自鎖型預應力錨索的應用

劉慶元

(中鐵西北科學研究院有限公司 南方分院，深圳 518048)

隨著我國基礎建設項目的高速發展，大量的錨固工程得到應用，巖土錨固工程除在地下工程、邊坡工程、結構抗浮工程、深基坑工程中繼續保持著良好的發展態勢外，在重力壩加固工程、橋梁工程以及抗傾覆、抗地震工程中也有了較大的進展。除了傳統的錨固結構形式外，大量的新型錨固結構不斷研制成功并得到應用，例如塊硬水泥錨桿、擴頭地錨、屈服錨桿、自鉆式注漿錨桿、可回收錨桿、傳力可控型錨桿以及自鎖型預應力錨索等。

自鎖型預應力錨索是一種新型預應力錨索結構，在錨固體系上施加主動荷載時，張拉荷載在錨具外表面處與錨固段產生的抵抗荷載(簡稱錨固荷載)平衡;張拉機具卸載過程中，各自鎖荷載之和與反力結構上外錨頭的剩余荷載一起與錨固荷載進行平衡;當自鎖器發揮作用且張拉機具全部卸載后，作用在反力結構上的只有錨固荷載減去自鎖荷載后的剩余荷載，其內力也相應減小。

與普通錨固結構相比較，自鎖型預應力錨索應力場具有三大特點:①反力結構上的剩余荷載比錨固荷載小甚至為零，不但可減小反力結構，而且反力結構下地基應力值也相應減小，從而對坡面淺表層的巖土體干擾也小，可大幅減小因該部分巖土體變形調整引起的預應力損失。②自鎖器對張拉段地層施加主動黏結應力，且作用方向為沿錨索軸向朝向坡體內部，有利于保持該部分巖土體的穩定。③錨固荷載由自鎖荷載和反力結構上的剩余荷載共同平衡，即錨固段抵抗能量場=張拉段自鎖能量場+附加能量場，能充分提高結構各部分的利用率。

因此，自鎖型預應力錨索結構充分利用張拉段地層能量場，改善錨固應力場分布，具有荷載分布均勻、降低反力結構規模或取消反力結構、施工便捷、延緩錨固荷載損失、預防預應力錨索突發事故、節約造價、便于環保等優點，在搶險工程和環境保護要求較高的領域具有明顯的優越性。

1 自鎖型預應力錨索的設計方法

1.1 自鎖型預應力錨索的設計參數

目前應用較多的預應力錨索結構有普通拉力型、普通壓力型、拉力分散型、壓力分散型以及拉壓復合型，主要是依據錨固段的結構進行分類，與這些預應力錨索結構類型相似，自鎖型預應力錨索結構的設計也包括如下內容:

1)錨固荷載計算

目前采用較多的是簡化的Bishop條分法，其計算公式為

式中 K——穩定性系數;

mi——傾角影響系數;

ci——第i條土條的有效內聚力，kN;

li——第i條土條沿滑裂面的長度，m;

Wi——第 i條土條的重力，kN;

F——巖土體的加固荷載，kN;

n——巖土體被分割的條塊數;

θ——加固荷載F與水平面的夾角，°;

αi——第i條土條滑裂面與水平面的夾角，°;

φi——第 i條土條的有效內摩擦角，°;

2)預應力錨索規格、長度及錨固段長度計算

該部分設計計算包括鉆孔孔徑、鉆孔傾角、組成預應力錨索的鋼絞線類型及束數、注漿體強度、錨固段長度和預應力錨索總長度等，相關規范或文獻說明較多，本文不再贅述。

3)反力結構計算

反力結構對應的剩余荷載為

其中，F為反力結構上的作用荷載，kN。Fzi為第i單元的自鎖荷載，kN。

結構設計方法則根據彈性地基梁法可計算出反力結構的撓度ω、彎矩M和剪力Q分別為

式中 k——溫克爾地基系數，kN/m3;

