錨索內錨段荷載分布及其隨時間變化規律

景 鋒，成傳歡，余美萬，陳 昊，劉元坤

錨索內錨段荷載分布及其隨時間變化規律

景 鋒，成傳歡，余美萬，陳 昊，劉元坤

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點試驗室，武漢 430070）

現關于預應力錨索的研究多集中在荷載傳遞與加固機理方面，而對于運行期內錨段載荷分布隨時間變化及其與錨索有效預應力的關系研究則較少。基于某水電站預應力錨索現場試驗，研究了錨索張拉過程中的內錨頭變位與內錨段載荷的非線性傳遞，及運行初期內錨段載荷分布隨時間的調整變化規律及其與預應力變化間的影響。研究發現，拉力集中型錨索張拉后內錨段應力集中現象很嚴重，運行初期荷載從內錨段起始端向尾部發生了轉移和調整，即是在錨索預應力快速下降階段；但隨著錨索預應力的持續降低和趨穩，內錨段荷載從起始端向尾部轉移停止，隨之沿整個內錨段的受荷均減小并趨于穩定，其后期變化規律與錨索預應力變化規律趨于一致。

預應力錨索；預應力損失；載荷分布；內錨固段；變化規律

1 概 述

預應力錨索因能充分地發揮巖土的自承潛力，調節和提高巖土的自身強度和自穩能力，減輕支護結構的自重，節約工程材料，并能保證施工的安全與穩定，具有顯著的經濟與社會效益，已在巖土工程中得到廣泛的應用［1，2］。

目前許多學者在錨固方面做了許多研究，但關于預應力錨索的相關研究多集中在荷載傳遞與加固機理方面。尤春安、顧金才、鄔愛清和丁秀麗等分別基于解析解、試驗或數值分析研究了錨索的荷載傳遞和加固機理，研究表明傳統拉力集中型錨索內錨段荷載分布極其不均勻［3－6］。

關于錨索的長期穩定性，程良奎從環境腐蝕方面研究了錨固工程的長期穩定性［7］。陳安敏、朱晗迓和孫紅月等對錨索預應力的變化規律進行了分析，并探討了不同的預應力數學預測模型［8，9］。

但目前關于預應力錨索，因試驗成本高，測試難度大等，其理論研究則多是借鑒錨桿的研究成果來進行理論探討，而進行現場試驗的還不很多，尤其對錨索的內錨段載荷分布隨時間調整變化規律方面的現場試驗研究更少。因此，進行這方面研究，可了解和佐證預應力錨索的預應力和內錨段載荷的傳遞變化規律，以及兩者之間的變化關系。對了解錨索的工作性態，分析所加固巖體的穩定性，以及對改進預應力錨固設計均具有重要的作用。

某泄洪建筑物落差達171 m，消能防沖采用防淘墻防護形式，最大高度為40 m，地層巖性軟弱。防淘墻沿邊坡及滑坡體坡腳布置，最大埋深23～48 m，需采用2 000 kN系統預應力錨索加固以保證墻體和坡體穩定。但墻后巖體主要為砂頁巖，承載力低，鑒于錨固工程的工作性態直接關系到整個工程的安全，需進行相應的錨索試驗。

結合該工程的錨索現場張拉試驗和監測，研究了錨索張拉過程中的內錨段變位、載荷傳遞分布規律；并首次研究了運行初期錨索的預應力變化規律和內錨段荷載分布隨時間的調整規律，及兩者間的相互關系。該研究成果可為工程的長期穩定性研究提供依據，并為其它類似工程的設計、施工和運營監測提供參考。

2 試驗測試方案

試驗錨索為集中拉力型，采用無粘結雙層保護，以提高錨索抗腐蝕能力。錨索張拉段長30 m，內錨段長10 m，設計噸位為2 000 kN，超張拉10%。

試驗研究內容：張拉過程中內錨頭變位以及內錨固段荷載分布；錨索鎖定后初期預應力和內錨固段荷載分布調整變化規律；錨索鎖定后初期預應力與內錨固段荷載分布兩者之間的變化關系等。

