黄土层中锚索预应力的影响因素分析

王振刚，陈文玲，李琦瑛

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054）

黄土层中锚索预应力的影响因素分析

王振刚1，陈文玲2，李琦瑛1

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054）

黄土层中影响锚索预应力的影响因素研究中，通过现场的具体试验且较全面地分析计算各因素影响效果的研究资料较少。选取西安某黄土基坑为试验场地，通过现场试验并结合分析计算，探讨了注浆体材料、注浆压力、锚索孔径大小、岩土体特性、补偿张拉、大气降水、钢绞线松弛、锚具及夹片回弹这八个因素，对锚索预应力荷载大小的影响。试验表明：注浆体材料、锚索孔径大小与岩土体特性的内部因素及注浆压力大小、补偿张拉的外部因素是影响黄土层中锚索预应力荷载的主要因素；黄土层中锚索张拉锁定后，预应力荷载损失较大，并且在张拉锁定后一周内是预应力急剧减小阶段。

黄土地层；锚索；预应力荷载；影响因素

预应力锚索加固技术由于其经济合理，安全可靠，对岩土体扰动小，施工快捷等优点被广泛应用于基坑支护、边坡防治等加固工程中［1－3］。在完整硬质岩层中，锚索预应力大小主要取决于锚固介质对锚索的握裹力；而在软岩、风化岩层中，则受注浆体与孔壁岩土体间的粘结力控制［1］。因此，黄土地层中锚索预应力大小主要受注浆体与孔壁土体间的粘结力大小的影响。关于锚固体与土层界面间的粘结强度的研究中，何思明等人研究得出注浆体与岩土体之间的粘结力大小与注浆材料强度存在一定关系［4］，郭汉与任爱武等人研究得出注浆体与岩土体间的粘结力大小取决于注浆体与孔壁土层接触表面积及锚固段注浆体体积等［5－6］。

依据锚索预应力影响因素的特征，按照孔内与孔外分为内部因素与外部因素两大类：注浆体材料、锚索孔径大小、岩土体特性属内部因素；注浆压力、补偿张拉、大气降水、钢绞线松弛、锚具及夹片回弹属外部因素。

本文选定西安某正在施工的黄土层基坑作为试验场地，通过现场试验探讨这些内、外部因素对锚索预应力荷载大小的影响，可为黄土层中锚索设计优化提供一些指导。

1 试验概况

1.1 试验场地

试验场地基坑深度为12 m，采用锚索加排桩的支护型式。排桩顶以下4m处设置一道25b槽钢制作的腰梁，锚索位于排桩间并通过腰梁的支撑作用向排桩施加预应力。

试验锚索位于黄土层（Q32eol），该黄土层呈黄褐色、可塑、含水率20%，孔隙发育，土质均匀，零星分布钙质薄膜，偶见蜗牛壳。

1.2 试验材料及设备

试验锚索为拉力集中型锚索，试验锚索自由段长度均为7m；采用MGJ－50型锚杆钻机螺旋钻成孔；孔径均为φ130mm与φ150mm两种孔径类型；水泥均选用P·O42.5，砂子选用陕西渭河细砂；水泥浆水灰重量比为0.5∶1，水泥砂浆重量配合比为水∶水泥∶细砂＝0.5∶1∶1。

锚索张拉选用YDC－750穿心式千斤顶；选用抗拉强度标准值为1860 MPa、φ15.24 mm高强度低松弛钢绞线制作锚索。在锚头安装HXL－300 kN型频率应力计，用于锁定锚索的预应力损失监测，并采用振弦式频率仪采集试验数据。

1.3 试验说明

为了获得文中提到的锚索孔径大小等六个因素对黄土层中锚索预应力荷载的影响，均采用相同的施工工艺，在注浆体强度龄期达到28 d时进行锚索张拉，锚索张拉均采用分级加荷张拉，张拉过程依据《筑基坑支护技术规程》（JGJ120－2012）相关条款的要求进行。预应力损失监测周期为90 d，锚索锁定后起前10 d内每天采集一次数据，10～20 d为每2 d采集一次数据，之后为每5 d采集一次数据。

