高边坡预应力锚索锚固力的损失分析

钱娅

（云南省公路工程监理咨询有限公司，云南昆明 650000）

0 前言

随着我国经济的高速发展，公路建设突飞猛进，公路等级也在不断提高，高填深挖随处可现，尤其在云南山岭重丘区，高填方高边坡更为普遍，路基下沉、边坡滑坍等病害也常有发生。在处治和预防边坡滑移的过程中，预应力锚索是效果最好、处治最彻底的一种措施，因而也就得到了最为广泛的应用。但是锚固应力将会因为受到安装锚具、岩体发生变动、张拉系统的存在以及钢绞线在使用中出现松弛等多种因素影响而有所损失，损失程度将会对整个锚固工程实践结果产生最为直接的影响。所以，想要明确锚固效果评价、了解张拉的荷载，对锚索预应力所产生的损失做出合理的估算，具有积极意义[1]。

笔者结合亲自实践的昭待高速公路十二合同段K225+170～K225+320 段滑坡体锚索加固处理的过程，浅述在该过程中的心得和体会，供广大公路建设者在施工类似工程时借鉴。

1 工程概况

昭待高速公路K225+170～K225+320 段路基为深开挖路堑，长377m，最大挖深35m，右侧为推移式滑坡，该滑坡为一土质滑坡，滑体主要由山前残坡积物和滑坡堆积物组成，成分主要为粘土和碎石土，滑体松散堆积层状与山体自然坡度近乎平行。滑床为弱风化基岩，滑坡平面形态呈“舌”状，前缘部份隆起，后缘已不清晰，其侧壁清晰有陡坎。滑坡前缘宽约130m，后缘宽约70m，前后缘高差48m，长约150m，滑动方向为由东向西。原设计采用在第一台边坡平台处设置抗滑挡土墙进行处治，挡墙底有3m 长φ25 砂浆锚杆锁脚。施工中，边坡严重失稳，已施工的部份抗滑挡墙下移倾倒损毁。为确保路基稳定及运营后的行车安全，对该段路基右侧边坡采取预应力锚索、框格梁、抗滑桩、放缓边坡清除坍体、桩板墙等综合防护处治措施。

2 锚索张拉实际伸长量与理论伸长量对比

通过使用四级张拉操作锚索，每级张拉分别15%、30%、70%、100%，在开始张拉之前，首先要完成初步的张拉任务，在进行张拉时，需要严格参考锚垫板与OVM15-5 型号锚具。张拉的时候要校核锚索伸长量与张拉应力值控制情况，将理论层面的伸长量与实际操作获得的伸长量两者之间的差异维系在6%之内，若是超出整个范围，便需要停止张拉，重新检查核对千斤顶及油压表是否配套，必要时应送有资质的单位重新标定，同时观看坡面、检查锚垫板，对预应力钢绞线进行弹性检验，总之，一定要将原因查明并采取措施予以调整后，方可继续张拉。本段边坡防护，根据不同的地质地形，锚索的长度不同，而且锚固段和自由段的长度也不相同，以K225+213 断面A12B5孔为例：锚固段Lmg=12m，自由段Lzy=11m，在计算理论伸长量的时候，要根据以下公式展开：

式中：△L-理论伸长量，mm；N-锚索张拉张，N；Lzy-锚索自由段长度，mm；E-锚索的弹性模量，MPa 取 195；A-锚索截面面积，mm2。

将相关数据代入上述公式为：

△L=（500×1000×11×1000）/（195×1000×139×4）=50.7mm

现场实际张拉的结果如表1 所示。

表1 A12B5 孔锚索张拉记录

现场实际伸长量△L=8.5×2+19.7+16.1=52.8m（计算中初张拉时的伸长量采用相邻级的伸长值代替），则实际伸长量与理论伸长量的差值为52.8-50.7=2.1mm，2.1/50.7=4.14%＜6%，通过上述计算可知，实际张拉结果满足技术标准要求。

3 预应力损失分析

测试损失的预应力选择的设备为XYJ 型的三弦式荷载传感器，选择使用型号为GK403 的数据采集仪作为采集预应力数据的设备。在预应力锚索锚垫板上安装完成三弦式荷载传感器，之后需要将千斤顶安装在上面，将压力分级施加到锚索之上。每增加一级以后，都必须要通过自锁式锚具完成锁定，使得油泵得以完全解压，之后再次开始准备下一次的荷载操作。划分锚索应力损失，将其成为两个不同的部分，①加载结束以后的损失部分；②加载过程中的损失部分。其中①所造成的损失主要是由于坡面岩体出现蠕变以及钢绞线发生松弛，属于变形与松弛损失。②所造成的损失包括有夹片和锚具等出现回缩变形现象、卸载过程中释放油压以及张拉系统摩擦阻力等引发的损失，属于系统性的损失。

3.1 系统损失

理论层面上的夹片与锚具所导致的预应力损失，在计算损失量的时候可以按照如下公式展开：

其中：△L-夹片与锚具在变形时出现的回缩值；L-有效的锚索长度，即自由段的长度值；Ey-钢绞线的弹性模量（取195MPa）；A-钢绞线的截面积。

以具有相同设计参数的A12B6、A12B7、A12B8计算该部分预应力损失，单根预应力锚索 Nl=（139mm2×4×195MPa×6mm）/10m=65.1kN。其损失率=65.1/500=13.02%。

现场实测 A12B6、A12B7、A12B8三点预应力损失如表2 所示，可以计算三点平均预应力损失为Ns=（36.5+37.55+37.8）/3=37.3kN，平均损失率=（7.30%+7.51%+7.56%）/3=7.46%。

