预应力锚索

预应力锚索是一种把钢绞线埋入岩层内部进行预加应力的施工技术,传递主体结构的支护应力到深部稳定岩层的主动支护方式。锚索安设锁紧后,锚索集中应力以45度压力分线传递到支护结构物上,在预应力作用下,围岩产生压缩,可是围岩在锚索的弹性压缩下形成“承载拱”,提高了围岩的整体性和内在抗力,增加其强度,增大围岩的稳定强度。锚索是一种主要承受拉力的杆状构件,通过钻孔及注浆体将钢绞线固定于深部稳定地层中,在被加固体表面对钢绞线张拉产生预应力,张拉后对岩体产生一个直接抗滑力和一个正压力来增加抗滑阻力,从而达到使被加固体稳定和限制其变形的目的.锚索支护能使结构物与围岩连锁在一起共同作用,能使围岩发挥出更大的承载作用,有利于表面结构的稳定,并把结构和共同工作的围岩介质组成复合体,被结构锚固的岩层能更有效地承受负荷产生的拉力和剪力,而且这些力的传递深度也比未经锚固结构的作用大得多通过对锚索施加预应力,能够主动控制岩土体变形,调整岩土体应力状态,有利于岩土体的稳定性.

1 预应力锚索的构成预应力锚索主要由锚固、自由段和紧固头三部分构成.锚索的材料主要有钢绞线、锚具、注浆材料.钢绞线一般采用高强度低松弛钢绞线.锚具的选用应符合《预应力筋专用锚具、夹具和连结器应用技术规程》的规定.注浆材料主要是纯水泥浆或水泥砂浆,水灰比为014～0145,可依据需要掺入适量外加剂,浆体抗压强度不小于30MPa,注浆压力通常为015MPa.在腐蚀性地层中宜选用抗硫酸盐水泥.

(1)锚固段

锚固段是锚索伸入滑动面以下稳定岩土体内的部分,通过锚固体周围地层的抗剪强度承受锚索所传递的拉力.锚固段通过灌浆使锚索与孔壁结成整体,而使孔周稳固岩土体成为承受预应力的载体.锚固段的长度根据锚索受力状态的不同差异比较大.对于注浆拉力型锚索的锚固段破坏是在靠近自由段的位置,成因是灌浆材料与地基间的粘结力逐渐剪切破坏而成,一般这种锚索锚固段长度4～10m,因为超过10m后增加的锚固段,其锚固力增量很小.压力分散型锚索的承载力随整个锚固段长度增加而提高.为防止锚固段钢绞线锈蚀,水泥浆或水泥砂浆保护层厚度不小于20mm.为确保锚索居中定位,应在锚固段中每隔1～2米设置一圈弹性定位片,保证浆体的保护层厚度.

(2)自由段

自由段是传力,是锚索穿过被加固岩土体的段落,其下端为锚固段,上端为紧固头.自由段中的每根钢绞线均被塑料套管所套护,为无粘结钢绞线,灌浆仅使护套与孔壁连结,而钢绞线可在套管自由伸缩,可将张拉段施加的预应力传递到锚固段,并将锚固段的反力传递回紧固头.自由断塑料套管宜选用聚丙烯塑料管,套管内用油脂充填,防止钢绞线锈蚀.

(3)紧固头紧固头是将锚索固定于外锚结构物上的锁定部分,也是施加预应力的张拉部件.紧固头由部分钢绞线、承压钢垫板、锚具及夹片组成.锚索最终锁定后,混凝土封头,混凝土覆盖层厚度不小于20cm.应注意的是垫板下部由于注浆体收缩而形成空洞,为防止锚头腐蚀应对孔口补注浆且对垫板下部注入油脂,让油脂充满空间

2 锚索的分类

锚索的分类大致有以下几种:按锚固施工方法分为注浆型锚固、胀壳式锚固、扩孔型锚固及综合型锚固;按锚固段结构受力状态分为拉力型、压力型及荷载分散型(拉力分散型、压力分散型、拉压力分散型、剪力型)锚索.目前广泛采用的锚索类型为注浆拉力型及注浆压力分散型锚索. 注浆型锚索是采用水泥浆或水泥砂浆将锚索锚固段固结在岩土体稳定部分,而胀壳式锚固是利用胀壳式机械锚头与坚硬岩体挤压形成锚固力.拉力型锚索主要依靠锚固段提供足够抗拔力,在锚索张拉时,临近张拉段处的锚固段的界面呈现最大的粘结摩阻力,在锚固段底部岩土体产生拉应力,且应力集中使锚固段产生较大的拉力,浆体容易拉裂,影响抗拔力.压力分散型锚索是采用无粘结钢绞线,借助按一定间距分布的承载体(无粘结钢绞线末端套以承载板和挤压套),使较大的总拉力值转化为几个作用于承载体上的较小的压缩力,避免了

严重的粘结摩阻应力集中现象,在整个锚固体长度上粘结摩阻应力分布均匀.但由于注浆拉力型锚索结构简单,施工方便,造价低,使用比较广泛.为了改变锚索受拉时候水泥浆体受拉开裂及受剪崩裂这种纯拉变形性状,在锚索制作时,锚固段每隔1米将钢绞线用紧箍环和扩张环固定,灌浆后形成枣核状,呈拉伸与收缩的作用,使钢绞线受拉时对锚固体形成既受拉又部分受压的受力状态,能增加钢绞线在锚固体中的粘结力及摩阻力,改善了锚固体内砂浆的受力性状,这样能避免水泥浆体纯受拉开裂形成通缝

3 锚索的张拉及预应力的损失

在对锚索施加设计张拉力时,锚索中的各股钢丝或钢绞线的平均应力,不应大于钢材极限抗拉强度的60%,当施加超张拉力时,各股钢丝或钢绞线的平均应力, 不宜大于钢材极限抗拉强度的70%.当锚索结构用于加固松散岩土体时,由于张拉作用会引起被加固岩土体产生较大的蠕变和塑性变形,通常采用几次张拉来减少蠕变量,施加初始预应力一般为设计锚固力的50%～80%.若为几级边坡防护应完成下一级开挖及初始预应力施加后再完成上一级边坡的后几次张拉.预应力损失也是应当关注的一点,预应力损失主要发生在张拉至锁定的时候,损失量大概为所施加预应力的10%～20%,主要成因为:钢绞线松弛,锚具滑动和地层压缩蠕变.为减少预应力损失,可选用高强度低松弛的钢绞线或对锚索进行超张拉.锚索自由段为土层时超张拉值为15%～25%,为岩层时宜为10%～15%.

锚索的锚固端长度应在1.0m以上,自由端应在3.0m以上,张拉端应在100~250mm,所以锚索最小长度为4.2m,在设计锚索支护时要求锚索的锚固端必须至少进入巷道稳固层 1.0m 以上.