拉力型錨索預應力損失機理分析及防治技術研究

武岳彪

摘要：預應力錨索是一種主動支護結構，通過主動施加預應力，壓縮土體，改善巖土性能，提高其抗剪強度，充分發揮其自穩潛力，有效控制結構變形。近年來，預應力錨索技術發展突飛猛進，應用日趨廣泛，然而因錨索預應力損失而導致的損失或引發的事故屢見報端、觸目驚心，必須予以高度關注。本文在以前人對錨索預應力損失的研究為支撐，進一步探索預應力損失的關鍵因素，提出防治措施，增強預應力錨索的可靠性、安全性與穩定性。

Abstract： The prestressed anchor cable is an active supporting structure. By actively applying prestress， it compresses the soil， improves the geotechnical properties， improves its shear strength， fully exerts its self-stabilizing potential， and effectively controls the deformation of the structure. In recent years， the development of prestressed anchor cable technology has advanced by leaps and bounds， and its application is becoming more and more widespread. However， the loss or accident caused by the loss of prestressed anchor cable has been reported frequently and shocked， and must be highly concerned. This article is supported by previous research on the prestressed loss of the anchor cable， further explores the key factors of the prestressed loss， and proposes preventive measures to enhance the reliability， safety and stability of the prestressed anchor cable.

關鍵詞：拉力型錨索;預應力損失;防治技術

0? 引言

預應力錨索施工對土體擾動小、可以根據需要靈活設置、施工進度快、成本低，開挖后能及時主動支護，改善巖土應力狀態，發揮巖體自穩能力，有效控制變形。近年來以其獨特的優勢在邊坡工程加固、基坑支護工程中占據了越來越重要的地位，發揮了不可替代的作用。

預應力錨索通過利用土體的自身阻抗去制約另一部分土體變形和結構破壞，在施工時按照錨索設計計算時提出的預應力施加值進行張拉和鎖定，以更好地發揮錨索的制約系統。然而，多年以來錨索預應力損失的難題一直未能有效解決，因其機理復雜，影響因素眾多，一直是工程界關注的焦點，國內外一些學者對此進行了一定的研究工作。

丁多文等人提出預應力損失和巖體蠕變及錨鋼絞線松弛有一定的關系;陳安敏等人提出了錨索預應力損失基于時間變化的估算方法;王清標等人提出了預應力基于巖土、砂漿蠕變的計算公式。張發明等人認為引起錨索錨固力損失的最主要因素是巖體的變形與施工質量;徐湘濤等人發現，錨索鎖定時的預應力損失影響最大。

國內外諸多學者對預應力錨索錨固力損失進行了一定的研究，從損失機理到計算模型至施工影響都做了全面的分析，但由于采集數據有限，研究理論還待進一步驗證和完善。

在研究機理尚不能全面掌握之際，通過分析影響預應力損失的各種因素，從施工角度進行控制，通過數據積累，以現有理論為支撐，研究預應力損失防治的技術，對進一步發揮錨索的技術優勢有巨大的推動作用，促進錨索技術進一步成熟。

1? 預應力錨索的作用機理

1.1 預應力錨索的受力特點

錨索受力時錨固段漿體受拉并通過漿體將拉力傳遞給周圍地層，隨施加荷載的變化，預應力錨索粘結應力和受力部位也會隨之變化。與樁承載力作用機理相似，前期發揮摩擦力，當摩擦力不足以支撐上部荷載時才發揮樁端承載力，錨索也類似，荷載較小時，主要由錨固段前端發揮粘結應力，后段基本不發揮，隨著荷載增大，粘結應力逐步后移，當荷載持續增大時，粘結應力峰隨之變大，主要由端部承受。

1.2 錨索預應力損失變化規律

錨索的預應力損失，主要分為瞬時損失和隨時間變化的長期損失。瞬時損失主要發生在張拉鎖定過程中，維持時間段，影響最大;長期損失一般經過三個階段，第一階段是快速損失期，主要由鋼絞線松馳、砂漿徐變等引起，第二階段是波動變化期，呈現小幅波動，變化頻繁，第三階段是平穩變化期，此時預應力不在有大的波動，已趨于穩定，按趨勢緩慢發展。

此外，當周邊荷載增加、位移加大時錨索預應力會有較大幅度增加，經歷一段時間后可以接近鎖定值，但這種錨固力增量是一種被動增大的過程，反映了錨索預應力損失設計不足或預應力損失不足抵御巖土變形，只能通過位移被動受力，此情況應盡量避免。

