土质边坡预应力锚固段应力分布及监测分析

李 斌， 王 程, 邓树密

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610072)

土层预应力锚索在基坑、边坡工程中有着广泛的运用。预应力锚索因能充分发挥岩土的自承潜力，调节和提高岩土的自身强度和自稳能力，减轻支护结构的自重，节约工程材料，并能保证施工的安全与稳定[1-2]。但在在锚固体系内部应力 (钢绞线和砂浆体应力)的监测方面，开展的研究还较少。基于以上因素考虑，通过对锚固体系的内部应力监测，进一步加深对锚固段应力分布的研究，提供一种快速合理的确定锚固段长度的有效手段，并对锚固体系内部应力的长期监测提供一种可靠有效的方法。本文采用现场监测方法对土层锚索进行抗拉拔试验和监测试验，探讨拉力型预应力锚索的工作机理和性状。

1 工程实例

成都轨道交通某线网定位为快线干线和机场线，该线某车站大里程接盾构始发区间，小里程端为明挖区间，主体结构为地下二层岛式框架结构，采用明挖法施工，采用放坡+土钉墙进行支护，采用地面截排水+坑底积水明排进行降水。车站部分围护结构采用放坡，放坡均采用锚杆支护，网喷坡面采用φ8@200 mm×200 mm钢筋网、1∶0.3和1∶0.4喷射100 mm厚C20混凝土，1∶3段喷射120 mm厚C20混凝土，锚杆采用φ25 mm钢筋，1∶0.3段水平、竖向间距2.5 m，1∶0.4段水平间距为2.5 m、竖向间距为2.5 m，呈网格布置。每级放坡第一道锚杆距离该坡顶平台0.5 m，同时每级放坡最后一道锚杆距离该坡底不应超过1.0 m，不宜小于0.5 m，两道锚杆间距不宜小于1.0 m，不应大于2.5 m。基坑开挖现状见图1，预应力锚索见图2，试验锚索设计参数、地层物理力学指标分别见表1、表2。

图1 地铁车站基坑

图2 现场锚索

2 试验测试方案

试验锚索为集中拉力型，采用无粘结双层保护，试验锚索为集中拉力型，采用无粘结双层保护，以提高锚索抗腐蚀能力。锚索张拉段长26 m，内锚固段长11 m，设计吨位为650 kN，超张拉10 %。

2.1 试验研究内容

(1)张拉过程中内锚头变位以及内锚固段荷载分布。

(2)锚索锁定后初期预应力和段荷载分布调整变化规律。

(3)锚索锁定后初期预应力与内锚固段荷载分布两者之间的变化关系等。

表1 试验锚索设计与施工参数

表2 场地锚索所在层土质物理力学指标

2.2 试验方法

(1)通过钢尺量测孔口钢绞线伸长值反推内锚头变位；内锚固段载荷分布通过内锚段钢绞线上的应变计测量。

(2)预应力锚索钢绞线应变的测量是试验中的重点和难点，这是因为钢绞线应变值大，从张拉完成后预应力筋一直处于较高的应力水平，应变计长期高应力状态下的使用寿命尤为重要。

(3)应变计穿入岩体孔中，与混凝土砂浆浇筑在一起，测量环境恶劣，如果应变计的粘贴技术不可靠，防护措施不当，就会造成应变片断裂、剥离、脱落，引线断路、绝缘度降低等问题，使应变计失效。应重点解决应变计胶粘剂的选择、粘贴技术、应变计的防护问题,提高预应力筋大应变测量的成功率。

(4)根据传统拉力集中型锚索内锚段荷载分布非线性的特点[2-6]，将应变计布置在靠近内锚段起始段约4.5 m轴力变化大的范围内，另外为了解内锚段的情况也设置了少量测点。内锚段应变计布置具体见图3。

图3 预应力锚索应变测点布置示意(单位：cm)

3 试验结果及分析

3.1 锚索抗拔试验结果

依据CECS 22:2005《岩土锚杆(索)技术规程》[3]和GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》[4]相关要求对锚索承载力进行评定锚索抗拔试验。试验荷载和变形数据见表3。

本次检测的2根锚杆在试验加载到最大试验荷载下所测得的弹性位移量，超过该荷载下杆体自由段长 度理论弹性伸长值的80 %，且小于杆体自由段长度与1/2锚固段长度之和的理论弹性伸长值；在最后一级荷载作用下1～10 min锚杆蠕变量都小于1.0 mm，故都满足设计要求(图4、图5)。

