀［3－6］。

关于锚索的长期稳定性，程良奎从环境腐蚀方面研究了锚固工程的长期稳定性［7］。陈安敏、朱晗迓和孙红月等对锚索预应力的变化规律进行了分析，并探讨了不同的预应力数学预测模型［8，9］。

但目前关于预应力锚索，因试验成本高，测试难度大等，其理论研究则多是借鉴锚杆的研究成果来进行理论探讨，而进行现场试验的还不很多，尤其对锚索的内锚段载荷分布随时间调整变化规律方面的现场试验研究更少。因此，进行这方面研究，可了解和佐证预应力锚索的预应力和内锚段载荷的传递变化规律，以及两者之间的变化关系。对了解锚索的工作性态，分析所加固岩体的稳定性，以及对改进预应力锚固设计均具有重要的作用。

某泄洪建筑物落差达171 m，消能防冲采用防淘墙防护形式，最大高度为40 m，地层岩性软弱。防淘墙沿边坡及滑坡体坡脚布置，最大埋深23～48 m，需采用2 000 kN系统预应力锚索加固以保证墙体和坡体稳定。但墙后岩体主要为砂页岩，承载力低，鉴于锚固工程的工作性态直接关系到整个工程的安全，需进行相应的锚索试验。

结合该工程的锚索现场张拉试验和监测，研究了锚索张拉过程中的内锚段变位、载荷传递分布规律；并首次研究了运行初期锚索的预应力变化规律和内锚段荷载分布随时间的调整规律，及两者间的相互关系。该研究成果可为工程的长期稳定性研究提供依据，并为其它类似工程的设计、施工和运营监测提供参考。

2 试验测试方案

试验锚索为集中拉力型，采用无粘结双层保护，以提高锚索抗腐蚀能力。锚索张拉段长30 m，内锚段长10 m，设计吨位为2 000 kN，超张拉10%。

试验研究内容：张拉过程中内锚头变位以及内锚固段荷载分布；锚索锁定后初期预应力和内锚固段荷载分布调整变化规律；锚索锁定后初期预应力与内锚固段荷载分布两者之间的变化关系等。

试验方法：通过钢尺量测孔口钢绞线伸长值反推内锚头变位；内锚固段载荷分布通过内锚段钢绞线上的应变计测量；锚索有效预应力则通过锚索测力计观测。

根据传统拉力集中型锚索内锚段荷载分布非线性的特点［2－6］，将应变计布置在靠近内锚段起始端约4．5 m轴力变化大的范围内，另外为了解内锚段轴力有效传递深度，在距内锚起始端4．5 m后也布置了少量测点。内锚段应变计布置具体见图1。

图1 测点布置示意Fig．1 The sketch map of test arrangement

3 试验结果及分析

3．1 钢绞线伸长值特征

锚索张拉过程中，钢绞线伸长值可反映锚索的孔壁摩擦、钢绞线自身变形和内锚固段位移等情况，在弹性范围内理论伸长值可用下式估算，

式中：Δl为理论弹性伸长量；P为锚索张拉力；L为张拉段长度；E为钢绞线弹模；A为钢绞线截面积；n为钢绞线根数。

根据工程经验和理论计算，钢绞线伸长值应大于张拉段弹性伸长量的80%，并小于张拉段长度加上内锚段长度1／2的理论伸长值。

钢绞线伸长值采用钢尺在孔口直接测量，其位移上下限值、理论伸长值以及实测的位移值见图2。图2表明，钢绞线伸长值满足要求，与张拉载荷总体呈线性关系。并且在每级试验载荷稳压10～30 min情况下，钢绞线徐变值均小于2 mm，说明内锚固段张拉过程中未出现明显破坏迹象，整体基本上处于弹性变化范围内。

3．2 锚索张拉过程中内锚固段载荷分布规律

锚索全孔采用聚乙烯波纹管保护，波纹管内外全部灌注水泥浆，荷载传递过程为：钢绞线－波纹管内浆体－波纹管－波纹管外浆体－岩体。

文中内锚段轴力为实测值，取内锚段和张拉段分界点为原点，沿内锚段轴线向岩体深处为正轴，各级张拉荷载下内锚段轴向力分布见图3。图中所示每级的试验载荷为锚索测力计实测值，其与张拉千斤顶出力存在少量差异。

图2 锚索张拉载荷与钢绞线伸长关系Fig．2 The relationship between cable tension load and extension of steel strand