試驗方法：通過鋼尺量測孔口鋼絞線伸長值反推內錨頭變位；內錨固段載荷分布通過內錨段鋼絞線上的應變計測量；錨索有效預應力則通過錨索測力計觀測。

根據傳統拉力集中型錨索內錨段荷載分布非線性的特點［2－6］，將應變計布置在靠近內錨段起始端約4．5 m軸力變化大的范圍內，另外為了解內錨段軸力有效傳遞深度，在距內錨起始端4．5 m后也布置了少量測點。內錨段應變計布置具體見圖1。

圖1 測點布置示意Fig．1 The sketch map of test arrangement

3 試驗結果及分析

3．1 鋼絞線伸長值特征

錨索張拉過程中，鋼絞線伸長值可反映錨索的孔壁摩擦、鋼絞線自身變形和內錨固段位移等情況，在彈性范圍內理論伸長值可用下式估算，

式中：Δl為理論彈性伸長量；P為錨索張拉力；L為張拉段長度；E為鋼絞線彈模；A為鋼絞線截面積；n為鋼絞線根數。

根據工程經驗和理論計算，鋼絞線伸長值應大于張拉段彈性伸長量的80%，并小于張拉段長度加上內錨段長度1／2的理論伸長值。

鋼絞線伸長值采用鋼尺在孔口直接測量，其位移上下限值、理論伸長值以及實測的位移值見圖2。圖2表明，鋼絞線伸長值滿足要求，與張拉載荷總體呈線性關系。并且在每級試驗載荷穩壓10～30 min情況下，鋼絞線徐變值均小于2 mm，說明內錨固段張拉過程中未出現明顯破壞跡象，整體基本上處于彈性變化范圍內。

3．2 錨索張拉過程中內錨固段載荷分布規律

錨索全孔采用聚乙烯波紋管保護，波紋管內外全部灌注水泥漿，荷載傳遞過程為：鋼絞線－波紋管內漿體－波紋管－波紋管外漿體－巖體。

文中內錨段軸力為實測值，取內錨段和張拉段分界點為原點，沿內錨段軸線向巖體深處為正軸，各級張拉荷載下內錨段軸向力分布見圖3。圖中所示每級的試驗載荷為錨索測力計實測值，其與張拉千斤頂出力存在少量差異。

圖2 錨索張拉載荷與鋼絞線伸長關系Fig．2 The relationship between cable tension load and extension of steel strand

圖3 錨索張拉過程中內錨固段軸力分布Fig．3 Axial stress distribution curves of tensioned cable

圖3 表明，隨張拉荷載增加，各測試截面軸力均呈增大趨勢，靠近內錨起始段軸力較大，向內錨固段末端迅速衰減，軸力分布呈現嚴重的應力集中和非線性，整體分布形態為指數函數形式，與許多學者研究成果相同［3，6］。其中內錨段起始段0～2 m范圍內應力高度集中，其后急劇衰減，約90%載荷由內錨段起始段的0～3m承擔。內錨段軸力在7．5 m處基本衰減至零，最大傳遞深度約7．5 m，表明錨索具有一定安全儲備長度，錨固系統可靠程度較高。

一般張拉時，錨索內錨段粘聚力并不完全、同時發揮作用，而是從起始端向末端逐漸發揮作用。隨著荷載增大，影響區域向末端擴展，軸力形態呈下凹狀。當荷載增大到一定值時，軸力分布形態變為上凸狀，最后錨索與漿體之間的粘結幾乎被破壞，此時其整體已處于滑動臨界狀態［3］。該試驗錨索內錨段軸力分布形態為下凹狀、有效荷載傳遞深度約為7．5 m、內錨頭沒有異常變位等情況，說明試驗錨索工作性態良好。