2 预应力的影响因素分析

在不同的试验条件下，通过锚索预应力张拉现场试验，所得的张拉荷载与锚头位移间变化曲线如图1所示。

2.1 注浆体材料

本次试验过程注浆材料选用锚索施工中常用的水泥浆与水泥砂浆这两种注浆体材料进行对比试验。试验锚索锚固段长度均为11 m、锚索体均采用3束φ15.24 mm制作，注浆施工均采用0.5 MPa压力，孔径为φ130 mm。

图1 锚索张拉荷载与锚头位移变化图

两种注浆体材料各试验二组，均进行极限承载力拉拔试验。如图1所示水泥浆注浆孔锚索极限预应力为170 kN、水泥砂浆注浆孔锚索极限预应力为210 kN的锚索张拉荷载与锚头位移变化图。

由图1看出，黄土层中当锚索张拉力达到锚索极限预应力后，继续增大张拉力锚头位移不收敛，锚索发生了破坏；并且水泥砂浆注浆孔锚索极限预应力的平均值是水泥浆注浆孔平均值的1.14倍。黄土层中孔隙发育，注浆体与黄土层孔壁小厚度范围土体形成一层粘土水泥浆混合体，混合体胶结密实、胶结体强度越高，锚索张拉过程中注浆体与土层间粘结力强度就越高。当水泥浆液中添加细砂，形成的粘土水泥砂浆混合体将黄土孔隙充填密实且提高了与黄土体的胶结强度，进而增加了注浆体与孔壁之间的粘结力。因此，黄土层中为提高锚索预应力，选用水泥砂浆比选用水泥浆注浆材料效果更好。

2.2 注浆压力

注浆压力试验中，采用相同施工工艺、相同的锚索体单元及相同配合比的水泥砂浆注浆材料，二次劈裂注浆采用水∶水泥配合比为1∶1，锚索孔经均为φ130 mm。试验锚索仅改变注浆压力，常压注浆与二次劈裂注浆压力分别为0.5MPa、2MPa，二次劈裂注浆压力下进行了两组锚索极限拉拔试验。二次劈裂注浆施工的锚索极限拉拔力为250 kN、260 kN，如图1所示的极限承载力为260 kN的锚索张拉荷载与锚头位移变化图。

由图1可看出，当锚索张拉力达到抗拔极限承载力260 kN时，继续增大张拉力锚头位移不收敛，锚索发生了破坏。通过与前“2.1注浆体材料”中获得常压注浆锚索极限预应力对比，二次劈裂注浆施工工艺所得的锚索极限预应力，在常压注浆孔所得的承载力基础上提高了近24%。

劈裂注浆压力作用下，将注浆材料扩散到孔壁土层更远的深度，将松散土体紧密地胶结在一起，水泥砂浆与土层形成的混合体更加密实饱满，有效地改善了扩散范围内土体的力学特性，扩大了注浆体与孔壁土体接触的表面积及锚固段注浆体的作用范围。劈裂注浆增大了孔内注浆体粘结力的作用范围，对提高锚索极限预应力起到了积极的效应。因此，黄土层中二次劈裂注浆可有效提高锚索预应力荷载。

2.3 锚索孔孔径

试验孔选用φ130 mm、φ150 mm两种孔径，采用相同施工工艺，注浆材料选用水泥砂浆，常压注浆施工。φ130 mm、φ150 mm孔锚索锚固段长度分别为11 m、8m。

通过锚索极限拉拔试验后，所得φ150 mm孔径试验锚索极限拉拔力为240 kN，如图1中所示的曲线图。

由图1可以看出，当锚索张拉力达到240 kN后继续增大张拉荷载时，锚头位移不收敛，因此试验锚索极限预应力为240 kN。并且锚索孔径由φ130 mm增大至φ150 mm时，锚索极限预应力由210 kN增大至240 kN。增大锚索孔孔径即增大了注浆体与孔壁土体粘结表面积，提高了注浆体与孔壁土体之间的粘结力，进而提高了锚索预应力。