图3 锚索张拉过程中内锚固段轴力分布Fig．3 Axial stress distribution curves of tensioned cable

图3 表明，随张拉荷载增加，各测试截面轴力均呈增大趋势，靠近内锚起始段轴力较大，向内锚固段末端迅速衰减，轴力分布呈现严重的应力集中和非线性，整体分布形态为指数函数形式，与许多学者研究成果相同［3，6］。其中内锚段起始段0～2 m范围内应力高度集中，其后急剧衰减，约90%载荷由内锚段起始段的0～3m承担。内锚段轴力在7．5 m处基本衰减至零，最大传递深度约7．5 m，表明锚索具有一定安全储备长度，锚固系统可靠程度较高。

一般张拉时，锚索内锚段粘聚力并不完全、同时发挥作用，而是从起始端向末端逐渐发挥作用。随着荷载增大，影响区域向末端扩展，轴力形态呈下凹状。当荷载增大到一定值时，轴力分布形态变为上凸状，最后锚索与浆体之间的粘结几乎被破坏，此时其整体已处于滑动临界状态［3］。该试验锚索内锚段轴力分布形态为下凹状、有效荷载传递深度约为7．5 m、内锚头没有异常变位等情况，说明试验锚索工作性态良好。

另基于尤春安根据Kelvin问题位移解得出的内锚段的弹性应力分布［3］，估算了不同张拉载荷下试验锚索的轴力分布形态。计算结果与实测结果对比表明，两者分布形态相似，但实际情况更复杂。该试验锚索在不同张拉载荷下，内锚段局部轴力变化并非简单按理论上的函数形式逐步放大，而是一个复杂变化过程。

本次当张拉吨位低于1 400 kN时，各测点轴力与经验分布形式较一致。但当张拉吨位高于1 400 kN后，可能受局部地质差异等影响，锚体局部变形不协调，部分测点异常，但轴力分布曲线形态仍呈下凹状，无向直线或上突状形态演变迹象，表明自始自终内锚段未出现明显破坏。

3．3 锚索锁定后初期预应力变化规律

锚索预应力损失大小直接影响到锚固效果和边坡的安全。该试验锚索锁定损失较大，约为10%，锁定后初期新增预应力损失及损失过程见图4。

图4 锚索预应力随时间变化过程曲线Fig．4 Typical curve of cable prestress variation over time

从锚索锁定后初期两个多月的变化看，锁定后新增总损失达8%，根据锚索预应力初期随时间的变化特点，可将其变化过程分为3个阶段［10，11］。各阶段统计结果见表1。

表1 锚索预应力损失统计表Table 1 The statistics of prestress loss

第1阶段，自锚索锁定到第4天左右，为急剧损失阶段。该阶段锚固力降低最快，损失率增大约4%，约占后期锚固力损失一半，主要是受钢绞线松弛、外锚墩变形、内锚段和锚固岩体变形等综合作用。

第2阶段为自第1阶段结束到第40天左右，为稳步下降段。其主要受锚固岩体和锚索内锚段变形影响，并受环境温度及大气降雨影响，此阶段锚索钢绞线松弛与外锚墩时效变形对锚索预应力影响已较小。虽此阶段锚索预应力下降仍较快，损失率增大了约4%，损失率总量增大到约8%，但下降速率已大大降低，约为第1阶段的1／9。该阶段持续时间长，主要是受加固岩体岩性软弱影响。

第3阶段，自锚索锁定约第40天后，为基本稳定阶段。该阶段主要受地下水、温度变化、钢绞线松弛、锚固岩体和锚体应力调整等因素影响，锚索有效预应力呈现平稳变化趋势，虽中间仍然有所减小，但是降低程度与第1和第2阶段相比，已相当小。

3．4 锚索运行初期内锚段载荷变化规律及其与预

应力间的相互影响

图5给出锚索内锚段50 cm、100 cm、350 cm和750 cm处轴力以及锚索预应力损失率随时间变化关系曲线。

图5 锚索预应力与内锚段轴力随时间变化关系Fig．5 The curves of cable prestress variation and inner-anchor axial stress variation over time

据内锚段载荷分布的随时间变化规律，将其分为与锚索预应力变化过程类似的3个阶段。

第1阶段，自锚索锁定后约第4天内，为急剧变化阶段，各测点轴力变化大，整体呈下降趋势，该阶段是多种因素相互作用结果，如加固岩体、外锚墩、钢绞线和内锚段变形等引起预应力降低，进而引起内锚段载荷变化，其相互作用是一复杂过程。

