浅谈吉沙厂房后边坡加固锚索结构设计

李 利 宁， 张 红 梅， 孙 海 权

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 朝阳 100024)



浅谈吉沙厂房后边坡加固锚索结构设计

李 利 宁， 张 红 梅， 孙 海 权

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 朝阳 100024)

吉沙厂房后边坡预应力锚索加固结构设计参数的计算和采用合理，均符合相关规范要求，经与大朝山地下厂房预应力锚索结构设计类比验证，成果可靠，能够保证锚索锚固力的正常发挥。自2010年9月对吉沙水电站厂房后边坡进行加固以来，所有厂房后边坡监测仪器监测数据正常，变形很小，未出现任何边坡稳定问题，故对该边坡采取锚索加固措施效果明显。

锚索；张拉控制应力；内锚固长度；预应力损失

1 设计概述

吉沙水电站厂区建筑物于2008年4月施工完毕，但吉沙厂房后边坡施工期由于各种原因，下游侧高程约2 620～2 650 m间自2004年后一直存在欠挖问题，设计边坡1∶1.5，实际开挖边坡1∶0.9～1∶1.2，影响厂房后边坡的整体外观形象。该欠挖部位属碎石土覆盖层，虽胶结较好，但若长时间侵蚀、风化，存在稳定安全隐患，而且经计算分析，不能满足永久安全稳定要求，最终采用1 000 kN预应力锚索对其进行加固，加固总面积2 000余m2，共计锚索111根。

锚索结构设计的质量主要取决于对张拉控制应力、内锚固长度、预应力损失、张拉控制变形等关键参数的确定，现就这些关键参数的计算确定论述如下。

2 张拉控制应力及锚索组成根数的确定

张拉控制应力σcon取决于材料性能、结构形式、抗腐蚀要求、施工水平和张拉方法等，并直接关系到锚索的钢材用量、预应力损失及最终锚索有效锚固力。根据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057—1996)表8.1.2的规定，考虑一定安全余度，张拉控制应力取0.6fptk。

所需钢绞线根数为：

n=Pt/(0.6×fptk×公称截面积)

式中n为钢绞线根数；Pt为预应力锚索设计吨位，1 000 kN；fptk为15.24 mm钢绞线强度标准值，1 860 MPa；经计算，需7根钢绞线。

3 内锚固段长度的确定

内锚固段长度由锚索与水泥浆结石体胶结粘着结合而不被拔出及水泥浆结石体与岩石孔壁粘着结合而不被拔出所需长度两者共同决定。参见《水利水电工程地下建筑物设计手册》中的有关公式，计算如下：

(1)按钢绞线与水泥浆结石体粘结强度决定内锚固段长度

L内=P/(nsτ)

式中P为设计的张拉荷载；n为钢绞线根数；s为钢绞线折算周长；τ为钢绞线与灌浆结石体的平均粘着应力。参考大朝山水电站等类似工程，其永久性预应力钢绞线允许粘着应力(MPa)取值(参见表1)。

表1 预应力钢绞线允许粘着应力取值表

本工程设计预应力锚索采用钢绞线，采用425R水泥，水泥浆结石体设计标准强度为40 MPa，7天龄期强度为30 MPa，根据表1，偏于安全采用0.9，计算得内锚固段长度必须大于3.78 m。

(2)按内锚头胶结材料与岩壁的粘结强度决定内锚固段长度

L内=P/(πDτa)

式中P为设计的张拉荷载；D为钻孔直径，130 mm；τa为灌浆体与岩体的平均粘着应力；

内锚头胶结材料(水泥浆结石体)与周围岩壁的粘结强度与钻孔方法、岩石性质、灌浆压力、渗透性、抗剪强度、有无多次灌浆等有关。灌浆体与岩体的粘着应力各处均不相同，目前国内外都普遍采用平均结合应力来计算内锚固段长度，并留有余地。吉沙厂房后边坡下伏主要岩性为板岩，经分析确定，τa取0.42 MPa，计算得内锚固段长度必须大于5.83 m。

综合(1)和(2)，内锚固段设计取6 m。

4 预应力损失计算

预应力锚索张拉时所建立的预应力，会由于张拉工艺和材料特性等种种原因而降低，产生预应力损失。主要包括锚具变形产生的应力损失、锚固体型锚口的摩阻损失、钢绞线松弛产生的预应力损失以及地层及混凝土徐变损失等。只有合理计算了预应力损失，才能合理的确定锚索的有效锚固力。

4.1 锚具变形产生的应力损失σl1

锚具内缩产生的应力损失按《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-1996)8.1.7公式计算：

