预应力锚索锚固方法的优化设计研究

湖南交通科技

HUNANCOMMUNICATIONSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vol.31No.3

Sept.2005

文章编号:1008Ο844X(2005)03Ο0011Ο03

预应力锚索锚固方法的优化设计研究

黎　敏,黎　军

(广东省公路勘察规划设计院,广东广州　510507)

摘　要:结合开阳高速公路k1+200～+360段边坡的锚索设计及工地现场抗拔试验,对传统的拉力型预应力锚索和压力分散型预应力锚索作了对比分析与优化研究。关键词:公路边坡;预应力锚索;优化设计　　中图分类号:U418.5文献标识码:B易造成锚固段顶端出现拉伸裂缝和剥离现象。

而压力分散型锚索中的荷载通过锚索直接传至承载体上,然后通过承载体推压水泥灌浆体再传给周围的岩土层,在每个承载体前的灌浆体压应力集中并向孔口方向衰减。它充分利用了灌浆体及被加固体抗压不抗拉的共同特性,受力机理比较合理。

2)压力分散型锚索在在锚固段长度上受力(应力)均匀,消除了拉力型锚索锚固段上部粘结应力值集中的现象,它能充分利用地层岩土体的抗剪强度,提供可靠的锚固效果而不至于像拉力型锚索那样发生渐进性破坏。

3)在同等的锚固段长度条件下,压力分散型锚索有较大的承载能力。有关文献表明,相似条件下压力分散型锚索比普通拉力型锚索承载力提高了23%～58%。拉力型锚索的粘结应力主要分布在锚固段前端的8～10m范围内,即使在最大张拉荷载作用下,锚固段远端的相当一段长度内几乎无粘结应力值,这说明当锚固段长度超过一定值(临界值)后,长度的增加对锚索承载力的提高相当有限。

压力分散型锚索的荷载由多个承载体承担,由于整个锚固段长度上的粘结摩阻应力分布较为均匀,这样充分发挥了各个承载区段土体的抗剪强度,有效地克服临界锚固长度的,故锚索的承载力得到了提高。此外,只要承载体间距设计合理,使用这种锚固系统时,整个锚固长度在理论上是没有的,锚索的承载力可随锚固段长度增长而提高。

4)压力分散型锚索因水泥灌浆体处于受压状态,不易开裂,且其锚索由无粘结钢绞线组成,在多层(油脂、塑料套和水泥浆体)防腐体系的保护下,它的耐久性较好。普通拉力型锚索的灌浆体处于受

1　概述

在运用预应力锚固体系加固路基边坡的过程中,工程技术人员一直在努力改进预应力锚固体系的锚固效率,以增加处治后边坡的稳定性和耐久性。而锚固体系结构与工艺的变革,主要是围绕着提高单位长度的锚固力来展开的,采用压力分散型锚固方法就是其中有效的手段之一。

预应力锚固体系按其锚固段的受力状态来分类:有拉力型、压力型和荷载分散型3类。荷载分散型又分为拉力分散型、压力分散型和拉压分散型,压力分散型又常称为分段承压型、分散压缩型。传统加固边坡所采用的预应力锚固体系多为拉力型锚索体系,虽然这种预应力锚固体系工艺相对简单,但由于其锚固段应力分布不均匀的受力特性影响,决定了它无法提供大吨位锚固力以及不适应复杂地层的局限性。而压力分散型锚索体系中,锚索的拉力由多个承载体承担,在整个锚固体段内避免了粘结摩阻力的严重应力集中现象。与拉力型锚索相比,它的锚固效果、经济效益更好,且受力机理合理,故应用范围更广,代表了锚索加固体系的新发展方向。在采用预应力锚索对边坡处治的方案优化过程中,压力分散型锚固方法是可供选择的一个重要方案。