第2阶段约在第4天至第25天之间，为稳步调整变化阶段，近内锚段起始端测点轴力变化大，持续时间长，且载荷分布明显出现了调整和向内锚段后部转移迹象，其中50 cm处轴力有小幅增加，但50 cm后轴力整体呈下降趋势。该阶段载荷分布变化规律说明，受岩体或锚体蠕变和局部变形破坏影响，载荷向内锚段尾部产生了调整转移，但调整深度小于1 m，也表明试验锚索承载力能力好。

第3阶段为约第25天后，基本为稳定阶段，各测点轴力整体变化趋同，均呈缓慢波动下降趋势。

从锚索预应力和内锚段荷载间变化关系看，两者变化过程可分为类似的3个阶段，但两者变化持续时段和内在特征存在一定差异。两者仅第1阶段变化时间接近，也间接证明锚索锁定后预应力变化主要是多种因素综合作用的结果。

锚索预应力变化第1个阶段与内锚固段载荷变化第1阶段变化时段接近，说明初期几天内锚索预应力受内锚段变形影响相对较大。而两者后2个阶段虽变化时段不一致，但整体变化趋势一致，尤其是第3阶段，在长期变化趋势上，两者受外锚墩、钢绞线等因素的影响已很小，内锚段载荷和预应力最终呈相互影响的态势。内锚段存在高度应力集中，其引起岩体时效变形是影响锚索预应力后期持续下降的主要原因之一。

4 结 语

（1）锚索张拉过程中通过量测钢绞线伸长值，可了解内锚段的变形情况，对了解张拉过程中锚索的承载力特性具有重要意义。

（2）拉力集中型锚索内锚段的载荷分布整体上呈负指函数形式，具有高度非线性，尤其在内锚段起始端。在不同张拉载荷下，受内锚段局部地质差异和变形不一致等影响，轴力变化并非按同一种函数形态逐步放大，而是一复杂变化过程。

（3）试验锚索内锚段载荷高度应力集中，其前0～3 m承担了约90%的有效载荷。另其载荷最大传递深度约7．5 m，表明锚索具有一定安全储备长度。

（4）锚索运行期预应力变化一般可分为3个阶段：第1阶段为急剧损失阶段；第2阶段为稳步下降阶段；第3阶段是基本稳定阶段。其中第2阶段持续时间因围岩而异。

（5）锚索运行期内锚段轴力变化一般可分为3个阶段。第1阶段为急剧变化阶段，仅持续几天，轴力整体呈快速下降趋势；第2阶段为稳步调整阶段，轴力从起始端向后转移调整；第3阶段为基本稳定阶段，内锚段不同深处轴力总体呈缓慢下降趋势，但变化速度已明显小于前2阶段。

（6）锚索运行期，预应力与内锚段荷载变化都经历了类似3个阶段，但两者变化持续时段有所差别，表明锚索锁定后初期预应力损失是钢绞线松弛、外锚墩变形、岩体变形和内锚段变形等因素的综合作用。从锚索预应力与内锚段荷载两者的长期变化关系看，两者呈相互影响态势。

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（编辑：曾小汉）

Load Distribution and the Law of Its Variation in the Inner Segment of Prestressed Anchor Cable

JING Feng，CHENG Chuan-huan，YU Mei-wan，CHEN Hao，LIU Yuan-kun
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Though load distribution and anchoringmechanism of prestressed cable have been studied by lots of tests and theoretical analysis，the load distribution variation over time of inner-anchor segment and its relationship with anchor effective prestress are seldom studied．Based on in-site testof prestressed cable in a hydraulic power station，the authors analyzes the displacement of inner-anchor head and the nonlinear load transfer of inner-anchor segment during anchor pulling，and the variation of load distribution over time in inner-anchor segment．The relationship be-tween load distribution variation and anchor effective prestress variation after anchor locked is studied also．Through the research，it is found that the stress of inner-anchor segment of tension-concentrated anchor cable is seriously concentrated，and the loads are transferred and adjusted from the initial point of inner-anchor segment to the end at the early stage of cable lock．But with continuous decreasing and stabilizing of cable effective prestress，the load transfer of inner-anchor segment stops；and subsequently the loads of thewhole inner-anchor segment are reduced to a steady state．At last，the variation laws of interior bond section and cable effective prestress become similar．

prestressed cable；loss of prestress；load distribution；inner anchor segment；variation law

TV223．24

A

1001－5485（2011）05－0050－05

2010-05-04

水利部公益性行业科研专项项目（201001009）、国家重点基础研究发展计划973项目（2011CB710604）、中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目（YWF0910）

景 锋（1974-），男，山西永济人，博士，高级工程师，主要从事岩石力学及工程安全监测和地应力测试等方面的研究工作，（电话）027-82829862（电子信箱）fjing18＠163．com。