經過分析，瞬間損失對錨索的性能削弱最為致命，影響最為關鍵，此后損失隨時間逐步趨緩，故應科學施策防治預應力瞬間損失，并以此作為預防預應力損失的重中之重。

2? 防治錨索預應力損失技術研究

目前對于錨索預應力損失的研究尚不成熟，本文主要以前人研究的理論為指導，從施工角度進行控制、分析，提出防治預應力損失的關鍵技術。

2.1 預防預應力損失的準備工作

2.1.1 加大錨索自由段長度

錨索自由段長度越長，預應力損失越小，錨索拉力越穩定。若自由段長度過短，則對錨索施加預應力后，錨索彈性位移較小，錨頭一旦出現松動，可能會造成較大的預應力損失越大。建筑基坑支護規程中對錨索自由段長度做了明確的規定：

a為錨索傾角;

a1為錨索至基坑底面的垂直距離;

a2為基坑內外側土壓力等值點位置。

錨索自由段長度除了滿足本條規定外，尚需滿足不小于5m的規定，且應穿過潛在滑動面進入穩定巖層不小于1.5m，此外錨索總長度還應考慮外錨頭的長度，必要時方便補張拉。為減少錨索銹蝕，可以對錨索外露部分進行防腐處理，但不建議直接封錨，否則無法正常補張拉。

2.1.2 選擇性能匹配的錨具，減少回彈量

錨索張拉后，當千斤頂卸荷時，是靠工作錨板來鎖定的，鎖定過程中絞線會發生回縮，而回縮量則表征了預應力損失的大小，這可據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）規定計算：

L為錨索自由段長度;

Ey為桿體彈性模量;

A為桿體截面積。

根據上式可知，錨具的回彈量與預應力損失成正比，鋼絞線的自由段長度與與預應力損失成反比，故一定要選擇性能匹配的錨具，控制鋼絞線的回彈量，降低預應力鎖定瞬間的損失。

2.2 施工過程預防措施

2.2.1 減少巖土結構擾動 ，確保錨固效果錨索

錨索的優點之一是施工時對巖土結構的擾動小，未造成其結構破壞。由于邊坡工程通常采用自上而下的分步開挖措施，巖體的開挖卸載，形成較大的臨空面，巖體內部應力得以釋放，巖體向臨空面方向發生變形，從而導致支擋體系承受較大壓力。因此，應邊挖邊錨做好防護，減少巖體的變形，增加錨索的錨固效果。

2.2.2 做好鉆孔定位，減少孔斜率對錨固力損失的影響

錨索一般以傾斜的角度嵌入土（巖）體進行錨固，鉆孔的角度和方位控制極為重要，對錨索的預應力發揮至關重要。若控制不當，角度產生偏差，則錨索安裝時會在鉆孔精度偏差的影響下與孔壁產生一個甚至多個接觸點，導致張拉過程中產生摩擦力，依據錨索的受力特點，摩擦力將影響錨索粘結應力的發揮和轉移，從而造成錨固力轉移過程發生較大損失，不利于控制變形。通過研究及數據分析可知，預應力損失量與鉆孔斜率和施加的張拉值有較大的關系，計算關系式如下：

據上式可知，在施加的張拉力一定時，鉆孔斜率越大，預應力損失也越大。鉆孔時一定要反復查驗錨索的鉆孔角度，確保方位準確，把錨索的鉆孔精度控制在0.5%以內，錨索桿體放置后不能晃動，利用定位支架居中，避免錨索偏位，甚至與孔壁接觸，造成較大摩擦力。

2.3 錨索張拉及鎖定

錨索張拉鎖定是施工階段控制預應力瞬間損失的關鍵步驟，應科學、嚴謹的控制。錨索正式張拉前，應對預應力錨索施加0.2倍拉力設計值進行1～2次試張拉，通過施加低荷載使鋼絞線緊繃受力，確保各部位接觸緊密。錨索預應力的瞬間損失，錨具等彈性回縮影響較大，但張拉時的損失依然不容忽視。

2.3.1 選擇合理的張拉順利和適當的最大張拉力

錨索張拉之前必須要依據試錨的情況結合規范要求及同類項目的成功經驗制定合理的順序，采用分步、逐級加荷、施放循環、對稱的方式進行張拉。對于多束錨索的，應選擇合適的設備同步張拉，當同一排有多個錨索時應對稱張拉。若未采取分步張拉，則后續張拉的錨索時在施加應力時，由于壓應力突然增大，致使之前張拉部分已受壓的土體進一步壓縮變形，造成已張拉鎖定毛多的預應力損失，為防止后續張拉造成已張拉的錨索應力釋放、預應力減少，最好配備兩臺甚至多臺設備間隔、對稱張拉，減少相互之間的干擾。

對于錨索最大張拉值，由于作用場所等不用，作用機理有差異，故各類規范中提出的標準都不相同，《巖土錨索與噴射混凝土支護技術規范》中臨時性錨索的最大張拉力應取錨索設計值的1.1倍，《建筑地基基礎設計規范》中臨時性錨索的最大張拉力應取錨索設計值的1.05～1.1倍，而《建筑基坑支護技術規程》規定最大張拉力應按檢測值（一級1.4倍、二級1.3倍、三級1.2倍）執行。由于一般基坑對變形控制要求較高，結合多年施工實踐認為，基坑支護規程中的規定較為合理，通過張拉試驗一是通過張拉實現對每根錨索質量檢測，當錨索質量不足時可以及時發現，以免留下質量隱患，二是可檢測在設計荷載下錨索各連接節點的可靠性。