另基于尤春安根據Kelvin問題位移解得出的內錨段的彈性應力分布［3］，估算了不同張拉載荷下試驗錨索的軸力分布形態。計算結果與實測結果對比表明，兩者分布形態相似，但實際情況更復雜。該試驗錨索在不同張拉載荷下，內錨段局部軸力變化并非簡單按理論上的函數形式逐步放大，而是一個復雜變化過程。

本次當張拉噸位低于1 400 kN時，各測點軸力與經驗分布形式較一致。但當張拉噸位高于1 400 kN后，可能受局部地質差異等影響，錨體局部變形不協調，部分測點異常，但軸力分布曲線形態仍呈下凹狀，無向直線或上突狀形態演變跡象，表明自始自終內錨段未出現明顯破壞。

3．3 錨索鎖定后初期預應力變化規律

錨索預應力損失大小直接影響到錨固效果和邊坡的安全。該試驗錨索鎖定損失較大，約為10%，鎖定后初期新增預應力損失及損失過程見圖4。

圖4 錨索預應力隨時間變化過程曲線Fig．4 Typical curve of cable prestress variation over time

從錨索鎖定后初期兩個多月的變化看，鎖定后新增總損失達8%，根據錨索預應力初期隨時間的變化特點，可將其變化過程分為3個階段［10，11］。各階段統計結果見表1。

表1 錨索預應力損失統計表Table 1 The statistics of prestress loss

第1階段，自錨索鎖定到第4天左右，為急劇損失階段。該階段錨固力降低最快，損失率增大約4%，約占后期錨固力損失一半，主要是受鋼絞線松弛、外錨墩變形、內錨段和錨固巖體變形等綜合作用。

第2階段為自第1階段結束到第40天左右，為穩步下降段。其主要受錨固巖體和錨索內錨段變形影響，并受環境溫度及大氣降雨影響，此階段錨索鋼絞線松弛與外錨墩時效變形對錨索預應力影響已較小。雖此階段錨索預應力下降仍較快，損失率增大了約4%，損失率總量增大到約8%，但下降速率已大大降低，約為第1階段的1／9。該階段持續時間長，主要是受加固巖體巖性軟弱影響。

第3階段，自錨索鎖定約第40天后，為基本穩定階段。該階段主要受地下水、溫度變化、鋼絞線松弛、錨固巖體和錨體應力調整等因素影響，錨索有效預應力呈現平穩變化趨勢，雖中間仍然有所減小，但是降低程度與第1和第2階段相比，已相當小。

3．4 錨索運行初期內錨段載荷變化規律及其與預

應力間的相互影響

圖5給出錨索內錨段50 cm、100 cm、350 cm和750 cm處軸力以及錨索預應力損失率隨時間變化關系曲線。

圖5 錨索預應力與內錨段軸力隨時間變化關系Fig．5 The curves of cable prestress variation and inner-anchor axial stress variation over time

據內錨段載荷分布的隨時間變化規律，將其分為與錨索預應力變化過程類似的3個階段。

第1階段，自錨索鎖定后約第4天內，為急劇變化階段，各測點軸力變化大，整體呈下降趨勢，該階段是多種因素相互作用結果，如加固巖體、外錨墩、鋼絞線和內錨段變形等引起預應力降低，進而引起內錨段載荷變化，其相互作用是一復雜過程。

第2階段約在第4天至第25天之間，為穩步調整變化階段，近內錨段起始端測點軸力變化大，持續時間長，且載荷分布明顯出現了調整和向內錨段后部轉移跡象，其中50 cm處軸力有小幅增加，但50 cm后軸力整體呈下降趨勢。該階段載荷分布變化規律說明，受巖體或錨體蠕變和局部變形破壞影響，載荷向內錨段尾部產生了調整轉移，但調整深度小于1 m，也表明試驗錨索承載力能力好。

第3階段為約第25天后，基本為穩定階段，各測點軸力整體變化趨同，均呈緩慢波動下降趨勢。

從錨索預應力和內錨段荷載間變化關系看，兩者變化過程可分為類似的3個階段，但兩者變化持續時段和內在特征存在一定差異。兩者僅第1階段變化時間接近，也間接證明錨索鎖定后預應力變化主要是多種因素綜合作用的結果。

