可回收式預應力錨索作用機理及施工力學研究

摘 要：預應力錨索是目前巖土工程領域最常使用的技術工具之一，目的是通過錨索構件完成針對巖土體的預應力錨固，而錨索構件則需要依據巖土體特征進行拉力選擇。本文在針對預應力錨索進行研究時，選擇了較為具有代表性的可回收式預應力錨索作為研究對象，通過其在巖土體方面的錨固作用機理分析以及施工力學分析，得出可回收式預應力錨索的基本特征，以及其在預應力錨固領域的作用。

關鍵詞：巖土體；預應力錨固；作用機理；施工力學

前言：在巖土體的施工中，為了能夠保證土體下方的地層能夠與施工所采用的加固物保持完美結合，需要通過錨固技術對其進行壓應力的施加，從而使其成為全新的復合結構體，避免其在使用過程中出現變形、位移。在開展錨固技術時，需要結合巖土體自身的穩定性進行預應力錨索的選擇，而錨索本身的特性也成為了施工團隊進行錨索選擇的主要依據。在開展施工之前，需要優先完成錨索施力情況的判斷。

一、可回收式預應力錨索的作用機理分析

（一）巖土體加固機理分析

應用錨索對巖土體進行錨固施工，能夠對巖土體產生強化，再借助一定的技術手段實現錨桿支護。在相關的技術機理中，常見的機理主要有懸吊作用、連續壓縮等具有代表性的施工機理。通過不同的機理選擇，能夠達到不同的加固效果。

其中，懸吊作用激勵是指在錨索加固過程中，施工人員選取相對不穩定的巖土體，將錨索通過上方選調的方式，深入到深層的巖土體中，使錨索與穩定巖土結合，避免出現離層滑脫現象。這種錨固機理主要應用與地層較深的巖土體錨固之中。

與之不同的連續壓縮錨固機理則主要應用于拱形洞之中，在拱形洞內，部分巖土體會出現破碎區，為了保證洞內洞壁具有較強的支撐力，工程施工需要將錨索的敢提搭建成圓錐形，用以承受壓應力[1]。而在具體的施工當中，為了保證洞內圍巖形成的壓縮帶始終處于均勻狀態，施工人員需要依據一定的錨桿間距進行錨桿群布設，各個錨桿之間相互交錯，從而形成壓應力的承壓拱，以此來承受拱形洞上方的破碎巖石所帶來的景象載荷。

（二）可回收式預應力錨索的機理特殊性分析

以往在施工當中選擇的普通預應力錨索，主要是自由式拉力型錨索。這種錨索由鋼筋、注漿體、絞線、外錨頭等部件共同構成。在受力過程中，鋼筋以及絞線會通過張拉的方式實現剪應力的傳遞，再將力傳輸至注漿體內部，最后由注漿體經過外錨頭完成剪應力的傳出。而本文所研究的可回收式錨索，則是在傳統錨索之上增加波紋套管、固定臺座以及承載體等部分，而鋼絞線、注漿體和外錨頭則保持不變。在受力時，鋼絞線完成張拉，固定臺座以及承載體會將受力轉變成為均勻分布的壓力，傳輸到注漿體，再由注漿體完成外傳。在進行作用機理的詳細對比之后可以發現，普通的預應力錨索與可回收式預應力錨索，存在著許多不同之處。

首先，普通的預應力錨索作為拉力型錨索，其內部的注漿體始終處于受力狀態，而在此狀態下，注漿體不會對孔壁產生徑向力。隨著預應力增大，錨固的截面則開始縮小，連同漿土界面強度降低。而采用可回收錨索，其內部結構使其擁有三向應力狀態，此時錨索會依照均勻的壓力分布對圍巖施壓，從而增加漿土界面的強度，具有更好的加固效果。

其次，普通的預應力錨索在反復受到拉力的過程中，注漿體容易出現老化損壞現象，進而導致內部形成腐蝕。而可回收式預應力錨索，注漿體所受到的壓力高于其受拉能力，因此具有較高的穩定性。

其三，在載荷的傳遞方面，傳統的普通預應力錨索，端頭的受力最大，其拉應力也最高，向尾端過度，受力遞減；而可回收式預應力錨索的受力集中在尾端，且存在最大壓應力，向端頭過度，受力遞減。與前者相比，可回收式預應力錨索更加適宜在地層較深的巖土體開展加固工作。

其四，在施工過程中，使用普通預應力錨索時，施工人員需要保證錨桿與注漿體之間保持粘結，需要使用粘結筋來進行強度控制；而可回收式預應力錨索，則可以采用五年結的鋼絞線在預應力筋外完成套管，實現內外隔離，避免出現腐蝕。

