预应力锚索锚固力损失机理分析及其在岩土工程中的应用

刘俊慧

（广州博昊勘测技术有限公司，广东 广州）

岩土工程中使用预应力锚索进行加固后，外界环境、施工技术、锚索质量等因素都会对锚索的锚固力产生影响。如果锚固力损失严重，则无法起到加固、保护的作用，不仅影响工程的施工质量，而且有可能对现场施工人员的安全构成威胁。因此，在岩土工程施工中应用预应力锚索时，一方面要明确锚固力损失机理，进而从源头上采取措施最大程度上减小锚固力损失；另一方面又要做好锚固力损失检测，在锚固力不能达标的情况下及时补偿张拉。

1 预应力锚索锚固力损失机理分析

1.1 土体性质对锚固力损失的影响

1.1.1 土体的蠕变影响

土体具有孔隙率高、易于压缩、天然强度低等特点，嵌入到土层中的锚索在受到较大的荷载时会发生明显的蠕变位移，并带动锚体周边土体流动，导致锚索承载力出现明显下降。以饱和淤泥地层为例，不同荷载下锚索的蠕变曲线如图1 所示。

图1 饱和淤泥地层中锚索的蠕变曲线

由图1 可知，在饱和淤泥地层中，锚索的蠕变变形主要发生施加荷载后的前期。当施加荷载为300 KN 时，在载荷施加的前90 min 内，蠕变量达到了1.90 mm，占总蠕变量（2.59 mm）的73.4%；当施加载荷为600 KN 时，在载荷施加的前90 min 内，蠕变量达到了4.20 mm，占总蠕变量（4.49 mm）的93.5%。横向对比来看，锚索蠕变量的大小与其预应力成正比，即施加荷载越大的情况下，蠕变量越大。由此可得，土层蠕变是导致锚索锚固力损失的一个主要因素。

1.1.2 土体的压缩变形影响

受到预应力锚索的影响，土体在受荷影响区域内会产生塑性压缩和相对变为。根据前人研究可知，松散地层的土体压缩量大约在25～30 mm，极限荷载下压缩量最大可以超过100 mm。压缩量除了与施加荷载有关外，与地层的岩土性质也有密切关系，地层越松散的情况下压缩量越大。不同地层压缩引起锚固力损失见表1。

表1 不同地层压缩引起的锚固力损失（单位：%）

1.2 锚固段岩体质量对锚固力损失的影响

嵌入岩石内的锚索，在长期受到较大预应力作用的情况下，锚固段与围岩之间形成一段位移，并且随着位移量的增加锚索的预应力也会持续下降，最终使锚索松动，从岩石中脱出[1]。图2 是某岩土工程中2 根预应力锚索的现场预应力损失测试曲线。

图2 锚固段不同岩体质量与锚固力损失关系曲线

图2 中，7-2#锚索嵌入的围岩属于完整度较好、硬度较大的闪长岩，查阅有关资料可知其BQ（基本质量指标）值为569，假设锚索锁定后预应力值不变，延续80 h 后锚固力损失仅为12%。9-2#锚索嵌入的围岩属于风化的软弱岩层，经过计算其BQ 值为352，假设锚索锁定后预应力值不变，延续80 h 后锚固力损失达到了58%。

由此可知，在锚固段岩体完整度高、结构面良好，岩体BQ 值较大的情况下，锚固力损失较小；反之锚固力损失较大。

1.3 震动或冲击对锚索锚固力损失的影响

岩土工程中使用预应力锚索进行边坡加固时，大多采取一边开挖、一边施加锚索的方法，这样在施工期间锚索会受到爆破、地震或者是钻机等多种冲击力的影响，进而造成锚固力损失。尤其是在稳定性较差的松散岩体中进行钻挖施工时，产生的冲击力会导致岩体或土体的抗剪强度降低，锚索锚固段的蠕变量增加；同时，锚固段受到冲击作用后与岩体之间产生空隙，变得松动，锚固力随之下降。有研究表明，在岩土工程的爆破作业中，当爆破点与锚索体之间的距离＜5 m 时，锚索锚固力的损失量是受到相同静荷载下损失量的40 倍左右[2]。这里以某水利工程为例，基于施工需要采取了劈裂爆破作业，对工程边坡锚索的锚固力进行了观测，结果如图3 所示。

图3 某水利工程边坡锚索锚固力变化曲线

由图3 可知，在1 月2日进行爆破后，锚固载荷为900 kN；在11 月2 日再次观测时，锚固力降低为745 kN，观测期间累计下降了155 kN，说明施工爆破对锚固力损失有较为显著的影响。