錨索預應力變化第1個階段與內錨固段載荷變化第1階段變化時段接近，說明初期幾天內錨索預應力受內錨段變形影響相對較大。而兩者后2個階段雖變化時段不一致，但整體變化趨勢一致，尤其是第3階段，在長期變化趨勢上，兩者受外錨墩、鋼絞線等因素的影響已很小，內錨段載荷和預應力最終呈相互影響的態勢。內錨段存在高度應力集中，其引起巖體時效變形是影響錨索預應力后期持續下降的主要原因之一。

4 結 語

（1）錨索張拉過程中通過量測鋼絞線伸長值，可了解內錨段的變形情況，對了解張拉過程中錨索的承載力特性具有重要意義。

（2）拉力集中型錨索內錨段的載荷分布整體上呈負指函數形式，具有高度非線性，尤其在內錨段起始端。在不同張拉載荷下，受內錨段局部地質差異和變形不一致等影響，軸力變化并非按同一種函數形態逐步放大，而是一復雜變化過程。

（3）試驗錨索內錨段載荷高度應力集中，其前0～3 m承擔了約90%的有效載荷。另其載荷最大傳遞深度約7．5 m，表明錨索具有一定安全儲備長度。

（4）錨索運行期預應力變化一般可分為3個階段：第1階段為急劇損失階段；第2階段為穩步下降階段；第3階段是基本穩定階段。其中第2階段持續時間因圍巖而異。

（5）錨索運行期內錨段軸力變化一般可分為3個階段。第1階段為急劇變化階段，僅持續幾天，軸力整體呈快速下降趨勢；第2階段為穩步調整階段，軸力從起始端向后轉移調整；第3階段為基本穩定階段，內錨段不同深處軸力總體呈緩慢下降趨勢，但變化速度已明顯小于前2階段。

（6）錨索運行期，預應力與內錨段荷載變化都經歷了類似3個階段，但兩者變化持續時段有所差別，表明錨索鎖定后初期預應力損失是鋼絞線松弛、外錨墩變形、巖體變形和內錨段變形等因素的綜合作用。從錨索預應力與內錨段荷載兩者的長期變化關系看，兩者呈相互影響態勢。

［1］ 程良奎，張作眉，楊志銀．巖土加固實用技術［M］．北京：地震出版社，1994．（CHENG Liang-kui，ZHANG Zuo-mei，YANG Zhi-yin．Practical Technique of Strength-ening Ground［M］．Beijing：Earthquake Press，1994．（in Chinese））

［2］ 漢納T H．錨固技術在巖土工程中的應用［M］．胡定，譯．北京：中國建筑工業出版社，1986．（HANNA T H．Application of Anchoring Technique in Geotechnical Engineering［M］．Translated by HU Ding．Beijing：China Architecture and Building Press，1986．（in Chinese））

［3］ 尤春安，戰玉寶．預應力錨索錨固段的應力分布規律及分析［J］．巖石力學與工程學報，2005，24（6）：2113－2118．（YOU Chun-an，ZHAN Yu-Bao．Distribution Characters and Analysis of Stress in Prestress Cables［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（6）：2113－2118．（in Chinese））

［4］ 顧金才，明治清，沈 俊．預應力錨索內錨固段受力特點現場試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，1998，17

（s）：251－256．（GU Jin-cai，MING Zhi-qing，SHEN Jun．Field Testing Study on Load Distribution of Inner-anchor Segment of Prestress Anchorage Cable［J］．Chinese Jour-nal of Rock Mechanics and Engineering，1998，17（s）：251－256．（in Chinese））

［5］ 鄔愛清，韓 軍，羅超文，等．單孔復合型錨桿錨固體應力分布特征研究［J］．巖石力學與工程學報，2004，

23（2）：247－251．（WU Ai-qing，HAN Jun，LUO Chao-wen，et al．Research on Stress Distribution along Bolts with Single Borehole and Complex Anchors［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（2）：247－251．（in Chinese））