2.4 岩土体特性

由试验场地勘察报告知，黄土层孔隙发育、可塑状态、含水率20%、取土样室内试验后所得的压缩系数a1－2均值为0.40 MPa－1，属中等压缩性土，湿陷等级为Ⅱ级中等湿陷性。

拉力型锚索锚固力在锚固起始段一定长度范围内较集中，并呈负指数函数型分布［7－8］。因此在预应力集中区段，锚索孔壁土体承受的由锚索张拉应力产生的土体侧向压力较大，在压缩性较大的土层中，土体将发生较大的压缩变形；并且黄土土层具有Ⅱ级中等湿陷性，注浆体灌入锚索孔内时，注浆体中的水份通过土体孔隙入渗到孔壁土体中，将破坏注浆体与孔壁土体结合形成胶结体的胶结强度，在侧向压力作用下必然加大土体的压缩变形量；侧向压力继续增大时，使锚索孔壁一定深度范围内的土体由弹性变形逐渐转变为塑性变形，压缩变形量逐渐增大。

因此，黄土地层中孔壁土体的压缩变形是影响锚索预应力荷载大小的一个重要因素。这在后文中关于预应力损失监测数据变化曲线中也可看出。

2.5 补偿张拉

本次试验还进行了随时间推移锚索预应力变化的监测工作，锚头处锁定预应力荷载为100 kN，如图2所示。

图2 锚索预应力损失监测

从预应力损失监测曲线图2可以看出，黄土地层中锚索预应力损失量比岩石地层中偏大［6，9］。而且张拉锁定当日预应力急剧减小值较大；在锚索张拉锁定后的1周内，预应力出现了急剧减小，随后锚索预应力呈现了波动调整变化直至预应力稳定减小的特征；张拉锁定后一周内，预应力由初始锁定的100 kN减小至89.94 kN；至整个监测周期末，预应力荷载减小至86.10 kN；张拉锁定后一周内，预应力损失值占监测周期中总的预应力损失值的72.4%，监测周期内预应力损失量达到初始锁定预应力荷载值的13.9%。

张拉锁定后一周内，预应力急剧减小主要是由于孔壁土体的压缩变形及锚具夹片楔紧收缩变形等主要因素影响；预应力的波动调整变化主要是受土层温度变化及降水影响；预应力平稳减小主要是受黄土层土体有弹性变形向塑性变形的转变，进入蠕变变形阶段的影响。

因此，锚索设计与施工中应强调在锚索张拉锁定后一周内补偿张拉的措施，可有效控制预应力的损失，这一时期也是预应力损失控制的关键时期。尤其是在一些基坑垮塌、滑坡支挡等临时支护防治的抢险工程中，锚索张拉锁定后及时进行补偿张拉尤为重要。

2.6 地表水及降水

当地表水及降水入渗对锚索所在黄土层含水率引起较大变化时，黄土层会发生自重湿陷破坏，当这种破坏发生在注浆体周围孔壁土体中，将破坏孔壁土体结构进而破坏了注浆体与孔壁土层间形成的胶结强度，胶结强度减小引起粘结力下降，锚索预应力也将随之降低。当黄土层含水率变化较小时，对锚索预应力损失影响很小。预应力损失监测过程中，2011年8月20日至2011年9月10期间，虽然经历了三次降水，每次降水总降雨量分别为65 mm、95 mm、81 mm，但是地表积水通过设置的排水沟槽及时排除。经过对降水前后预应力荷载变化分析，锚索预应力荷载的减小还不足预应力总损失量的1%，大气降水仅引起了预应力荷载的调整变化。

