拉力型锚索预应力损失机理分析及防治技术研究

武岳彪

摘要：预应力锚索是一种主动支护结构，通过主动施加预应力，压缩土体，改善岩土性能，提高其抗剪强度，充分发挥其自稳潜力，有效控制结构变形。近年来，预应力锚索技术发展突飞猛进，应用日趋广泛，然而因锚索预应力损失而导致的损失或引发的事故屡见报端、触目惊心，必须予以高度关注。本文在以前人对锚索预应力损失的研究为支撑，进一步探索预应力损失的关键因素，提出防治措施，增强预应力锚索的可靠性、安全性与稳定性。

Abstract： The prestressed anchor cable is an active supporting structure. By actively applying prestress， it compresses the soil， improves the geotechnical properties， improves its shear strength， fully exerts its self-stabilizing potential， and effectively controls the deformation of the structure. In recent years， the development of prestressed anchor cable technology has advanced by leaps and bounds， and its application is becoming more and more widespread. However， the loss or accident caused by the loss of prestressed anchor cable has been reported frequently and shocked， and must be highly concerned. This article is supported by previous research on the prestressed loss of the anchor cable， further explores the key factors of the prestressed loss， and proposes preventive measures to enhance the reliability， safety and stability of the prestressed anchor cable.

关键词：拉力型锚索;预应力损失;防治技术

0  引言

预应力锚索施工对土体扰动小、可以根据需要灵活设置、施工进度快、成本低，开挖后能及时主动支护，改善岩土应力状态，发挥岩体自稳能力，有效控制变形。近年来以其独特的优势在边坡工程加固、基坑支护工程中占据了越来越重要的地位，发挥了不可替代的作用。

预应力锚索通过利用土体的自身阻抗去制约另一部分土体变形和结构破坏，在施工时按照锚索设计计算时提出的预应力施加值进行张拉和锁定，以更好地发挥锚索的制约系统。然而，多年以来锚索预应力损失的难题一直未能有效解决，因其机理复杂，影响因素众多，一直是工程界关注的焦点，国内外一些学者对此进行了一定的研究工作。

丁多文等人提出预应力损失和岩体蠕变及锚钢绞线松弛有一定的关系;陈安敏等人提出了锚索预应力损失基于时间变化的估算方法;王清标等人提出了预应力基于岩土、砂浆蠕变的计算公式。张发明等人认为引起锚索锚固力损失的最主要因素是岩体的变形与施工质量;徐湘涛等人发现，锚索锁定时的预应力损失影响最大。

国内外诸多学者对预应力锚索锚固力损失进行了一定的研究，从损失机理到计算模型至施工影响都做了全面的分析，但由于采集数据有限，研究理论还待进一步验证和完善。

在研究机理尚不能全面掌握之际，通过分析影响预应力损失的各种因素，从施工角度进行控制，通过数据积累，以现有理论为支撑，研究预应力损失防治的技术，对进一步发挥锚索的技术优势有巨大的推动作用，促进锚索技术进一步成熟。

1  预应力锚索的作用机理

1.1 预应力锚索的受力特点

锚索受力时锚固段浆体受拉并通过浆体将拉力传递给周围地层，随施加荷载的变化，预应力锚索粘结应力和受力部位也会随之变化。与桩承载力作用机理相似，前期发挥摩擦力，当摩擦力不足以支撑上部荷载时才发挥桩端承载力，锚索也类似，荷载较小时，主要由锚固段前端发挥粘结应力，后段基本不发挥，随着荷载增大，粘结应力逐步后移，当荷载持续增大时，粘结应力峰随之变大，主要由端部承受。

1.2 锚索预应力损失变化规律

锚索的预应力损失，主要分为瞬时损失和随时间变化的长期损失。瞬时损失主要发生在張拉锁定过程中，维持时间段，影响最大;长期损失一般经过三个阶段，第一阶段是快速损失期，主要由钢绞线松驰、砂浆徐变等引起，第二阶段是波动变化期，呈现小幅波动，变化频繁，第三阶段是平稳变化期，此时预应力不在有大的波动，已趋于稳定，按趋势缓慢发展。

此外，当周边荷载增加、位移加大时锚索预应力会有较大幅度增加，经历一段时间后可以接近锁定值，但这种锚固力增量是一种被动增大的过程，反映了锚索预应力损失设计不足或预应力损失不足抵御岩土变形，只能通过位移被动受力，此情况应尽量避免。

经过分析，瞬间损失对锚索的性能削弱最为致命，影响最为关键，此后损失随时间逐步趋缓，故应科学施策防治预应力瞬间损失，并以此作为预防预应力损失的重中之重。

2  防治锚索预应力损失技术研究

目前对于锚索预应力损失的研究尚不成熟，本文主要以前人研究的理论为指导，从施工角度进行控制、分析，提出防治预应力损失的关键技术。

2.1 预防预应力损失的准备工作

2.1.1 加大锚索自由段长度

锚索自由段长度越长，预应力损失越小，锚索拉力越稳定。若自由段长度过短，则对锚索施加预应力后，锚索弹性位移较小，锚头一旦出现松动，可能会造成较大的预应力损失越大。建筑基坑支护规程中对锚索自由段长度做了明确的规定：

a为锚索倾角;

a1为锚索至基坑底面的垂直距离;

a2为基坑内外侧土压力等值点位置。

锚索自由段长度除了满足本条规定外，尚需满足不小于5m的规定，且应穿过潜在滑动面进入稳定岩层不小于1.5m，此外锚索总长度还应考虑外锚头的长度，必要时方便补张拉。为减少锚索锈蚀，可以对锚索外露部分进行防腐处理，但不建议直接封锚，否则无法正常补张拉。