λ——彈性地基的柔度特征值，m－1;且

x——沿梁長軸方向離梁端的距離，m;

b，Ec，I——分別為反力梁的寬度，m、彈性模量，kN/m2、慣性矩，m4。

然后可直接利用現行規范進行有關設計計算。

1.2 自鎖參數設計

自鎖參數設計是自鎖型預應力錨索結構新增的設計內容，自鎖參數包括自鎖器離孔口的最小距離和各自鎖單元的自鎖段長度、自鎖荷載，其參數設計直接關系到自鎖荷載能否實現，從而實現自鎖錨固結構的目的。

1)自鎖器離孔口的最小距離Lmin

由于在自鎖單元內距離自鎖器較近的部位會出現應力峰值，為了保證自鎖器的安全使用，其應力峰值不應超過孔周巖土體的抗剪強度，否則將引起孔周巖土體破壞，從而有可能導致自鎖失效，其應力峰值τmax計算公式為

其中，Fz1為第一單元(即靠近孔口單元)自鎖荷載，kN;D為錨固體的直徑，mm;φ為巖土體的內摩擦角，°;μ為巖土體泊松比。

式(8)中，τmax及 Fz1均為未知量。為此，需先繪制孔周巖土體的抗剪強度τ0與軸方向距離孔口的距離y之間的曲線，然后參考第一單元自鎖荷載分擔錨固荷載的比例要求，分別繪制不同比例時對應的 τmax水平直線，該水平直線與 τ0—y曲線的交點所對應的y值即為該自鎖荷載時對應的Lmin。綜合比較選擇合適的第一單元自鎖荷載，即可計算出自鎖器距離孔口的最小距離 Lmin。

2)自鎖段長度

當張拉段地層為單一地層時，其自鎖段長度可采取均勻分布的方式，且

其中，lz為自鎖單元長度，m;Lz為張拉段長度，m;Lmin為自鎖器離孔口的最小距離，m;n為自鎖單元個數。

當張拉段包含多種地層時，首先分別對張拉段長度和彈性模量進行加權平均，再按加權平均的彈性模量換算虛擬張拉段長度，然后對虛擬張拉段長度計算虛擬自鎖長度，最后依據彈性模量比換算成實際地層對應的自鎖長度。假設張拉段包含m種地層，第i種地層對應的長度為li，其彈性模量為 Ei，則有

其中，L'z為換算張拉段長度，m;E'為地層的換算彈性模量，MPa;l'z為換算自鎖單元長度，m;liz為第 i單元自鎖單元長度，m。

當某一自鎖段跨越不同地層時，仍按彈性模量比進行換算，即虛擬自鎖長度減去前一地層的剩余虛擬長度后，再換算成對應地層的實際長度。

3)自鎖荷載

對應各自鎖單元的自鎖荷載計算公式可直接推導如下

式中 A，B均為簡化系數，

Ea——錨固體的換算彈性模量，MPa;

E——巖土體彈性模量，MPa;

z——各自鎖單元內沿孔軸方向距離自鎖器的距離，m。

2 自鎖型預應力錨索的實施

自鎖型預應力錨索的實施基本與常規預應力錨索相同，實施的重點在于自鎖器的安裝和張拉鎖定兩個關鍵工藝環節。

2.1 自鎖器的安裝

自鎖器的安裝步驟為:①根據設計資料確定每單元自鎖器的位置(若錨固段設計為荷載分散型的，自鎖單元應與受力單元一致)，并在相應鋼絞線張拉段上做出明顯標志。②對于無黏結鋼絞線，應在安裝自鎖器的標志位置處開始向錨固端方向約10 cm段剝除PE套并將防腐油脂擦除干凈。③依次將鋼絞線、注漿管和回漿管穿過自鎖器，并將各單元自鎖器固定在標志位置。

2.2 張拉鎖定

由于自鎖型預應力錨索為新型結構，尤其是錨固荷載由自鎖荷載和反力結構共同進行平衡，其張拉鎖定工藝與普通預應力錨索有較大差異，具體施工工藝為:

