张拉方式对预应力锚索支护结构特性影响的室内模拟试验

王琴琴,代文厅，陈开圣,陈 斌

(1.黔南交通试验检测有限公司，贵州 都匀 558000；2.贵州工大土木工程试验检测股份有限公司，贵州 贵阳 550018；3.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

贵阳市地形复杂，以喀斯特地貌为主，道路的修建避免不了要开山放坡，这就使得贵州省高速公路两侧涌现出大量的路堑高边坡[1]。因其能充分发挥和提高岩土体的强度，有效控制岩土体的变形，预应力锚索已在基坑、边坡、隧道、矿山等工程中广泛应用[2]。预应力锚索是通过对锚索施加张拉力以加固岩土体使其达到稳定状态或改善内部应力状况的支挡结构。通过对锚索施加预应力,能够主动控制岩土体变形，调整岩土体应力状态，有利于岩土体的稳定性[3]。杨仁树等[4]为了在巷道围岩控制中防止锚索发生剪切破断，充分发挥锚索的优越性能，在锚索拉伸试验的基础上，建立了一套锚索双剪试验系统，对锚索的剪切力学特性进行试验研究。孙彦鹏等[5]针对预应力锚索内部应力监测难题，研发了一种新型预应力锚索内部应力监测结构，并通过破坏性张拉试验和多级荷载反复张拉试验对该监测结构进行测试。刘晶晶等[6-7]通过对多节点加载预应力锚索格构梁室内模型试验的研究，认为受边坡坡角和锚索倾角的影响，格构梁底面存在的摩擦力对格构梁的变形和受力状态有较大影响，并对实测结果与理论计算结果进行了对比分析。由此可见，预应力锚索加固边坡研究成果主要集中在承载特性方面，而预应力锚索张拉方式对边坡及支护结构的安全性影响如何，相关文献报道很少。

本文进行了沿钢绞线轴线方式张拉和与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉的室内模拟试验，通过试验结果的对比，分析现场实际施工工况条件对边坡支护结构受力与变形的影响，为边坡稳定性提供技术依据，同时也为其他类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某边坡分段开挖，一次性开挖高度6 m，长度60 m，为永久性一级边坡，采用预应力锚索支护。施工图纸中设置斜锚具张拉，使锚索在封锚后形成25°的夹角。施工单位在施工过程中对没有安装斜锚具的锚索(图1)进行了张拉，不满足设计文件要求，需进行室内模拟试验后方可评议该支护结构的安全性。室内模拟试验为判断该工程的安全性提供依据，并为类似工程提供技术借鉴。

(a)现场张拉 (b)张拉后脱空

2 模拟试验方案

2.1 模拟试验目的

假设锚固段和钢筋混凝土为刚体，因施工单位不按设计图设置斜锚具，对支护结构受力和变形产生影响，需进行室内模拟试验，整理好试验数据及初步分析，为有关部门对该支护结构的安全性评价提供依据。

2.2 模拟试验方法

2.2.1沿钢绞线轴线方式张拉

边坡施工图设计采用斜锚具方式张拉，如图2和图3所示。张拉方法为：正式张拉前，应取0.1～0.2倍锚索轴向拉力值，对锚索预张拉1～2次，使其各部位接触紧密和完全平整。采用整束张拉，每级张拉预应力按设计值(500 kN)的1/4计算，每次张拉两级，每两级张拉时间间隔不少于15 min，两次张拉时间间隔不少于3 d，整束钢绞线的锁定荷载为设计张拉值(500 kN)的1.1倍即550 kN。预应力锚索锁定48 h内，若发现预应力损失大于设计值的10%，应进行补张拉。模拟试验采用沿钢绞线轴线方式张拉，加载方式与设计一致。

图2 设计张拉方式剖面图

图3 沿钢绞线轴线方式张拉平面图

2.2.2与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉

边坡施工中实际采用与桩身平行的锚具方式张拉，如图4和图5所示。张拉方法为：与钢绞线轴线成25°夹角进行张拉。张拉方法与沿钢绞线轴线方式张拉方法相同，加载方式与设计一致。

