預應力錨索計算在邊坡防護中的應用

朱得斌

(山西交通職業技術學院工程管理系，山西 太原 030031)

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預應力錨索計算在邊坡防護中的應用

朱得斌

(山西交通職業技術學院工程管理系，山西 太原 030031)

高等級公路邊坡防護作為公路工程的一項重要施工內容，對公路工程質量和運營后的交通安全都有較大的影響.在易滑塌、穩定性差公路邊坡防護中，預應力錨索防護是最常用的防護形式之一.對預應力錨索的計算，是設計與施工中的關鍵步驟.基于工程實踐，對預應力錨索伸長量、壓力表讀數等常用數據進行計算和分析，分析了造成錨索預應力損失的影響因素，并提出了相應的防治措施.

預應力錨索；張拉力；伸長量

在山區公路施工過程中，邊坡的工程地質、水文地質條件十分復雜多變，需要根據實際情況對邊坡進行確實有效的防護.近年來，公路交通經歷了一個空前的大發展階段，公路總里程，尤其是高速公路里程得到了飛快的增長.但在公路交通事業飛速發展的過程中，由于邊坡防護的設計不當或施工質量問題，出現了邊坡滑塌、巖石碎落、水流沖刷等各種形式的破壞，造成了較大的財產損失.邊坡防護形式多樣，包括護面墻、噴射混凝土、預應力錨索、錨桿、格子梁、勾縫等形式，而錨索防護所適用的邊坡情況往往較不穩定，是其中較為重要的防護形式之一.預應力錨索的設計與施工過程中需要對其張力進行相應的計算分析，這也是保證錨索施工質量的一個關鍵.

1　預應力錨索的參數計算

某高速公路邊坡防護在設計中擬采用預應力錨索，邊坡起訖點樁號為K245+550.5～K245+643.6，邊坡長度為93.1m，坡度為1∶1.5，高度為23.5米，采用三級邊坡，兩級邊坡間設置寬1.0m邊坡平臺.錨索采用施工現場加工的方式，加工完成后進行相關參數的檢驗，施工前必須保證原材料試驗檢測合格.錨索按要求張拉完成后采用M30砂漿進行填充，以預防錨索銹蝕.外層采用C25噴射混凝土進行封閉保護.為保證施工質量，施工前進行相關參數的計算，具體計算內容如下：

1.1預應力錨索的設計要求與設計參數[2]

(1)預應力錨索采用6Φs15.2型錨索(高強度低松弛)，公稱直徑14.95mm，公稱面積140mm2，強度級別為1860MPa，彈性模量為195000N/mm2.

(2)預應力錨索的設計控制張拉力бcon 為520kN，設計噸位650kN.

(3)預應力錨索的錨固段長均為5m，自由段長度為15m，千斤頂工作長度為0.30m.

(4)張拉設備校準方程Y=49.9800X+0.89.

Y—壓力指示器示值(MPa)；X—標準力值(MN).

1.2預應力錨索的張拉程序[3]

張拉預應力錨索所使用的油泵、千斤頂和油表等機具，必須由國家有關單位認可標定單位進行標定，其中千斤頂和油表必須經過配套標定之后才允許使用.標定要求按有關國家規定執行，在這里不再贅述.

錨索張拉的采用分階段張拉：

各階段張拉力的大小與張拉順序為：0→130kN(25%*бcon，初張拉)→260kN(50%*бcon)→ 390kN(75%*бcon)→520kN(100%*бcon)→572kN(110%*бcon，錨固).

1.3錨索張拉主要參數計算[1]

1.3.1理論伸長值計算公式

△L=PL/EA

式中：

——P預應力錨索的平均張拉力(kN)；

——L預應力錨索的長度(mm)；

——E預應力錨索的彈性模量；

——A預應力錨索的公稱面積.

1.3.2計算各階段張拉參數

根據已知數據，分階段對錨索的理論伸長值、壓力表讀數等數據進行計算，文章只對初始階段的張拉參數計算過程進行列舉，其他階段計算結果詳見表1.

