自承载式预应力锚索现场试验研究

王全成， 姜昭群， 罗宏保， 张 勇， 杨 栋

(1.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734； 2.中国地质调查局地质灾害防治技术中心,四川 成都 611734)

1 自承载式预应力锚索系统简介

为满足应急抢险工程快速锚固的要求，我们提出一种快速锚固技术体系，包含适合在中硬以下碎裂岩层且适合使用空气潜孔锤钻进工艺的扩孔钻具和不依靠灌浆材料、在不注浆的情况下张拉就能具有一定承载能力(设计值的50%以上)的自承载式预应力锚索。

自承载式预应力锚索系统是一种采用带滑动机构的拉压结合分散型预应力锚索，其作用机理为：使用多个承载体进行压力分散；钢绞线区分自由段和锚固段；不注浆即可初张拉锁定至锚索设计锚固力的50%及以上。进行初张拉锁定后进行灌注砂浆，待砂浆达到一定强度后进行二次张拉锁定至设计锚固力。由于承载体压力分散且全长粘结钢绞线能提供一部分摩阻力，进一步降低了岩土体及注浆材料的强度要求，使得注浆24 h内进行二次张拉成为可能。传统锚索内锚头自由地搁置在内锚固段孔内,在无预应力状态下进行内锚固段注浆,而自承载式预应力锚索在有预应力的状态下注浆，更有利于对预应力锚索钢绞线的保护。

结合前期预制高强预应力混凝土格构、预制钢质锚墩等研究成果，在钻孔完成下入自承载式预应力锚索后即可进行张拉施工，及时施加锚固力，控制滑坡体变形。该技术特别适合应急抢险的快速锚固施工工程，减少了砂浆体灌注、锚墩浇筑及养护的等待时间，能在较短的时间内对滑坡体进行治理，减少国家和人民生命财产的损失。

2 自承载式预应力锚索现场试验

现场试验点位于江油市含增镇金光洞村的我单位北川试验基地，此处有出露较好的基岩界面，试验点见图1，试验工作量见表1。

图1 试验现场

表1 自承载式预应力锚索现场试验工作量

试验过程中对锚索锚固力、钢绞线应力分布进行测试，钻孔及自承载式预应力锚索结构如图2所示。

图2 钻孔及自承载式预应力锚索结构图

根据设计要求，按照规定的位置和间距布置和装配承载体，每束锚索分散安装2个承载体，承载体距离为3.0 m。承载体组装如图3所示。

用钢板作为孔口反力装置，在不注浆的情况下对自承载式预应力锚索进行初始张拉，依靠承载体扩张后与孔壁之间的摩擦力提供锚固力。

初始张拉完成后，即进行注浆，本次灌注纯水泥浆。注浆完成后按照3 d和14 d的浆体龄期强度进行二次张拉，并对部分锚索进行破断试验。

图3 承载体组装

对不注浆的锚索，采用24 t千斤顶按照承载体1和承载体2的顺序进行循环张拉直至承载体破坏。

张拉施工情况见图4、图5。

图4 自承载式预应力锚索初始张拉

图5 锚索整体张拉

张拉过程中，利用测力传感器采集锚索整体的锚固力，利用磁通量传感器采集钢绞线的应力分布。数据采集见图6。

图6 数据采集

3 自承载式预应力锚索现场试验分析

下面以600 kN级锚索为例，对自承载式预应力锚索现场试验结果进行研究分析。

3.1 锚索张拉力统计

锚索张拉力统计见表2。

600 kN级自承载式预应力锚索不注浆时设计单个承载体的承载力为150 kN，2个承载体承载力为300 kN(设计值的50%)，初始张拉时除10号锚索承载体2、11号锚索承载体1、12号锚索承载体1内锚头破坏外，其余均达到了设计要求，注浆后二次张拉锁定锚固力超过600 kN，满足设计要求。

表2 锚索张拉力统计 kN

对13、14、15号的600 kN级自承载式预应力锚索进行了不注浆的极限张拉试验。初始张拉锁定值均超过300 kN，承载稳定，近一个月的预应力损失率分别为2.7%、4.0%、2.7%。在极限张拉试验时，锚索整体承载力分别达到了438.8、623.3、419.0 kN，14号锚索不注浆张拉的整体承载力超过了600 kN，可见，自承载式预应力锚索不注浆即可张拉，满足工程设计中一般4根钢绞线锚索的承载力设计要求。13号锚索承载体1最大承载力为226 kN，承载体2最大承载力为480 kN。14号锚索承载体1最大承载力为470 kN，承载体2最大承载力为329 kN。15号锚索承载体1最大承载力为227 kN，承载体2最大承载力为233 kN，可见单个承载体(两根钢绞线)最小极限承载力达到了226 kN，达到钢绞线(15.20 mm 1860 MPa)极限承载力(按260 kN)的43.5%，单个承载体(两根钢绞线)最大极限承载力达到了480 kN，达到钢绞线极限承载力的92.3%，由此说明，在岩层条件合适的情况下，自承载式预应力锚索完全可以不注浆即可进行张拉锁定，满足锚索的承载力要求。

