自鎖型預應力錨索的試驗研究

劉慶元，朱本珍

(中鐵西北科學研究院有限公司 南方分院，廣東 深圳 518048)

1 既有預應力錨索概述

自20世紀50年代預應力錨索加固技術(shù)大面積應用于實際工程以來，應用領域不斷擴大，結(jié)構(gòu)也不斷改進，先后研制出普通拉力型、普通壓力型、壓力分散型、拉力分散型和拉壓分散型等多種預應力錨索結(jié)構(gòu)，在不同地層、不同的建筑行業(yè)領域都得到了廣泛的應用。預應力錨索作用原理如圖1，從圖1可以看出，目前應用的所有預應力錨索的作用方式均為錨固段的綜合作用力與反力結(jié)構(gòu)之間的對拉作用，而張拉段只是作為傳力機構(gòu)而存在。

圖1 常規(guī)預應力錨索力系示意

實際上，張拉段地層作為整個錨固能量場中的一部分，目前的預應力錨索并沒有有效發(fā)揮其能量場的作用，既有預應力錨索的不足有:①因錨固荷載需要反力結(jié)構(gòu)進行平衡，而反力結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土組成，導致施工難度大，在特殊搶險工程中發(fā)揮作用較緩;②因一般錨固部位淺表層巖(土)層力學強度較低，為了保證荷載平衡，只有采取降低錨固荷載或增大反力結(jié)構(gòu)截面來彌補，造成材料浪費，由于反力結(jié)構(gòu)上基本受集中荷載作用，容易因外錨頭部位局部缺陷誘發(fā)突發(fā)性事故。③因張拉段地層在力系中只起傳遞作用，而該段地層在張拉過程中一般有部分巖(土)體被破壞，在鎖定后期有應力場的重新調(diào)整而產(chǎn)生變形，加劇錨固荷載的損失。④由于既有預應力錨索存在材料浪費、施工難度較大及荷載損失嚴重等局限性，導致實際工程造價偏高。

因此，研究一種新型預應力錨索結(jié)構(gòu)，能夠充分利用張拉段地層的能量場，改善力系平衡模式，力求材料利用效率均衡，減少錨固荷載損失，將對工程實際有著重要的意義。

2 自鎖型預應力錨索設計

2.1 自鎖型預應力錨索的作用機理

自鎖型預應力錨索主要是利用張拉段孔周巖(土)層的黏結(jié)強度提供的錨固抗力，部分或全部平衡錨固荷載，從而降低反力結(jié)構(gòu)所承擔的荷載或取消反力結(jié)構(gòu)，使預應力錨索的整體應力場更趨均勻分布，避免應力集中所引起的安全隱患，達到錨固段、張拉段和反力結(jié)構(gòu)共同實現(xiàn)力系平衡的效果。

圖2 自鎖器結(jié)構(gòu)設計示意

2.2 自鎖型預應力錨索的結(jié)構(gòu)設計

自鎖型預應力錨索的實質(zhì)是在常規(guī)錨索結(jié)構(gòu)的張拉段上設置自鎖器，通過自鎖器與錨索之間的鎖定作用，將自鎖器與孔周巖(土)層間的黏結(jié)強度傳遞至錨索上，從而提供自鎖荷載。其核心結(jié)構(gòu)為自鎖器，自鎖器結(jié)構(gòu)見圖2。在張拉段錯開設置反鎖鋼質(zhì)承載體，在反鎖承載體上預先安裝夾片，并采用鋼質(zhì)限位片防止張拉過程中夾片脫落，達到分級張拉、張拉段內(nèi)部鎖定和取消反力結(jié)構(gòu)的目的。另外，為了防止錨固段和自鎖段注漿體形成剛性柱，在錨固段和自鎖段之間設置彈性隔離體，實現(xiàn)錨固段和自鎖段的作用荷載有效傳遞至孔周地層。自鎖型預應力錨索結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 自鎖型預應力錨索結(jié)構(gòu)示意

3 自鎖性能試驗

3.1 模型試驗

3.1.1 夾片正常工作最小荷載

在安裝自鎖器過程中，因夾片不一定能完全陷入承載鋼板圓臺形孔內(nèi)，導致承載鋼板對夾片的支撐力無法正常提供，影響夾片之間與鋼絞線之間的咬合作用，從而無法實現(xiàn)有效限制鋼絞線反向位移，影響自鎖性能。為此，需要通過試驗確定夾片完全陷入承載鋼板圓臺形孔內(nèi)時在夾片后端施加的最小荷載，該荷載即為自鎖器夾片正常工作最小荷載。試驗結(jié)果見表1。夾片正常工作最小荷載可以近似取為100 kN/孔，即要求每個自鎖器連接螺栓能施加和承受的荷載不得小于200 kN。

3.1.2 自鎖器最小工作荷載試驗

自鎖器在預應力錨索加載過程中，僅起通道作用，但是實際存在摩擦阻力，為了保證外加荷載有效傳遞至錨固段，需通過試驗獲取自鎖器與鋼絞線之間的摩擦阻力即自鎖器最小工作荷載。試驗結(jié)果見表2。由表2可以計算出自鎖器的最小工作荷載為40 kN/孔。