2.3.2 張拉位移的監測

錨索張拉時的加荷級數不少于5級，加荷速度按50kN/min～100kN/min，每級荷載10min的持荷時間內，按1、3、5、10min 測定錨索位移。在張拉時最大張拉值的控制和表征錨索質量的伸長量檢測極為關鍵。

拉力型錨索彈性變形，按照試驗標準，在施加最大試驗荷載時，彈性位移量應超過該荷載下錨索自由段按照理論計算的理論彈性伸長值的80%，且小于按理論計算的錨索自由段的彈性伸長量與1/2錨固段彈性伸長量之和，方為合格。

P：預應力錨索張拉力;

L：預應力錨索自由段長度（預應力錨索自由段長度+1/2錨固段段長度）;

A：預應力錨索面積;

E：預應力錨索彈性模量。

錨索張拉是錨索鎖定前的最后一道工序，也是檢測錨索質量最直觀的方式，張拉過程應做好記錄，若錨索位移出現突變應高度警惕，及時分析原因，采取二次高壓注漿等措施進行彌補，若發現錨索質量不足時應采取其他加固措施。堅決不允許在張拉異常下草草鎖定，給工程安全埋下隱患。

2.3.3 錨索鎖定

錨索的設計鎖定值一般是設計拉力值的0.75～0.9倍，這是由錨索的作用機理決定的，若鎖定值過小，錨索要發生位移才能逐步發揮預應力，成為被動受力，違背錨索主動支護的初衷，若鎖定值過大則土體開挖過程中增加的荷載逐步達到鎖定值，直至超過鎖定值，但這個過程中描錨索會缺少變形量，破壞前預兆大大減少，會變成一種脆性破壞，不利于危險防范。

錨索鎖定后既要能發揮主動支擋作用，控制支護結構變形，也要允許有充分的伸縮，直觀的反映結構位移。鑒于當前城市建設如火如荼，高樓群集、管線密布，周邊環境復雜，各種因素都對變形控制提出更高的要求，故此鎖定值應盡量取大值，并應充分考慮錨索張拉的瞬間損失、孔壁影響損失、巖體蠕變等隨時間變化損失的各種因素，鎖定值按設計鎖定值的1.15倍控制，減少錨索的預應力損失，更好的限制位移，在此過程中應做好監測，密切關注錨索預應力變化和基坑的位移變化。

2.4 預應力錨索的維護工作

前文已分析了錨索經歷瞬間損失后，還要隨時間進行三個階段的變化，為此要采取措施做好防范，減少錨索預應力隨時間的變化。

2.4.1 做好截排水，減少降雨影響

降雨對錨固力有較為顯著的影響，由于滑動面遇水后抗剪強度和內摩擦角等巖土性能降低，導致錨索預應力損失。同時，計算土壓力可知，降雨滲透侵入后，采用水土分算，土壓力會有成倍增加，形成錨固力和土壓力此消彼長的對立變化，給基坑安全帶回極大威脅，所以施工時一定要做好截水、排水設施。

2.4.2 做好基坑巡視與監測，保障錨索安全

錨索預應力是按照特定工況設計的，但是施工中經常會出現基坑周邊堆載的情況，增加土壓力，以致在基坑支護的安全儲備消耗殆盡后發生破壞，所以必須要嚴禁私自在基坑周邊堆載和增加動荷載的行為。巡視還應密切關注基坑周邊場地裂縫，要及時修補，防止水流滲入，降低巖土性能，增加荷載。認真查看錨頭情況，防止開挖時拖拽破壞或銹蝕、松動，都要及時采取措施。

3? 結論

①影響錨索錨固力損失的因素眾多，預應力損失分為瞬時損失和隨時間變化的損失。預應力瞬時損失最為嚴重，應作為施工控制的重點，預應力隨時間變化的損失影響因素多，在施工中應密切關注，做好巡視和監測，做好各項措施對錨索進行保護。

②緊抓錨索施工重要時機。邊坡土方開挖后，土體應力釋放，巖土性能有一定的降低，必須要保證錨索施工的及時性，并在錨索鎖定后，能有效約束土體變形后才能開挖下層土體。

③科學嚴謹做好施工過程控制，盡力減少錨索預應力瞬間損失。嚴格控制錨索的鉆孔精度減少摩擦，降低預應力沿程損失;按照同步、對稱的方式分步張拉錨索，張拉的最大值要達到檢測值，做好位移觀測，全面掌握錨索性能;按1.15倍的鎖定值進行超張拉鎖定，以抵消部分預應力損失。

④做好截排水，防止水流滲透，降低巖土性能指標;維護過程中要加強巡視和監測，及時修補裂縫，對損壞的支擋結構及時修補，減少預應力隨時間變化的損失和應對突發情況造成的錨索破壞。

⑤錨索預應力損失機理復雜，至今仍是工程界研究的熱點，本文在前人研究的基礎上，注重結合理論從工程施工角度進行防范，取得了一定成果，但數據采集有限，仍需進一步研究，共同推動錨索預應力技術的發展。

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