錨索張拉第一階段:P=бcon*25%(初張拉)，計算過程如下：

X=520*0.25kN=130kN=0.13MN.根據計算公式，可得：

理論伸長：△L=520000*0.25*(15000+300)/(3*140*195000)=24.29mm

壓力表讀數：Y=49.9800X+0.89=7.39MPa

表1　錨索計算參數統計表

1.3.3張拉的實際伸長值

錨索張拉過程中，在嚴格控制張拉力的同時，還應該以實測伸長值進行校核.整個張拉過程中對油表讀數、實測伸長值應及時記錄，及時分析處理數據，使其在滿足設計與規范要求的前提下進行各階段張拉.

另外，張拉力和伸長值是錨索張拉過程中的主要控制參數，以控制張拉力為主，同時用伸長值校核應力.當實際伸長值與理論伸長值的相差率大于10%或小于5%時，應暫時停止張拉，檢查設備、張拉程序與計算結果等可能影響張拉的原因，查明并處理后，再繼續張拉.

理論伸長值的計算主要是在理論狀態下預應力鋼筋的伸長量，沒有考慮摩擦阻力損失和錨口損失的影響.工程應用時，需要考慮摩擦阻力、錨口損失等原因，在相應的施工規范中有明確的規定，也可以通過試驗確定.試驗確定的方法是埋入檢測元件，用伸長量、千斤頂油表度數得出的應力、布置在不同部位的測力元件之間的差值來計算確定.

張拉力是錨索的應力控制的主要指標，而伸長量在張拉過程中只能作為一個參考值，因為錨索的有效長度不易確定，并且錨固段的變形大小也很難量化.

2　預應力錨索的張拉數據統計與分析[4]

在施工準備工作沒有完成的情況下不可進行錨索張拉.首先應按要求對張拉預應力錨索的主要機具，主要包括油泵、千斤頂和油表等進行標定，標定合格后方可使用.張拉時砂漿應達到設計強度，根據上述預應力錨索計算數據，對錨索分階段進行張拉，并同時進行數據記錄分析.錨索張拉按設計荷載的25%、50%、75%、100%，110%分階段進行.前四個量級的持續時間均為5min，最后一次超張拉要求靜載持續30min.上述五個量級的張拉均應在同一天內完成，否則應卸荷重新再依次張拉.

在錨索張拉的每個階段，不僅要通過控制油表讀數來控制張拉力，也要通過對實測伸長量和理論伸長量的對比來分析控制張拉質量.張拉的過程中對每個階段的數據進行記錄，并且進行計算分析，保證其相差率在規范要求的情況下，才可以進行下一個階段的張拉，以保證施工的總體質量.

預應力錨索張拉過程中及時對油表讀數、伸長量等數據進行記錄，同時完成對計算的理論伸長量和實測伸長量相差率的計算.表2為錨索張拉實測值與理論值對比表，由于張拉過程中的數據數量較多，在這里只對部分數據進行列舉分析.

表2　錨索張拉施工記錄表

由上述計算可知，張拉力為設計荷載的75%是張拉力大小為390kN.伸長量理論值為96.9mm，實測數據與理論值的相差率范圍為-4.77%～+8.67%，符合規范要求的實際伸長值與理論伸長值的相差率-5%～+10%.說明該階段張拉符合設計要求，可繼續進行下一階段：100%張拉力的張拉.

按照以上方法，在每個階段的張拉過程中，都要對其張力和伸長量對照數據進行校對，在符合要求的前提下方可進行下一階段的張拉，直到完成張拉為止.采用這種方法，可以在整個施工過程中對錨索張拉質量進行控制，保證施工質量.

3　錨索預應力損失分析及防治措施

3.1錨索預應力損失分析[6]

錨索的預應力大小將直接影響主動錨發揮作用的程度及其對被錨固土體安全性的保證程度.而目前對于錨索有效預應力的檢測沒有較為有效的方法，主要采用預埋傳感器方法.另外，應力波反射法和反拉法檢測法是目前主要的兩個研究方向.