表1 夾片正常工作最小荷載試驗結(jié)果統(tǒng)計 kN

表2 自鎖器最小工作荷載試驗結(jié)果統(tǒng)計 kN

由上述兩組模型試驗可看出，為了使自鎖型預應力錨索能正常工作，按組成錨索的鋼絞線進行計算，其設計荷載不得小于100 kN/束。

3.2 現(xiàn)場試驗

為了得到比較精確的自鎖型預應力錨索自鎖荷載和應力變化的數(shù)據(jù)，以便對預應力錨索結(jié)構(gòu)進行力學機理分析，分別在每個單元的自鎖器后布置兩個應力計，并在孔口布置一個應力計，設置現(xiàn)場試驗方案布置見圖4。

由于錨索鋼絞線與孔內(nèi)漿體黏結(jié)劑之間存在摩擦阻力，因此作用在自鎖器上的施加荷載 Pu、摩擦阻力P0以及千斤頂?shù)膹埨a之間有如下計算關(guān)系

圖4 自鎖荷載測試試驗方案設計

現(xiàn)場試驗對各單元分別進行分級張拉，測量三個自鎖單元自鎖器后面的測力計隨自鎖器施加的荷載變化情況。

通過對自鎖型預應力錨索MS1、MS2、MS3三個單元的分級加載、卸載，得到各自鎖器的自鎖荷載，見圖5～圖7。

圖5 MS1自鎖單元施加荷載與自鎖荷載關(guān)系

圖6 MS2自鎖單元施加荷載與自鎖荷載關(guān)系

圖7 MS3自鎖單元施加荷載與自鎖荷載關(guān)系

1)施加在自鎖器上的荷載Pu與自鎖器的自鎖荷載Ps成近似的線性關(guān)系。施加在自鎖器的荷載Pu較小時，自鎖器的自鎖荷載Ps增幅較小;施加在自鎖器的荷載Pu較大時，自鎖器的自鎖荷載Ps增幅較大。

2)自鎖型預應力錨索MS1、MS2、MS3的自鎖荷載效率(Ps/Pu)分別為71.6%，74.7%，72.5%。自鎖器的自鎖效率較高，都達到70%以上，但是由于存在預應力錨索本身的鋼絞線和塑料套管之間的摩擦力、自鎖器中裸露的鋼絞線和水泥柱漿體的黏結(jié)力等影響因素，實際施加在自鎖器上的荷載 Pu要小一些，故實際的自鎖器自鎖效率要高一些，自鎖效果更好些，達到自鎖器設計的目的。

3)從本次試驗來看，施加在 MS2、MS3自鎖器上的荷載幾乎對MS1自鎖器上的荷載沒有影響;施加在MS3自鎖器上的荷載幾乎對MS2自鎖器上的荷載沒有影響，各單元實現(xiàn)了獨立自鎖的目的。

4 結(jié)語

1)自鎖型預應力錨索是在常規(guī)錨索結(jié)構(gòu)的基礎上，通過設計自鎖器，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(jié)構(gòu)規(guī)模或取消反力結(jié)構(gòu)、施工便捷、延緩錨固荷載損失、預防預應力錨索突發(fā)事故、節(jié)約造價、便于環(huán)保等特點。

2)自鎖型預應力錨索可在所有常規(guī)錨索結(jié)構(gòu)的基礎上通過在張拉段設置自鎖器實現(xiàn)自鎖，因此其錨固段可根據(jù)地層情況靈活設置其結(jié)構(gòu)形式。

3)模型試驗測試結(jié)果表明，保證自鎖型預應力錨索正常工作的最小設計荷載不得小于100 kN/束。

4)現(xiàn)場測試試驗證明自鎖型預應力錨索具有較高的自鎖能力，從而能有效發(fā)揮張拉段地層提供錨固荷載的平衡荷載，降低反力結(jié)構(gòu)提供的平衡荷載。

5)自鎖型預應力錨索是一種雙向錨固的新型錨索結(jié)構(gòu)。它是通過張拉段的鋼絞線，使鉆孔底部的內(nèi)錨固段和自鎖器錨固段的水泥漿柱都承受壓力，注漿體與巖(土)體黏結(jié)應力將自鎖器的壓力傳遞給巖(土)體，達到防護巖(土)體的目的。注漿體都受壓，不易導致拉裂破壞，而且是剪壓受力模式，有利于自鎖型預應力錨索的防腐。

［1］蘇自約，閆莫明，徐禎祥.巖土錨固技術(shù)與工程應用［M］.北京:人民交通出版社.

［2］中國巖土錨固工程協(xié)會.巖土錨固新技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社.

［3］聶志紅，方理剛，李亮，等.滑坡整治工程中預應力錨索錨固段應力測試與分析［J］.巖土工程界，2002，5(5):33-34.

［4］漢納 T H.錨固技術(shù)在巖土工程中的應用［M］.胡定，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986.

［5］程良奎，韓軍.單孔復合錨固法的理論與實踐［J］.工業(yè)建筑，2001，31(5):35-38.