一种塑料锚索的开发与试验研究

方遥越，邓岳保，陈良杰，蒋阳阳

FANG Yaoyue，DENG Yuebao，CHEN Liangjie，JIANG Yangyang

(宁波大学建筑工程与环境学院，浙江 宁波315211)

我国自引进锚索支护技术以来，在边坡控制等方面应用广泛。现边坡支护技术主要采用预应力锚索框架。该锚固结构由钢筋混凝土框架与预应力锚索组合而成，主要用于土质边坡的滑坡治理、边坡加固和绿化。预应力锚索框架技术在土质边坡加固中显示出一定的优势［1］，但其在实际应用中仍然存在一些不足:预应力锚索钢绞线的应力松弛致使强度变低［2］;钢绞线锈蚀对其荷载传递特性产生显著影响［3］;坡面上大面积的喷射混凝土破坏了原有的自然景观，相应的绿化也很难进行或长期有效地维持。其更适合坡度较大的高陡土质边坡［4］。

今结合坡度较缓的土质边坡的特点，研究开发了一种基于资源节约型材料的塑料锚索。相比传统预应力锚索，塑料锚索采用聚丙烯材料(PP 塑料打包带)，其价格低廉、施工方便，在经济上有较大优势;采用倒刺结构，大幅提高塑料锚索与土体之间的摩擦力与咬合力;倒刺处于不同位置时其作用效果不同，可优化布置倒刺位置，以提高承载力。

综上所述，在土质缓坡中用塑料锚索对预应力锚索进行补充，若周边地质条件允许，则能创造较大的经济和环境效益。

1 塑料锚索设计

塑料锚索的主要部件有锚头、PP 塑料打包带、倒刺等，示意图和实物图见图1、图2。其作用机理为:在土质缓坡(坡度＜40°)情况下，一般相隔1.5 m 确定锚索的打入位置;将塑料带与扩大端锚头通过上下扣板连接牢固后，用顶推钢筋顶住锚头的圆弧形卡槽，借助顶推钢筋将整个锚具打入土体;将锚索打入土体内理想深度后，将锚索塑料带适当回拔一定距离，使锚索塑料带上的倒刺张开，增大其抗拔力，抑制边坡的变形和松动。基于资源节约型材料的锚索相对于传统锚索，其主要区别和特点是采用资源节约型PP 材料和设置倒刺结构。

图1 锚索示意图

图2 锚索实物图

1.1 PP 材料

资源节约型材料的选择标准是强度较高、韧性好、低松弛，既有一定的刚度和柔度，可盘成卷便于运输及快速安装。考虑以上诸多因素，选取了聚丙烯(PP)材料作为锚索主体，部分规格聚丙烯(PP)材料物理力学性能见表1［5］。PP 材料能够满足稳固坡度较缓的土质边坡的力学性能要求，同时耐久性强，能完全满足资源节约型理念。

表1 部分规格塑料打包带物理力学性能表

1.2 锚头

组合式锚头能紧固PP 塑料带，具有结构简单、方便拆卸的特点。包括用于套设在PP 塑料带连接区的四棱锥结构，增大锚索在土体中的抗拔力;锚头中心留有一个圆弧卡槽以便外部施加压力，便于顶推锚索。组合式锚头与PP 塑料带锚索实行机械咬合，拼装便捷、易于携带。见图3。

图3 锚索扩大头结构详图

1.3 倒刺

倒刺采用小段聚丙烯(PP)塑料带制作，由耐腐蚀性能强、可塑性良好的夹紧铝片分别等距离地固定于两端锚索上。倒刺连接处采用三段式连接，使其预留有一定空隙，便于锚索回拔时土的部分回填。由于土体的自重应力使其张开一定角度，增大与土体之间的摩擦力，从而增大锚索整体的锚固能力。其倒刺结构放大图见图4，其普通锚索与塑料锚索的锚固形式见图5、图6。塑料锚索由于其倒刺作用，使其与周围土体的粘结力高于普通锚索;同时由于土体的填充在倒刺附近形成类似树根形的土体，使具有倒刺的锚索体形成比普通锚索更大的抗拔力。

图4 倒刺结构放大图

图5 改进前的锚固形式

图6 改进后的锚固形式

2 塑料锚索试验研究

在结合现场调研的基础上，仅针对锚索长度、倒刺设置等主要影响因素，通过室内锚索拉伸实验，锚索抗拔实验来研究它们对基于资源节约型材料的塑料锚索锚固力的影响大小和规律。

2.1 锚索拉伸实验

通过拉伸试验探讨塑料锚索的强度等因素对抗拉能力损失的影响，为同种类型边坡锚固工程的设计提供合理的参数;根据试验过程中锚索的变形情况分析锚索的刚度，为某些坡面抑制结构设计中的变形计算和控制提供刚度参数。

2.1.1 实验方案

锚索拉伸实验方案见表2。

表2 锚索拉伸实验方案

实验锚索采用PP13507J 低松弛型PP 材料，PP材料宽度为10 mm，倒刺采用同种PP 材料，倒刺长度为20 mm，经试验得其与锚索搭接拉力为1482 kN。锚索编束前，要确保每根PP 打包带顺直，不扭不叉，倒刺排列均匀，严格按照设计尺寸下料。