圖1　典型錨索有效預應力變化規律曲線

錨索有效預應力隨著預應力的損失而減小.錨索預應力的損失主要是在張拉過程、鎖定過程中，且隨著時間的變化也會引起預應力損失.錨索施工完成后隨時間的增長其預應力不斷降低.根據規范要求，實測錨索預應力值應≧90%設計值，如低于則視為不合格.因此，在施工中應采取措施預防錨索預應力損失.研究證明，錨索有效預應力值的變化如圖1.預應力錨索的有效預應力的變化可以分為3個主要階段,即快速降低期、一般降低期與緩慢降低期.

3.2錨索預應力損失防治措施[5]

為了保證錨索有效預應力，在施工中應采取有效的防治措施，將錨索預應力的損失降到最低.在對錨索預應力的幾個主要影響因素進行分析基礎上，總結得出如下施工中常用的防治錨索有效預應力損失的措施：

(1)合理選擇錨頭形式，錨頭變形及夾具回縮會引起的預應力損失.實踐證明，混凝土結構錨固端頭的整體連接性較好，預應力減低較小；墩臺式錨頭承壓范圍小，預應力損失較大.

(2)在張拉過程中減少應力損失.錨索張拉系統本身存在一定的摩擦阻力損失，會在張拉的過程中降低錨索的預應力.通常，我們可以采用分級式張拉，使錨索的各鋼絞線受力進行充分調整，較小鎖定過程中的應力損失.

(3)錨索應深入邊坡的堅硬巖石內部，并且邊坡應穩定，不能出現沉降.邊坡巖體破碎，易出現沉降都會造成錨索預應力的損失，直接影響其錨固作用.

(4)在錨索托梁上加墊木坯或焊接變形角，增加錨索的變形能力，提高錨索的支護能力.

(5)有必要的情況下，可以對錨索進行補償張拉，也采用超張拉的方式.如果想有效提高錨索的有效預應力，可以適當增加補償張拉的次數.

(6)埋設傳感器，全程監測錨索預應力的變化情況，實時采取有效措施進行處理.

4　結語

錨索邊坡防護在施工中存在很多質量問題，如錨索張拉力不足，伸長量不符合要求，甚至出現錨索長度不足，不按要求張拉的嚴重質量問題，給邊坡防護安全帶來較大的隱患.因此，在設計與施工階段根據規范要求進行錨索張力及和伸長量等相關參數計算，并在施工中采取有效的措施降低錨索預應力損失，進而達到控制錨索施工質量的目的.

[1]中華人民共和國檢驗檢疫總局,中華人民共和國建設部.GB50086-2001錨桿噴射混凝土支護技術規范[M].北京: 中國計劃出版社,2001.

[2]畢晨曦，李守義.錨索設計參數對復雜地基導流墻預應力錨固的影響分析[J].水利與建筑工程學報,2015,(5):141-145.

[3]鄭筱彥,夏元友,張亮亮,等.預應力錨索(桿)群錨作用機理研究[J].武漢理工大學學報,2010,(11):62-67.

[4]尚海.預應力錨索技術在高邊坡防護中的應用[J].價值工程,2015,(27):35-37.

[5]陳志勇,李志剛,龐有師,等.預應力錨索和格構梁復合結構在路塹邊坡防護中的應用研究[J] .交通科技,2007,(5):48-50.

[6]謝立輝,歐名賢.工程邊坡的穩定性分析及抗滑樁的應用研究[J] .長沙大學學報,2003,(4):69-73.

(責任編校：晴川)

Application of Prestressed Anchorage Cable Calculation in Slope Protection

ZHU Debin

(Department of Engineering Management, Shanxi Traffic Vocational and Technical College,Taiyuan Shanxi 030031, China)

Highway slope protection as an important content of highway construction project exerts great influence on highway engineering quality and traffic safety after the operation. For highway slope protection which is slump-prone and of poor stability, prestressed anchorage cable is one of the most commonly used forms of protection. Prestressed anchorage cable calculation is the key step of design and construction. Based on engineering practice, the paper calculates and analyzes common data such as prestressed anchorage cable elongation, analyzes the influential factors causing prestress loss of anchor cable, and puts forward several corresponding prevention measures.

prestressed anchorage cable; tension; elongation

2016-06-01

朱得斌(1983— )，男，吉林農安人，山西交通職業技術學院工程管理系講師，碩士.研究方向：工程管理.

U416

A

1008-4681(2016)05-0029-03