二、可回收式預應力錨索的施工力學分析

（一）巖土體的力學傳遞特性

在相關的研究中，研究學者在實驗室內選擇了粒裝土和粘性土兩種不同的土質進行錨桿試驗，通過測量注漿體表面所含有的摩阻力的方式對其錨固力學特性進行分析。實驗結果顯示，注漿體表面所擁有的摩阻力會沿著錨固的方向呈現非均勻的分布方式，而分布長度越長則其極限的抗拔力增速則會越慢，并且會出現臨界長度，其指數分析如公式1所示：

公式1：t（z）=r0eAZ/d

公式中，錨固段Z的剪應力值用t（z）進行表示，而r0則代表錨固段近端的剪應力，d則為錨索直徑，A表示錨索主應力常數。帶入長度L積分，可以獲得極限錨固力計算值，如公式2所示：

公式2：Tu=1/Aπd2t0

結合公式計算，實驗人員得到了可回收式預應力錨索在針對巖土體進行施工時的力學特性。其中，在密度較高的砂土層中進行施工，錨桿長度設定需要依據最大表面粘結力進行確定，而在松砂土層中，粘結力則會與理論值相接近[2]。隨著外部載荷的不斷增加，巖土層的表面粘結力會不斷上升，指導達到某一個峰值點后，開始逐漸回落，并與錨固段遠端的應力值想接近；錨索的長短與表面粘結力相關，其中短錨索粘結力更大；地層密度變化，會使得錨索的錨固力隨之發生變化。在數據統計中，不同密度的土層，表面粘結強度值最大可相差超過五倍之多。

（二）可回收式預應力錨索應力分布規律

通過對以往研究和相關統計數據和錨固段受力分布圖的分析，本文總結了關于可回收式預應力錨索的分布規律。

首先，預應力錨索的承載板是整個錨固段粘結應力最低的位置，通常情況下趨近于零。造成這一現象的主要原因體現在土體分離方面，錨固段受到了集中力的作用，使其地面形成了自由面，而剪應力t越低，則受到剪切互等原理影響，其承載板應力也應趨近于零。

其次，在承載板內部，由于粘結應力的變化，其受到的應力會迅速上升，并激增至最高點，隨后快速回落，而在到達錨固段中部后，降低為零[3]。對于漿土界面來說，由于錨固段設置過長且超過了臨界長度，那么其超過的部分不會受力，最終使得錨固段的尾端承受了絕大多數的剪應力。而在剪應力公式計算當中，錨固段所受的剪應力會隨著錨固長度發生變化，最終回歸為零。

其三，承載板在錨固段當中，由于壓應變分布的規律，使得其所受的軸力為最大值，而在受到較高的軸力影響之后，處于尾端的注漿體也會隨之發生應力變化。當承載板軸力達到最高后，注漿體則需承受最大壓應力影響，從而使注漿體轉變成為屈服狀態。

錨固段當中的軸力以及壓應變會隨著軸向出現單調縮減趨勢，且該趨勢十分顯著。在相關的實驗研究中，軸力以及壓應變在錨固段當中，會在位于承載板十米左右的位置下降為零，而此時，注漿體由于與承載板有著密切關聯，會發生受壓后的強度屈服。隨著屈服狀態的不斷變化，進而形成集中于承載板一側的剛度變形破壞。

結論：綜上所述，在不同的巖土體結構和土層內部密度當中，開展加固施工需要選用不同的錨固作用機理。施工團隊在開展施工之前，還需要依據可回收式預應力錨索進行剪應力、壓應變力學特性的分析，從而獲取在施工巖土體中錨索的應力變化情況，保證施工質量達到標準要求。

參考文獻

[1]吳潤澤，周海清，胡源等.基于有限差分原理的預應力錨索抗滑樁改進計算方法[J].巖土力學，2015，36（06）：1791-1800.

[2]王清標，張聰，王輝等.預應力錨索錨固力損失與巖土體蠕變耦合效應研究[J].巖土力學，2014，35（08）：2150-2156+2162.

[3]鄭文博，莊曉瑩，蔡永昌等.地震作用下預應力錨索對巖石邊坡穩定性影響的模擬方法及錨索優化研究[J].巖土工程學報，2012，34（09）：1668-1676.

作者簡介

李勇平（1990-），男，漢族，籍貫：湖南郴州，單位：廣西建工集團第四建筑工程有限責任公司。

（作者單位：廣西建工集團第四建筑工程有限責任公司）