2　压力分散型锚索体系与拉力型锚

索体系的对比

　　1)拉力型锚索中的荷载通过锚索与水泥灌浆体之间的粘结作用传给水泥浆体,再转给周围的岩土层,而且这种传递主要集中在锚固段的前部,这样

　　收稿日期:2005Ο06Ο10

),女,工程师,从事路桥设计工作。作者简介:黎　敏(1974Ο

12　湖南交通科技31卷

拉状态,易开裂,而锚索又为普通钢绞线,故防腐性较差,可能影响到锚索承载力。

5)压力分散型锚索的水泥灌浆体受压后产生横向扩张,可使粘结摩阻应力增大。而拉力型锚索水泥灌浆体受拉,故不会出现前述状况。

6)压力分散型锚索可一次性完成灌浆工艺,减少工序。拉力型锚索多需进行二次性灌浆。

7)由于压力分散型锚索采用无粘结钢绞线,受荷后可全长自由变形,故其预应力损失较拉力型锚索小;当坡体产生位移时,其适应变形的能力也较拉力型好。

8)压力分散型锚索体系因其粘结摩阻应力分布较均匀,故适应于多层类型的复杂地层。而拉力型锚索体系只适用于锚固层为较好岩层的地层类型。9)压力分散型锚索体系由于其结构特点决定了它可以调整预应力或补偿张拉达到预期的预应力设计值,锚索也可卸载后重新锁定。

10)如果需要的话,压力分散型锚索可作临时性锚索,其体系中的无粘结钢绞线可抽拔出来。

项目编号

P5Ο1P5Ο2Y5Ο1Y5Ο2

3　预应力锚索体系抗拔试验的研究

对于复杂地层,预应力锚索锚固深度和设计承

载力(锚固力)的控制,是边坡加固工程成败的关键所在。预应力锚索抗拔试验就是为了确定锚索是否有足够的承载力,验证和修正设计时所用的参数,并检验锚索的设计和施工方法能否满足工程要求。锚索试验的数量按有关规范要求控制,本节就开阳高速公路k1+200～+360段边坡中的4个15-4型锚索抗拔试验的结果进行研究讨论。

这4个试验锚索均位于第5级边坡上,2个为普通拉力型锚索,2个为压力分散型锚索,锚索的基本参数为:锚索长度:26m;锚索孔径:16cm;拉力型锚索由4根钢绞线组成,锚固段长度7.0m;压力分散型锚索由4根无粘结钢绞线组成,2个承载体,承载体间距为3.5m。

表1　锚索抗拔试验结果表

破坏荷载P/

kN9459559561

总变形/

mm168.3173.3188.7221.9

初始变形/

mm31.220.934.252.1

弹性变形/

mm95.8101.6108.3120.6

塑性变形/

mm72.471.746.349.2

设计锚固力Pd/

kN700700700700

安全系数K0

1.351.361.371.37

破坏形式钢绞线断钢绞线断钢绞线断钢绞线断

4　成果分析

4.1　锚索的破坏

表明其锚固体段的变形已进入塑性区;而压力分散型预应力锚索的塑性变形在600～950kN之间增加相当少,表明压力分散型锚索的锚固段承载能力强,仍处于弹性状态。

2种锚索塑性变形规律分析如下:

根据张拉过程中的资料,4个试验锚索均在荷载达到950kN左右时发生钢绞线断丝而破坏,在此之前锚头的位移未有异常突变,说明锚索的锚固体尚未破坏。分析钢绞线断丝的可能原因有:

1)材质问题。钢绞线是否存在缺陷,在后续施工时应加强对钢绞线材料的检测。

2)制索、张拉过程中的问题。当多股钢绞线同步张拉时,受力较难保证均匀一致,从而可能导致钢绞线断丝。

试验数据也说明了本试验采用钢绞线的安全储备能力还不足以使得锚固体发生破坏,表明本试验中主材控制设计,安全系数为1.35左右。4.2　预应力锚索的剪切变形分析

预应力锚索的塑性位移主要由2部分组成:一是由于锚索杆体的调直,岩土体受力后压密等产生的不可恢复之位移Sp1;二是锚固体与岩土体间的剪切变形产生的塑性位移Sp2。其中锚索受力较小时以Sp1为主,当荷载达到一定值后就以Sp2为主。根据分析,荷载达到600kN后,锚索的塑性位移主要是由锚固体与岩土体之间的剪切变形而产生。4个预应力锚索锚固体的剪切变形量见表2。