2 预应力锚索在岩土工程中的应用

2.1 工程概况

某高速公路的K26+256～K28+604 段位于丘陵地带，该路段U 型沟谷发育，植被覆盖率高，多年平均降水量1 381 mm。边坡自然坡度36.6～42.7°，一侧坡体有松动变形迹象，另一侧靠近沟谷河流。该路段属于半挖半填露天，有最大高度为90 m 的高边坡。从地质调查情况来看，边坡区地层以侏罗纪熔结凝灰岩为主，岩体裂隙发育，破碎情况较为严重。为保障公路行车安全，必须要对边坡进行加固。原加固方案为“混凝土挡土墙+钢筋网喷射混凝土”联合防护，但是在边坡开挖期间发现多处坡面裂缝，并且锚索钻孔时遇到数次卡钻、突然进尺等情况，表明边坡存在连续的张开裂隙带，原防护方案无法保证边坡稳定，需要重新设计防护方案。结合现场情况，优化后的方案如下：使用预应力锚索进行Ⅰ级边坡加固；Ⅱ级和Ⅲ级边坡在锚索加固的基础上，使用钢筋混凝土格型底梁将外锚头连接成为整体。

2.2 预应力锚索施工

现场施工时，为了避免发生牵引式坍塌，施工人员首先进行了坡顶外山体的加固处理。使用机械设备清理掉坡面松动的石块和质量较差的土体后，进行边坡分级。将原来的连续性边坡改为三级台阶式边坡，按照自上而下的顺序进行开挖。第一级高度为20 m，坡率为0.8；第二级高度为24 m，坡率为0.85；第三级至高边坡的山顶，坡率为0.85。完成开挖后，使用小型碾压设备将土体夯实，形成硬度较大并且表面平整的分级式坡面。然后按照施工图纸进行测量放线，标记出需要插入锚杆、锚索的具体位置，将砂浆锚杆、预应力锚索插入相应位置[3]。同时，在滑塌体底部设置水平排水孔，不仅能够及时排出坡体径流，还能消除泼面体渗水。在坡脚出砌筑片石混凝土挡土墙进行加固，防止落实掉落到公路上。

本次岩土工程中共布置了470 根预应力锚索，均采用高强度低松弛无粘结钢绞线，单根钢绞线的极限抗拉强度可以达到1 950 MPa。每根锚索有5 条钢绞线组成，锚索长度在20～30 m 不等。根据施工方案，锚索预应力至少要达到750 kN，考虑到存在一定的预应力损失，超张拉10%，即张拉荷载需要达到825 kN。

2.3 锚索预应力监测

如前文所述，该工程所在地区的边坡岩体裂隙较为发育，采用预应力锚索加固后需要密切监测锚索的有效预应力，一方面用于检验该加固方案的应用效果和施工质量；另一方面也能提前采取应对措施，避免出现边坡滑塌事故。随机抽选一定数量的锚索，在锚索上安装测力计，抽选数量不低于锚索总数的10%。

本次锚索预应力监测采用的是MGH 型振弦式锚索测力仪，由精密传感器、O 型密封圈、活塞、缸体等组成。压力传感器采集到的压力信号被转换成电信号，传输到GSJ-2 型电脑检测仪中进行分析，输出结果可直接显示锚索拉力[4]。该仪器的准确率为0.5%，可以满足工程监测需要。这里选取第1#、7#和13#三根锚索，在锚索锁定的120 min 内，每20 min 收集1 次数据，将记录数据统计成表2。

表2 锚固力短期损失速率（单位：kN/min）

由表2 数据可知，3 根锚索的锚固力变化趋势基本一致，即随着时间的增加，锚固力呈现出下降趋势。其中，1#锚索的锚固力短期损失速率最快，最开始为0.81 kN/min，在测试结束是下降到0.22 kN/min，2 h内下降了72.8%。

2.4 预应力锚索的补偿张拉

从抽样锚索的锚固力监测结果来看，部分锚索的锚固力损失较为严重，达不到预期的边坡加固效果，需要采取补偿张拉措施，使锚索应力重新达到设计值[5]。这里以其中一根需要补偿张拉的锚索为例，补偿张拉前后的锚固力损失对比结果见表3。

表3 锚索补偿张拉前后锚固力损失对比

由表3 数据可知，该锚索经过补偿张拉后，锚固力损失值从160.75 kN 降低为7.05 kN；锚固力损失比从19.60%降低至0.93%，这一数据表明补偿张拉取得了显著效果。

3 结论

岩土工程施工中，采用预应力锚索进行加固能够显著提高边坡稳定性。但是锚索的锚固力会受到多种因素的影响，例如土体的压缩变形、岩体的应力状态、钢绞线的松弛程度以及锚索的施工质量等，都有可能导致锚固力损失进而达不到设计要求，产生安全隐患或质量问题。施工单位在应用预应力锚索时，应当明确锚固力损失的原因与机理，并通过密切监测锚固力的方式，随时掌握锚固力变化情况，当锚固力达不到施工要求时及时采取补偿张拉措施，确保预应力锚索的可靠与稳定。