1)張拉機具采用復合張拉系統，即主張拉機具和輔助頂推機具。主張拉機具可采用液壓千斤頂，而輔助頂推機具構造如下:①承壓套由鋼質材料組成，狀似中部開口圓筒，兩端面附有受力鋼板，并且在鋼質圓筒外設有加勁鋼肋板。②固定裝置主要用于固定頂推系統，使其固定在承壓套上，并能自由工作。固定裝置主要采取滑動鍵槽結構或螺栓結構。③頂推系統主要為一小型液壓千斤頂，額定荷載為300 kN，行程為150 mm。復合張拉系統結構見圖1。

2)首先從鋼絞線外露端頭分別裝上錨具、限位板，再安裝輔助頂推機具，最后安裝張拉千斤頂及工具錨和夾片，由于自鎖型預應力錨索按自鎖單元進行分單元張拉，因此工具錨內只能安裝被張拉單元的夾片，而且為了實現自鎖效果，張拉過程中反力結構上的錨具不能安裝夾片。

3)按照普通預應力錨索的張拉規程對一個自鎖單元的鋼絞線進行張拉，自鎖單元的張拉順序為從坡體內向外進行。

圖1 復合張拉系統結構

4)當一個自鎖單元張拉至設計荷載并持壓穩定后，對張拉千斤頂緩慢卸載，當卸載至該單元的反力結構上的剩余荷載時，停止卸載，并穩定該荷載;然后在反力結構上的錨具內安裝該單元的夾片，啟動頂推系統，直至反力結構上的錨具夾片鎖緊鋼絞線(一般情況下，夾片環行槽基本與錨具外表面平齊)，最后對頂推系統卸載。

5)按照3)和4)的操作方法依次對各自鎖單元進行張拉鎖定，即可完成對整根自鎖型預應力錨索的張拉鎖定。

3 自鎖型預應力錨索的自鎖效果

為了探索自鎖型預應力錨索的自鎖效果及運營狀況，選取福建省境內某高速公路一處滑坡工程實例進行監測，該滑坡錨固段地層為強風化凝灰熔巖，張拉段地層為坡殘積土層及砂土狀強風化凝灰熔巖，每根預應力錨索采用3單元自鎖，自鎖荷載及注漿體軸向應力(1斷面緊貼自鎖器，2斷面距離自鎖器1.5 m)監測結果見圖2至圖7。

圖2 MS1單元自鎖荷載長期變化曲線

從上述長期監測曲線可總結出如下規律:①自鎖荷載在鎖定的初期有一個小幅震蕩，然后呈緩慢衰減趨勢，半年后基本處于穩定狀態，表明自鎖效果良好。②注漿體壓應力與到自鎖錨固段底端距離成非線性關系，回歸公式可描述為σ=aebx(a、b分別為與荷載、孔周巖土體和錨固體材料力學性質有關的常數)。③壓力峰值出現在自鎖器的自鎖錨頭處，其峰值大小受巖土特性、注漿體與巖土界面黏結力、自鎖器位置和注漿體強度的影響而變化。

圖3 MS2單元自鎖荷載長期變化曲線

圖4 MS3單元自鎖荷載長期變化曲線

圖5 MS1單元注漿體軸向應力長期變化曲線

圖7 MS3單元注漿體軸向應力長期變化曲線

4 結論

自鎖型預應力錨索結構具有荷載分布均勻、降低反力結構規模或取消反力結構、施工便捷、延緩錨固荷載損失、預防預應力錨索突發事故、節約造價、便于環保等優點，在搶險工程和環境保護要求較高的領域具有明顯的優越性。工程實踐證明，自鎖型預應力錨索能有效實現錨固荷載的自鎖效果，其自鎖荷載變化趨勢與錨固荷載一致。自鎖型預應力錨索的注漿體軸向應力較之常規預應力錨索有較大幅度的降低，有利于保持注漿體的整體性，在使用期限及防腐等方面具有明顯優勢。自鎖型預應力錨索是一種新型結構，對于張拉段地層強度較低的條件下其適用性與經濟性需進一步探索。

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