表2 A12B6、A12B7、A12B8 号锚索预应力系统损失

从上述数据可以看出，理论结果相比较于实际测量的结果而言是偏大的，即使是再将因为受到摩阻力影响而导致的预应力损失添加上，实测结果仍旧是大于理论值，并且实际测量的结果中还包含有释放油压而导致的各种损失，所以在实际的设计与施工环节，预应力损失用该理论计算式计算并代表系统应力损失是偏于安全的。

3.2 松驰与变形损失

完成加载以后，损失预应力是一个持续的过程，损失的预应力主要是因为坡面的岩体发生变动，钢绞线发生松弛而引起。

3.2.1 钢绞线的松驰

由于受到长时间的荷载作用影响，钢绞线将会时移事易，出现应力松弛，这个过程将会持续十几年到几十年不等，所以在实验中很难展开相关的测试。所以，在大多数情况下将会按照1000h 的松弛量，松弛量的数值受到应力水平的影响，最为常见的钢绞线松弛率结果如表3 所示。

表3 常用钢绞线的松驰率

钢绞线所表现出来的松弛率大小，不仅受到钢绞线本身所表现出来的物理力学特征影响，同时还会受到初应力的影响。在对受到长期荷载影响的钢绞线所出现的应力损失展开计算的时候，普遍的是需要根据张拉控制应力的90%展开。

3.2.2 岩体的蠕变

由于岩体其本身就具有各向异性以及不连续的特点，受荷区的岩体内部的所有组成单元将会因为受到应力的影响而出现相对移位以及塑性压缩变形的特征。这种现象的出现是伴随着时间的变化而变化的，这就被称作为岩体的蠕变。就预应力锚索而言，主要是在应力较为集中的位置发生岩体蠕变现象，岩体的结构位置将会因为受到锚固力的影响而出现压密，所以，岩体在受到锚固力的影响下，将会缓缓的出现压缩变形，进而导致预应力出现损失。锚索预应力发生损失是受到结构特性与岩体强度等因素的影响，因为岩体发生形变，将会导致锚固力在一周之后出现缓慢损失。下面以A12B6、A12B8号锚索的观测值为例，分析因为坡面的岩体出现蠕变或者是钢绞线发生松弛而导致的预应力损失。

（1）A12B6号锚索预应力短期变化

锚索预应力的损失过程，是一个长期的过程，持续的时间甚至可以达到数十年。当A12B6号锚索在完成加载以后的2.5h、4.5h和150h 的三个时刻，对锚索预应力的损失数值展开详细的观测与分析。通过分析的结果表明，在最开始的2.5h 之内，锚索预应力所表现出来的预应力损失速度时最快的，所示的预应力约为25.51kN。之后，预应力损失的速度将会逐渐的趋向于缓慢，等到4.5h 以后，预应力损失的数值将会达到1.31kN.。当钢绞线松弛与坡体蠕变在经过150h 的变化以后，对其变化的结果进行计算，预应力数值变化结果仅仅为6.57kN，总损失大约占据设计值的6.68%。

（2）A12B8号锚索预应力短期、长期变化

A12B8号锚索在系统出现应力损失以后，其锚固力在150h 以内的损失变化曲线与长期损失变化曲线。随着时间的变化推移，A12B8号锚索长期预应力损失将会逐渐趋向于稳定数值。通过记录的结果可以清楚的了解，锚索预应力的长期损失结果占据12%左右。

3.3 锚索锚固力变化的环境影响

3.3.1 降雨对锚固力的影响

锚固力还会受到降雨历时以及降雨总量的影响，并且效果十分明显。产生这种影响的结果将会在岩体裂缝发育中有所体现，特别是在具有较大渗透系数的位置中，同时具备明显的时间滞后效应。因为滑动位置遇到水以后，将会降低强度，削减抗剪力，从而造成锚固力逐渐丧失。但是根据现场观察测量的结果可以清楚的了解，在降雨之后，裂缝中的水分消失，锚固力又会缓慢的恢复到降水之前，所以说，锚固力受到降水的影响不大。

3.3.2 温度变化对锚固力的影响

温度变化所产生的影响，主要是在岩体变形领域中有所体现，将会造成锚索的预应力锚固力发生变动。因为受到热胀冷缩的影响，岩石的内部位置将会出现应力状态变化，岩体的温度上升的时候，将会增加锚固力，若是温度下降，将会降低锚固力。岩体不同，膨胀系数也有所差异，所以，温度的变化情况，也将会导致锚固力出现变动。由于岩体的膨胀系数较小，温度变化引起的锚固力变化值很小，工程中可以不考虑温度变化对锚固力的影响。

4 结语

通过对预应力锚索施工过程中系统引起的损失和钢绞线松驰与岩体蠕变引起的损失进行分析，结果表明：锚具、夹片等变形回缩是系统损失的主要因素，钢绞线松驰与岩体蠕变是引起锚固力长期损失的主要原因，施工中气候变化引起锚固力损失在气候的回复过程中可以忽略。试验及计算结果显示，该边坡系统引起的损失值大小约占13.02%，钢绞线松驰与岩体蠕变引起的损失值大小约占12.0%，即钢绞线的预应力损失合计为25.02%，那么在为锚索施加预应力的时候，我们采取比设计控制力增加25.02%的超张拉是比较合理的，这样就可以为弥补系统和钢绞线及岩体蠕变而形成的预应力损失，能保证锚索在正常工作状态下满足锚固力的要求。当然在具体边坡锚索预应力超张拉力计算时，应考虑钢绞线的强度级别，所施加超张拉后的锚固应力应小于0.8 倍钢绞线的强度[2-3]。