2.1.2 选择性能匹配的锚具，减少回弹量

锚索张拉后，当千斤顶卸荷时，是靠工作锚板来锁定的，锁定过程中绞线会发生回缩，而回缩量则表征了预应力损失的大小，这可据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）规定计算：

L为锚索自由段长度;

Ey为杆体弹性模量;

A为杆体截面积。

根据上式可知，锚具的回弹量与预应力损失成正比，钢绞线的自由段长度与与预应力损失成反比，故一定要选择性能匹配的锚具，控制钢绞线的回弹量，降低预应力锁定瞬间的损失。

2.2 施工过程预防措施

2.2.1 减少岩土结构扰动 ，确保锚固效果锚索

锚索的优点之一是施工时对岩土结构的扰动小，未造成其结构破坏。由于边坡工程通常采用自上而下的分步开挖措施，岩体的开挖卸载，形成较大的临空面，岩体内部应力得以释放，岩体向临空面方向发生变形，从而导致支挡体系承受较大压力。因此，应边挖边锚做好防护，减少岩体的变形，增加锚索的锚固效果。

2.2.2 做好钻孔定位，减少孔斜率对锚固力损失的影响

锚索一般以倾斜的角度嵌入土（岩）体进行锚固，钻孔的角度和方位控制极为重要，对锚索的预应力发挥至关重要。若控制不当，角度产生偏差，则锚索安装时会在钻孔精度偏差的影响下与孔壁产生一个甚至多个接触点，导致张拉过程中产生摩擦力，依据锚索的受力特点，摩擦力将影响锚索粘结应力的发挥和转移，从而造成锚固力转移过程发生较大损失，不利于控制变形。通过研究及数据分析可知，预应力损失量与钻孔斜率和施加的张拉值有较大的关系，计算关系式如下：

据上式可知，在施加的张拉力一定时，钻孔斜率越大，预应力损失也越大。钻孔时一定要反复查验锚索的钻孔角度，确保方位准确，把锚索的钻孔精度控制在0.5%以内，锚索杆体放置后不能晃动，利用定位支架居中，避免锚索偏位，甚至与孔壁接触，造成较大摩擦力。

2.3 锚索张拉及鎖定

锚索张拉锁定是施工阶段控制预应力瞬间损失的关键步骤，应科学、严谨的控制。锚索正式张拉前，应对预应力锚索施加0.2倍拉力设计值进行1～2次试张拉，通过施加低荷载使钢绞线紧绷受力，确保各部位接触紧密。锚索预应力的瞬间损失，锚具等弹性回缩影响较大，但张拉时的损失依然不容忽视。

2.3.1 选择合理的张拉顺利和适当的最大张拉力

锚索张拉之前必须要依据试锚的情况结合规范要求及同类项目的成功经验制定合理的顺序，采用分步、逐级加荷、施放循环、对称的方式进行张拉。对于多束锚索的，应选择合适的设备同步张拉，当同一排有多个锚索时应对称张拉。若未采取分步张拉，则后续张拉的锚索时在施加应力时，由于压应力突然增大，致使之前张拉部分已受压的土体进一步压缩变形，造成已张拉锁定毛多的预应力损失，为防止后续张拉造成已张拉的锚索应力释放、预应力减少，最好配备两台甚至多台设备间隔、对称张拉，减少相互之间的干扰。

对于锚索最大张拉值，由于作用场所等不用，作用机理有差异，故各类规范中提出的标准都不相同，《岩土锚索与喷射混凝土支护技术规范》中临时性锚索的最大张拉力应取锚索设计值的1.1倍，《建筑地基基础设计规范》中临时性锚索的最大张拉力应取锚索设计值的1.05～1.1倍，而《建筑基坑支护技术规程》规定最大张拉力应按检测值（一级1.4倍、二级1.3倍、三级1.2倍）执行。由于一般基坑对变形控制要求较高，结合多年施工实践认为，基坑支护规程中的规定较为合理，通过张拉试验一是通过张拉实现对每根锚索质量检测，当锚索质量不足时可以及时发现，以免留下质量隐患，二是可检测在设计荷载下锚索各连接节点的可靠性。

2.3.2 张拉位移的监测

锚索张拉时的加荷级数不少于5级，加荷速度按50kN/min～100kN/min，每级荷载10min的持荷时间内，按1、3、5、10min 测定锚索位移。在张拉时最大张拉值的控制和表征锚索质量的伸长量检测极为关键。