式中 a=6mm，按《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-1996)表8.1.7取值；Es为预应力筋弹性模量；l为锚索的计算长度(按自由张拉段长度加上50%的内锚固段长度计算)。

4.2OVM锚固体系锚口摩阻损失σl2

根据以往资料和大朝山、石泉等工程经验，取2.5%。

4.3 钢绞线松弛产生的预应力损失σl4

按美国标准ASTMA416-87a生产的高强度低松驰钢绞线在70%初载时，应力松驰为2.5%；在80%初载时，应力松驰为3.5%。吉沙电站厂房后边坡锚索按70%初载取值，即2.5%。

4.4 地层及混凝土徐变产生的预应力松弛

对坚硬岩石产生的徐变是很小的，但对于土体就相对很大，根据工程经验，取6%。对混凝土的徐变，根据预应力混凝土的有关试验资料粗略计算，并参考石泉等有关工程经验，取应力损失为2%。

按上述方法计算各项预应力损失后，预应力总损失在16.5%～19.5%之间，对应有效锚固力在805～835kN之间，设计取800kN。

5 锚索张拉控制变形计算

锚索张拉时，用压力表读数控制张拉力，简便易行，但必须兼顾代表应变量的伸长值，籍以检查张拉作业情况是否正常。为避免发生质量事故，锚索在每级张拉完毕及升级前均应测其伸长值，如实测伸长值超过用张拉力计算伸长值上限的10%以上，说明锚固段(锚着点)可能产生滑移；若伸长值小于计算伸长值下限的5%，说明锚孔内可能有异物卡死，使自由段减少所致；若伸长值在上下限之内，则预应力锚索合格。故锚索张拉变形必须予以控制，计算如下(见表2)：

式中 Δl为变形量,mm；l为锚索计算长度，根据大朝山水电站等工程经验，锚索伸长值上限等于自由段长度加50%粘结段长度的理论弹性伸长值，下限等于80%自由段长度时的理论弹性伸长值。A为公称截面积,mm2，为140 mm2；E为锚索弹性模量；P为设计张拉荷载(kN)，计算中考虑到实际张拉施工技术要求，张拉力按40%P、60%P、80%P、100%P分别考虑。

表2 锚索张拉控制变形计算表

6 设计可靠性分析

经过与大朝山地下厂房预应力锚索结构设计的类比(见表3)，在锚索设计吨位和粘结方式均相同的条件下，本次设计锚索结构与大朝山地下厂房锚索结构基本一致，主要区别是：(1)预应力损失；(2)锚索张拉控制变形量。

分析其原因如下：

(1)预应力损失差异的主要原因是在大朝山锚束计算时考虑了2%的锚索与孔道之间的摩擦力引起的预应力损失，本工程锚索为直线，没有此项，但本工程是在土坡上进行锚固，所以地层徐变的损失较大，考虑了6%；

表3 本工程与大朝山地下厂房1 000 kN粘结式预应力锚索结构设计对比表

(2)锚索张拉控制变形量的计算没有本质区别，采用相同的公式，差异的原因主要是锚索长度有差异；

(3)内锚固段的长度差异主要是内锚头处的基岩条件不同，大朝山是基岩为微风化玄武岩，与水泥浆结石体的粘结力较大，而本工程为弱风化板岩，其间粘结力较小。

7 结 语

吉沙厂房后边坡预应力锚索加固结构设计参数的计算和采用合理，均符合相关规范要求，经与大朝山地下厂房预应力锚索结构设计类比验证，成果可靠，能够保证锚索锚固力的正常发挥。

经过实际施工验证，自2010年9月对吉沙水电站厂房后边坡进行加固以来，所有厂房后边坡监测仪器监测数据正常，变形很小，未出现任何边坡稳定问题，故对该边坡采取锚索加固措施效果明显，值得类似厂房后边坡加固借鉴。

[1] 汪海滨，预应力锚索荷载分布机理原位试验研究，岩石力学与工程学报，2005.06；

[2] 刘跃辉，预应力锚索框架在边坡锚固工程中的应用，山西建筑，2007.10；

[3] 李英勇，锚索预应力变化影响因素及模型研究，岩石力学与工程学报，2008.06。

(责任编辑：卓政昌)

2016-11-04

U213.1+58；U455.7+1；S611

B

1001-2184(2016)06-0108-03

李利宁(1975-)，男，河北邯郸人，华北水利水电大学水利水电工程建筑专业，设总，高级工程师，从事水利水电工程设计；

张红梅(1966-)，女，湖北武汉人，天津大学水工结构专业，专业总工程师，教授级高工，从事水利水电工程设计；

孙海权(1980-)，男，江苏丰县人，西安理工大学毕业，副设总，高级工程师，从事水利水电工程设计.