3.2 锚索张拉时锚固段轴力分布分析

锚索采用全长有粘结拉力型结构，荷载传递路径为：有粘结钢绞线—水泥浆包裹体—岩体。本次两根试验锚索轴力曲线通过应变片实测应变，转化为应力后乘以钢绞线截面面积可计算得到，具体轴力分布曲线如图6、图7所示。

表3 试验结果汇总

图4 预应力锚索1-149-15#荷载-位移曲线

图5 预应力锚索1-169-15#位移-时间曲线

图6 预应力锚索1-149-15#轴力分布曲线

图7 预应力锚索1-169-15#轴力分布曲线

从图6、图7可以看出，一方面预应力锚索锚固段在张拉过程中，当荷载较小时，锚索轴力主要分布在锚固段的前端。随着荷载的继续增大，轴力向锚固段的远处传递，且锚固段轴力整体上表现出反“S”形曲线表现。同时，随张拉荷载增加，各测试截面轴力均呈增大趋势，靠近内锚起始段轴力较大，向内锚固段末端迅速衰减，轴力分布呈现严重的应力集中和非线性，整体分布形态为指数函数形式。其中内锚固段始端0～10 m范围内应力高度集中，其后急剧衰减。内锚固段轴力在15 m处基本衰减至零，最大传递深度约15 m。荷载较小时，轴力曲线近似呈直线，并且锚固段末端一定范围轴力几乎为0，随着荷载增大，轴力曲线的反“S”形状逐渐表现出来，同时轴力在锚固段中间区域衰减较快，这说明此范围内锚固段侧摩阻力发挥较好。

3.3 锚索锁定后初期锚固段轴力变化分析

锚索预应力损伤大小直接影响到锚固效果和边坡安全。本次监测时间段内，给出锚固段内关键位置测点2 m，8 m，10 m和15 m处的轴力变化情况。锚索自锁定到第4天，锚索锚固段轴力损伤较大，主要是由于钢绞线松弛、外锚变形、内锚段和锚固岩体等综合作用导致的，进而引起内锚段载荷变化，并相互作用。具体表现在各测点轴力变化大，整体呈下降趋势。

从锚索锁定第4天到第15天，锚索锚固段轴力相对变化较小。主要原因是锚固岩体和锚索内锚固段变形影响，并受环境温度及大气降水影响。具体表现在近内锚段起始端测点轴力变化大，持续时间长，且载荷分布明显出现调整。该阶段载荷分布变化规律说明，受岩体或锚固体蠕变和局部变形破坏影响，在个别锚固位置载荷进行了调整，但调整范围较小，说明锚固情况较好。

图8 锚索1-149-15#轴力随时间变化曲线

图9 锚索1-169-15#轴力随时间变化曲线

4 结论

(1)预应力锚索在张拉期间，锚索轴力特征为当荷载较小时，锚索轴力主要分布在锚固段的前端。随着荷载的继续增大，轴力向锚固段的远处传递，且锚固段轴力整体上表现出反“S”形曲线表现。同时，随张拉荷载增加，轴力分布呈现严重的应力集中和非线性，整体分布形态为指数函数形式。

(2)锚索在内锚固段范围内应力高度集中，内锚固段轴力末端处基本衰减至零。随着荷载增大，轴力曲线的反“S”形状逐渐表现出来，同时轴力在锚固段中间区域衰减较快，这说明此范围内锚固段侧摩阻力发挥较好。

(3)锚索在使用期间轴力变化分为两个阶段：第一阶段，通常自锁定到第4天，锚索锚固段轴力损伤较大，主要是由于钢绞线松弛、外锚变形、内锚段和锚固岩体等综合作用导致的，进而引起内锚段载荷变化，并相互作用，锚索各测点轴力变化大，整体呈下降趋势。第二阶段，锚索锚固段轴力相对变化较小。主要原因是锚固岩体和锚索内锚固段变形影响，并受环境温度及大气降水影响。

(4)采用应变测试技术对锚索锚固段钢绞线的应力分布进行监测，精度高，受干扰小反映的数据真实可靠，应变测试技术可作为锚索基试验等各种试验中钢绞线应力分布检测的一种有效方法。