由表2可知:压力分散型锚索锚固体的平均剪切变形只有拉力型锚索的1/4～1/3,由此分析可知承受一定荷载后,压力分散型锚索锚固体的抗剪切变形能力远大于拉力型锚索的抗剪切变形能力,也就是说,压力分散型锚索的锚固承载力大于拉力型

由4个锚索的弹塑性位移曲线图可看出,拉力型预应力锚索的塑性变形随着荷载的增加而递增,

3期黎　敏,等:预应力锚索锚固方法的优化设计研究　

表2　锚固体段的剪切变形量

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编号

P5Ο1Y5Ο1P5Ο2Y5Ο2

荷载/kN

600

950600950600950600950

剪切变形/mm

0220603208.3

加,其平均粘结强度急剧降低。因而试图通过加大锚固段长度来达到提高锚固体承载力的做法不切合实际,合理的做法是改进锚固结构和工艺,提高锚索单位长度锚固体的承载力。

2)传统的拉力型预应力锚索受力上存在不足之处,其锚固段的应力分布不均匀,顶端部分应力大,向下逐渐减至最小值,随着外荷载的增加,粘结应力峰值向远端转移。而过高的粘结应力峰值会导致水泥灌浆体与钢绞线界面处的粘结效应弱化或剥离。

3)压力分散型预应力锚索在同一钻孔内设置多个单元锚固体,这种锚固方法能使粘结应力较均匀地分布在整个锚固长度上,故能更有效地利用地层强度,克服拉力型锚索的不足。

4)抗拔试验的结果也证明,压力分散型锚索的锚固体承载能力远大于普通拉力型锚索,同等荷载条件下的剪切变形只是拉力型锚索的1/4～1/3,且其长期承载性能优于拉力型锚索。

5)压力分散型锚索采用无粘结钢绞线组成,它的防腐性能和耐久性大大优于普通拉力型锚索。

6)从抗拔试验结果来看,试验安全系数只有1.35,故施工中应对预应力钢绞线的质量加强控制。

锚索的锚固承载力。4.3　预应力锚索的弹塑性变形特征分析

表3为950kN时4个锚索的弹塑性变形量,Se

为弹性变形,Sp为塑性变形。

表3　锚索弹塑性变形量SeSp编号荷载/kN

P5Ο1Y5Ο1P5Ο2Y5Ο2

950950950950

变形值/占总位移的mm百分比/%

96.6108.3100.6118.2

57705871

变形值/占总位移的

mm百分比/%

72.846.371.448.7

43304229

　　从表3可看出拉力型锚索的塑性变形占总变形位移的比例大于压力分散型锚索。塑性位移所占的

比例越大,同样荷载条件下,由长期岩土体蠕变引起的预应力损失将越大,因此,压力分散型锚索的长期承载性能将优于拉力型锚索。

另一方面,以后的设计中,预应力钢绞线的设计锚固力不宜取得太大。

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5　锚索试验结论

1)试验结果表明,抗拔试验由主材强度控制设

计,试验安全系数为1.35。

2)压力分散型预应力锚索的承载能力大于普通拉力型预应力锚索,在同等荷载条件下其剪切变形只有拉力型的1/4～1/3。

3)压力分散型预应力锚索的塑性变形占总变形的比例小于拉力型预应力锚索,表明压力分散型锚索具有良好的工作状态,对于减小由蠕变引起的预应力损失性能上有其优越性。

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[10]张发明,等.确定预应力锚索设计参数的优化方法[Z].海威姆

6　总结

结合开阳高速公路k1+200～+360段边坡

的锚索优化设计及工地现场抗拔试验,对传统的拉力型预应力锚索和压力分散型预应力锚索作了分析与研究,通过以上分析可看出:

1)大量的资料与试验都证实,对于拉力型锚索体系,当锚固体达到一定长度后,随着锚固长度的增

预应力技术,2002,(5):1～3.

[11]苗凤山,等.预应力岩体锚固体系的试验研究[Z].海威姆预应

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