［6］ 丁秀麗，盛 謙，韓 軍．預應力錨索錨固機理的數值模擬試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2002，21

（7）：980－988．（DING Xiu-li，SHENG Qian，HAN Jun．Numerical Simulation Testing Study on Reinforcement Mechanism of Prestress Anchorage Cable［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（7）：980－988．（in Chinese））

［7］ 程良奎，韓 軍，張培文．巖土錨固工程的長期性能與安全評價［J］．巖石力學與工程學報，2008，27（5）：865－872．（CHENG Liang-kui，HAN Jun，ZHANG Pei-wen．Long-Term Performance and Safety Assessment of Anchorage in Geotechnical Engineering［J］．Chinese Jour-nal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（5）：865－872．（in Chinese））

［8］ 朱晗迓，尚岳全，陸錫銘．錨索預應力長期損失與坡體蠕變耦合分析［J］．巖土工程學報，2005，27（4）：465－467．（ZHU Han-ya，SHANG Yue-quan，LU Xi-ming．Coupling Analysis of Long-term Prestress Loss and Slope Creep［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27（4）：465－467．（in Chinese））

［9］ 陳安敏，顧金才，沈 俊．軟巖加固中錨索張拉噸位隨時間變化規律的模型試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2002，21（2）：251－256．（CHEN An-min，GU Jin-cai，SHEN Jun．Model Testing Research on the Varia-tion of Tension Force of Anchor Cable with Time in Rein-forcementof Soft Rocks［J］．Chinese Journal of Rock Me-chanics and Engineering，2002，21（2）：251－256．（in Chinese））

［10］董學晟．水工巖石力學［M］．北京：中國水利水電出版社，2004．（DONG Xue-cheng．The Rock Mechanics of Hydraulic Engineering［M］．Beijing：China Hydroelectric Press，2004．（in Chinese））

［11］張發明，趙維炳，劉 寧，等．預應力錨索錨固荷載的變化規律及預測模型［J］．巖石力學與工程學報，2004，23（1）：39－43．（ZHANG Fa-ming，ZHAO Wei-bing，LIU Ning，et al．Long Term Performance and Load Prediction on Model of Pre-stressed Cables［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（1）：39－43．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Load Distribution and the Law of Its Variation in the Inner Segment of Prestressed Anchor Cable

JING Feng，CHENG Chuan-huan，YU Mei-wan，CHEN Hao，LIU Yuan-kun
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Though load distribution and anchoringmechanism of prestressed cable have been studied by lots of tests and theoretical analysis，the load distribution variation over time of inner-anchor segment and its relationship with anchor effective prestress are seldom studied．Based on in-site testof prestressed cable in a hydraulic power station，the authors analyzes the displacement of inner-anchor head and the nonlinear load transfer of inner-anchor segment during anchor pulling，and the variation of load distribution over time in inner-anchor segment．The relationship be-tween load distribution variation and anchor effective prestress variation after anchor locked is studied also．Through the research，it is found that the stress of inner-anchor segment of tension-concentrated anchor cable is seriously concentrated，and the loads are transferred and adjusted from the initial point of inner-anchor segment to the end at the early stage of cable lock．But with continuous decreasing and stabilizing of cable effective prestress，the load transfer of inner-anchor segment stops；and subsequently the loads of thewhole inner-anchor segment are reduced to a steady state．At last，the variation laws of interior bond section and cable effective prestress become similar．

prestressed cable；loss of prestress；load distribution；inner anchor segment；variation law

TV223．24

A

1001－5485（2011）05－0050－05

2010-05-04

水利部公益性行業科研專項項目（201001009）、國家重點基礎研究發展計劃973項目（2011CB710604）、中央級公益性科研院所基本科研業務專項資助項目（YWF0910）

景 鋒（1974-），男，山西永濟人，博士，高級工程師，主要從事巖石力學及工程安全監測和地應力測試等方面的研究工作，（電話）027-82829862（電子信箱）fjing18＠163．com。