图4 施工张拉方式剖面图

图5 与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉平面图

2.3 模拟试验步骤

2.3.1沿钢绞线轴线方式张拉

原材料试验结束并且合格的情况下，进行锚固组装件室内模拟试验。沿钢绞线轴线方式张拉试验步骤如下：

组装件安装：将10束钢绞线穿过10孔锚具，按图2方式进行安装，做3个组装件静载锚固性能试验，张拉方式为整束张拉。斜托安装在锚具和支承垫板之间，锚索测力计安装在斜托与锚具之间。

张拉端加载：模拟设计加载工况，以锚索张拉锁定值550 kN的20%→40%→100%→110%缓慢均匀进行张拉，每级持荷15 min，再返回至锁定值550 kN,持荷48 h,记录应力损失(工况1)。

锚固端加载：模拟土压力、孔隙水压力增大等不利环境因素影响，以锁定值550 kN为初始力，以锁定值的1.2倍→1.3倍→1.5倍慢慢均匀进行加载，每级持荷15 min，至1.5倍锁定值时持荷48 h，记录应力损失(工况2)；再以相同速率加载至锁定值的1.6倍→1.8倍→2.0倍，每级持荷15 min，至2.0倍时持荷48 h，记录应力损失，同时记录该级应力下的变形值(工况3)。若此时组装件破坏，试验结束，并记录破坏情况；若未破坏，继续加载，直至组装件破坏，记录破坏情况[8](工况4)。

各阶段各级加载速率为100 MPa/min[7]。

2.3.2与钢绞线成25°夹角方式张拉

试验步骤与沿钢绞线轴线方式张拉相同，加载方式与设计一致。

3 试验结果分析

锚固组装件室内模拟试验数据见表1。沿钢绞线轴线方式张拉试验结果如图6、图7所示，与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉试验结果如图8、图9所示。

表1 试验结果

图6 沿钢绞线轴线方式张拉试验 图7 沿钢绞线轴线方式张拉(中间断裂)

图8 与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉试验 图9 与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉(两端断裂)

4 结论

1)沿钢绞线轴线方式张拉：张拉端锁定550 kN持荷48 h，预应力损失平均值为0.3%，应变平均值为0.26%；锚固端锁定825 kN持荷48 h，预应力损失平均值为0.4%，应变平均值为0.40%；锚固端锁定1 100 kN持荷48 h，预应力损失平均值为0.6%，应变平均值为0.55%；组装件钢绞线断裂位置位于组装件中间，破坏荷载强度平均值为1 918.60 MPa。

2)与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉：张拉端锁定550 kN持荷48 h，预应力损失平均值为0.3%，应变平均值为0.26%；锚固端锁定825 kN持荷48 h，预应力损失平均值为0.5%，应变平均值为0.46%；锚固端锁定1 100 kN持荷48 h，预应力损失平均值为0.7%，应变平均值为0.58%；组装件钢绞线断裂位置位于两端锚具附近，破坏荷载强度平均值为1 754.69 MPa。

3)与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉的破坏荷载强度平均值(1 754.69 MPa)比沿钢绞线轴线方式张拉的破坏荷载强度平均值(1 918.60 MPa)小8.54%；比规范的抗拉强度标准值(1 860 MPa)小5.66%。说明不同的张拉方式对钢绞线的抗拉强度影响不同，与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉对钢绞线的抗拉强度有所减小。

4)与钢绞线轴线成25°夹角方式张拉的钢绞线破坏荷载强度是设计控制应力(393 MPa)的4.46倍，是设计超张拉应力(432 MPa)的4.06倍，说明本工程钢绞线的设计控制应力远小于非轴线张拉破坏荷载强度。

5)为确保工程安全，建议对边坡和支护工程加强巡视，按有关规定对工程监测监控。