为测量锚索受力状态，分析锚索的弹塑性变形情况，部分锚索沿长度方向间隔100 mm 贴应变片。拉伸试验在微机控制电子万能试验机上进行。试验系统见图7。

2.1.2 实验结果分析

当加载到极限荷载时，PP 塑料带被拉断，所以此时值应大于由破坏荷载算出的值;每个试件拉伸过程中，荷载-位移曲线可直观反映锚索抗拉性能。

锚索的理论伸长值可根据胡克定律并由公式计算。

式中:Δl—PP 材料的理论伸长量(mm);

ΔP—对每一级单元锚索施加的荷载增量(N);

图7 锚索拉伸实验系统示意图

L—单元锚索张拉长度(mm);

A—PP 材料截面积(mm2);

E—PP 材料弹性模量(N/mm2)。

经过实验，锚索极限抗拉力见表3，典型锚索拉拔实验荷载-位移曲线图见图8。

表3 PP 塑料带拉伸试验测试结果

从锚索拉伸试验荷载-位移曲线图与理论值分析可以看出:

(1)随着荷载增加，锚索PP 材料段逐渐伸长至断裂，PP 材料延伸率良好，在边坡支护中不易发生脆性断裂。

(2)随着PP 塑料带长度的增加，其极限抗拉强度有所降低，但总体的极限抗拉强度仍然良好，即基于资源节约型锚索长度控制适宜，则完全满足组合式塑料锚索体系的抗拉要求。

此试验反映了不同因素对锚索抗拉力的不同影响规律，因此在锚索机理研究和参数设计中，应根据应用条件重点考虑主要的影响因素。

图8 锚索1-3 极限抗拉承载力-位移曲线

2.2 锚索抗拔实验

模型试验主要研究锚固边坡因锚索而引起的边坡破坏情况，故要求模型材料的重度与原型材料完全相同［6］。其中，原型工程材料取自宁波高速公路某边坡，此边坡属于均质土边坡，岩土体类型为淤泥质粉质黏土与淤泥质黏土，上覆松散堆积体［7］。原型工程材料布置于一试验槽内，试验槽尺寸为510 mm ×480 mm ×360 mm，试验槽内土体处于长期稳定状态，为新鲜淤泥质黏土，锚索布置于该试验槽中。

2.2.1 实验方案

试验锚索数量为4 根，长度均为500 mm，宽度为10 mm，倒刺长度为20 mm，两侧PP 塑料带上对称等间距分布，间距为100 mm，按倒刺布置情况对锚索进行分组，锚索编号分别为MS1、MS2、MS3、MS4，各试验体的性质见表4。锚索的承载力试验图见图9。

表4 锚索倒刺布置形式

图9 锚索倒刺形式——承载力试验图

2.2.2 试验结果分析

倒刺承载力效果试验采用分级循环加荷，当出现下列情况之一时，可判定锚索被拉出:后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生的位移增量的2 倍;锚头位移连续增长;锚索被完全拉出。减去无倒刺时的拉力值即为倒刺增加的承载力。锚索极限抗拔实验结果见表5。

表5 倒刺承载力效果

通过对实测的应变数据进行换算，可得到锚索的轴力分布。从测试情况来看，在最大荷载下锚固体处于弹性状态，因此可以利用胡克定律计算各个测点处截面上的轴力。

式中:Nx—锚索内某测点处的轴力(N);

εx—锚索内某测点处的应变值(με);

E—锚索的弹性模量(MPa);

A—锚索的承压面积(mm2)。

由表5 中可以看出，倒刺的设置具有以下特点:

(1)锚索在实际的承载状态下，在长度方向随着倒刺数量增长，锚索的极限抗拔力呈非线性增加;

(2)倒刺埋深与锚索抗拔力呈正相关。靠近地底、处于锚索端端的倒刺受到土壤自重力较大，对锚索抗拔力的贡献也越大。

3 结 语

近几年边坡锚索支护技术得到了迅猛发展，资源的节约化使用是未来的发展趋势。利用新型材料、开发新型结构将对社会资源合理利用及边坡绿化等起到关键作用。通过实验效果分析，基于资源节约型的塑料锚索抗拉承载力保持在可控范围内，该塑料锚索在土质边坡当中起到很好的支护效果，锚索作用后提高了边坡的稳定性;采用可回收利用的PP 材料、造价低、不易腐蚀、稳定性高等优点;塑料锚索施工过程中对边坡及周边环境影响小，能够保证施工安全和达到加固工程的预期目的，应得到大力推广应用。

［1]杨明.路堑类土质边坡锚固技术研究［D］. 成都:西南交通大学，2002.

［2]卢黎.压力型岩锚内锚固段锚固性能及工程应用研究［D］. 重庆:重庆大学，2010.

［3]何思明，王全才，罗渝.钢绞线锈蚀对预应力锚索荷载传递特性的影响［J］.四川大学学报:工程科学版，2010(1):1 -4.

［4]肖世国，周德培.岩石高边坡一种预应力锚索框架型地梁的内力计算［J］.岩土工程学报，2002(4):479 -482.

［5]周鑫.机用PP 塑料打包带生产工艺及设备之简单探讨［J］.塑料，1991(4):44 -48.

［6]中冶集团建筑研究总院.CECS 22∶2005 岩土锚杆(索)技术规程［S］.北京:中国计划出版社，2005.

［7]《工程地质手册》编委会.工程地质手册［M］.4 版.北京:中国建筑工业出版社，2007.