3.2 自承载式预应力锚索应力分布规律

自承载式预应力锚索是一种新型的锚索结构，下锚后不注浆即可进行初始张拉，注浆前的初始张拉，在合适的地层情况下，能达到锚索设计锚固力的50%～100%，根据地层情况，注浆后短期内(1～3 d)可进行二次张拉或注浆后不进行张拉，除了能满足快速锚固的要求，同时降低了张拉过程对砂浆强度的要求，锚索的预应力分布更均布合理。

以1～3号锚索为例，对自承载式预应力锚索应力分布规律进行分析。初始张拉和二次张拉自承载式预应力锚索应力分布变化对比曲线见图7。初始张拉自承载式预应力锚索应力分布见图7系列2，1～3号锚索初始张拉值分别为325.74、334.3、453.1 kN。二次张拉自承载式预应力锚索应力分布见图7系列1，1～3号锚索二次张拉值分别为802.4、865.0、865.0 kN。

在图7中，2号传感器所测应力为锚索自由段近孔口处的锚索应力，3～7号传感器所测应力为锚索锚固段由近自由段至孔底端的锚索应力，3～7号传感器布置间距为1.5m。由于2号锚索磁通量传感器测量通道被误占用，零点数据不实，二次张拉数据存在一定误差。

系列1-二次张拉应力分布曲线；系列2-初始张拉应力分布曲线

由图7可知，初始张拉后，自承载式预应力锚索自由段和锚固段均匀受力，注浆后进行二次张拉，二次张拉增加的锚索预应力向锚固段传递距离在0.5～3 m，传递距离有限，但因为初始张拉的作用，使得锚固段整体受力分布均匀，更能充分发挥锚索的承载力。

同时，由于初始张拉使岩体承载了部分锚固力，二次张拉降低了锚固对浆体强度的要求。纯水泥浆体，4根钢绞线的自承载式预应力锚索3 d极限拉拔力为923 kN，破坏形式为钢绞线断丝，未出现钢绞线明显滑移或浆体破坏。

3.3 自承载式锚索应力分布与普通拉力集中型锚索对比

自承载式预应力锚索应力分布与普通拉力集中型锚索应力分布对比见图8。

系列1-自承载式锚索应力分布曲线；系列2-普通锚索应力分布曲线

在锚索张拉力相同的情况下(4根钢绞线的锚索约800 kN)，普通拉力集中型预应力锚索锚固段钢绞线的应力向孔底传递有限，约为1.53 m，其余靠孔底端的钢绞线应力基本不受锚索张拉力的影响，应力接近，说明该部分钢绞线未受力，未发挥承载的作用。达到锚固力设计值50%的应力分布段仅约1 m的范围，应力十分集中。

而在锚索张拉力相同的情况下(4根钢绞线的锚索约800kN)，自承载式预应力锚索因为初始张拉的作用，使得锚固段整体受力分布均匀，更能充分发挥锚索的承载力。在锚固段全长范围内均有应力分布，应力达到锚固力设计值的50%以上，应力分布最大偏差不超过10%。

经对比可见，自承载式预应力锚索不仅有不注浆即可张拉发挥锚固用的特点，自承载式预应力锚索锚固段的应力分布均匀，能充分发挥锚段全长的锚固作用。

4 结论

(1)自承载式预应力锚索具有安装后不注浆即可张拉的特点，初始张拉力可达设计锚固力的50%～100%。

(2)自承载式预应力锚索锚固段的应力分布均匀，能充分发挥锚固段全长的锚固作用，优于普通拉力集中型预应力锚索。

(3)自承载式预应力锚索结构可以满足岩质滑坡应急快速锚固的要求。

(4)希望通过以后的研究工作，对自承载式预应力锚索在不同岩层中的适宜性进行研究，形成自承载式预应力锚索系列产品，能让自承载式预应力锚索应用于地质灾害治理工程中，达到快速锚固的目的。