拉力型锚索弹性变形，按照试验标准，在施加最大试验荷载时，弹性位移量应超过该荷载下锚索自由段按照理论计算的理论弹性伸长值的80%，且小于按理论计算的锚索自由段的弹性伸长量与1/2锚固段弹性伸长量之和，方为合格。

P：预应力锚索张拉力;

L：预应力锚索自由段长度（预应力锚索自由段长度+1/2锚固段段长度）;

A：预应力锚索面积;

E：预应力锚索弹性模量。

锚索张拉是锚索锁定前的最后一道工序，也是检测锚索质量最直观的方式，张拉过程应做好记录，若锚索位移出现突变应高度警惕，及时分析原因，采取二次高压注浆等措施进行弥补，若发现锚索质量不足时应采取其他加固措施。坚决不允许在张拉异常下草草锁定，给工程安全埋下隐患。

2.3.3 锚索锁定

锚索的设计锁定值一般是设计拉力值的0.75～0.9倍，这是由锚索的作用机理决定的，若锁定值过小，锚索要发生位移才能逐步发挥预应力，成为被动受力，违背锚索主动支护的初衷，若锁定值过大则土体开挖过程中增加的荷载逐步达到锁定值，直至超过锁定值，但这个过程中描锚索会缺少变形量，破坏前预兆大大减少，会变成一种脆性破坏，不利于危险防范。

锚索锁定后既要能发挥主动支挡作用，控制支护结构变形，也要允许有充分的伸缩，直观的反映结构位移。鉴于当前城市建设如火如荼，高楼群集、管线密布，周边环境复杂，各种因素都对变形控制提出更高的要求，故此锁定值应尽量取大值，并应充分考虑锚索张拉的瞬间损失、孔壁影响损失、岩体蠕变等随时间变化损失的各种因素，锁定值按设计锁定值的1.15倍控制，减少锚索的预应力损失，更好的限制位移，在此过程中应做好监测，密切关注锚索预应力变化和基坑的位移变化。

2.4 预应力锚索的维护工作

前文已分析了锚索经历瞬间损失后，还要随时间进行三个阶段的变化，为此要采取措施做好防范，减少锚索预应力随时间的变化。

2.4.1 做好截排水，减少降雨影响

降雨对锚固力有较为显著的影响，由于滑动面遇水后抗剪强度和内摩擦角等岩土性能降低，导致锚索预应力损失。同时，计算土压力可知，降雨渗透侵入后，采用水土分算，土压力会有成倍增加，形成锚固力和土压力此消彼长的对立变化，给基坑安全带回极大威胁，所以施工时一定要做好截水、排水设施。

2.4.2 做好基坑巡视与监测，保障锚索安全

锚索预应力是按照特定工况设计的，但是施工中经常会出现基坑周边堆载的情况，增加土压力，以致在基坑支护的安全储备消耗殆尽后发生破坏，所以必须要严禁私自在基坑周边堆载和增加动荷载的行为。巡视还应密切关注基坑周边场地裂缝，要及时修补，防止水流渗入，降低岩土性能，增加荷载。认真查看锚头情况，防止开挖时拖拽破坏或锈蚀、松动，都要及时采取措施。

3  结论

①影响锚索锚固力损失的因素众多，预应力损失分为瞬时损失和随时间变化的损失。预应力瞬时损失最為严重，应作为施工控制的重点，预应力随时间变化的损失影响因素多，在施工中应密切关注，做好巡视和监测，做好各项措施对锚索进行保护。

②紧抓锚索施工重要时机。边坡土方开挖后，土体应力释放，岩土性能有一定的降低，必须要保证锚索施工的及时性，并在锚索锁定后，能有效约束土体变形后才能开挖下层土体。

③科学严谨做好施工过程控制，尽力减少锚索预应力瞬间损失。严格控制锚索的钻孔精度减少摩擦，降低预应力沿程损失;按照同步、对称的方式分步张拉锚索，张拉的最大值要达到检测值，做好位移观测，全面掌握锚索性能;按1.15倍的锁定值进行超张拉锁定，以抵消部分预应力损失。

④做好截排水，防止水流渗透，降低岩土性能指标;维护过程中要加强巡视和监测，及时修补裂缝，对损坏的支挡结构及时修补，减少预应力随时间变化的损失和应对突发情况造成的锚索破坏。

⑤锚索预应力损失机理复杂，至今仍是工程界研究的热点，本文在前人研究的基础上，注重结合理论从工程施工角度进行防范，取得了一定成果，但数据采集有限，仍需进一步研究，共同推动锚索预应力技术的发展。

参考文献：

[1]王清标，张聪，王辉，等.预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究[J].岩土力学，2014（8）：18-22.

[2]张发明，赵维炳，刘宁，等.预应力锚索锚固荷载的变化规律及预测模型[J].岩石力学与工程学报，2004，23（1）：39-43.

[3]陈安敏，顾金才，沈俊，等.软岩加固中锚索张拉吨位随时间变化规律的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21（2）：251-256.

[4]JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[5]GB50007-2011，建筑地基基础设计规[S].

[6]GB50086-2015，岩土锚索与喷射混凝土支护工程技术规范[S].