2.7 钢绞线松弛

试验过程中选用的钢绞线弹性模量为 Ey＝195 GPa。锚索体由三束钢绞线组成，截面积为 S＝420 mm2，其破断荷载为1 860 MPa。钢绞线在长期荷载作用下产生应力松弛，一般都采用1 000 h的松弛率，它与钢绞线所受的应力水平有关。据有关资料［11－12］，70%破断荷载时低松弛钢绞线1 000 h应力损失为2.5%，在60%破断荷载时为1%，在50%破断荷载时可忽略不计。试验锚索最大拉力为270 kN，为破断荷载的34.6%（小于50%破断荷载），钢绞线松弛对预应力损失影响可忽略不计。

2.8 锚具夹片回弹

锚具、夹片引起的预应力损失可由以下公式计算［10］：

式中：ΔL为锚具、夹片的变形回缩值（可按照厂家提供资料取值）；L为锚索自由段长度；Ey为钢绞线的弹性模量；A为钢绞线的截面积。

试验选用的钢绞线采用3束制作，自由段长度为7m，锚索预应力锁定值为120 kN时，锚具夹片回弹值为0.2 mm（厂家提供数值）。依据公式计算得锚具、夹片引起的锚索预应力损失约为2.34 kN，不足设计值的2%。因此，黄土层中锚索锚具、夹片回弹变形对预应力荷载影响很小。

3 结 论

（1）黄土地层中，锚索锚固力主要由锚索孔内注浆体与孔壁土间产生的粘结力提供。采用水泥砂浆注浆材料，常压注浆与二次劈裂注浆所得的锚索极限预应力分别为210 kN、260 kN。

（2）注浆体材料、锚索孔径、岩土体特性内部因素及注浆压力、补偿张拉的外部因素是影响锚索极限预应力荷载大小的主要因素；由于预应力极限荷载较小，钢绞线松弛、锚具与夹片回弹等因素的影响可忽略不计。

（3）适当增大锚索孔径、采用二次劈裂注浆施工工艺且同时减小锚固段长度，能显著地提高黄土层中锚索极限预应力荷载。由文中2.3锚索孔孔径分析，得知增加锚固段长度对提高锚索预应力荷载意义不大。

（4）黄土层中锚索预应力损失呈现明显的阶段特征：急剧减小阶段、调整变化阶段、稳定减小阶段；监测周期内预应力损失荷载较大，张拉锁定后的一周内是预应力急剧减小阶段，该阶段预应力损失值占监测周期内总预应力损失值的80%左右。施工中宜选择在此期间进行预应力的补偿张拉工作，确保达到预应力设计中锁定荷载的要求。

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Analysis of Affecting Factors on Anchor Cable’s Capacity in Loess Layer

WANG Zhen-gang1，CHENWen-ling2，LIQi-ying1
（1.Xi’an Research Institute Co.，Ltd.of China Coal Technology＆Engineering Group，Xi’an，Shaanxi710077，China；2.College of Geologic Engineering and Surveying-mapping，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710054，China）

In the experiment and analysis，the influencing factors of the anchor cable’s capacity in loess layer have not been discussed fully.Here，selecting a loess foundation pit in Xi’an asa test site，some important factors as the grouting materials，grouting pressure，cable aperture size，characteristics of rock and soil，compensating tensioning，atmospheric precipitation，steel strand relaxation，anchorage and clip contraction Influencing the cable’s capacity in loess layer are discussed in detail through the theoretical analysis and calculation.The experiments show that the internal factors of the groutingmaterial，cable size and rock-soil characteristics aswell as the external factors of the grouting pressure and compensating tensioning aremain factors affecting the cable’s capacity in loess layer.The anchor cable’s capacity are lost more greatly when the anchor tensioning is locked down，especially within oneweek.

loess layer；anchor cable；anchor capacity；influencing factor

TU444

A

1672—1144（2014）01—0030—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.007

2013-08-10

2013-09-07

中煤科工集团西安研究院技术创新项目（2011XAYCX026）

王振刚（1980—），男，陕西府谷人，工程师，主要从事地质灾害研究与防治方面的工作。