锚索预应力损失原因及防治措施

锚索预应力损失原因及防治措施

摘要:文章结合工程实践，通过对锚索预应力损失进行分析统计,阐述了预应力损失的原因,提出了避免和减少预应力损失的措施。

关键词:预应力锚索; 应力损失; 影响因素

0 前言

使用预应力锚索对不稳定边坡加固是一种高效经济的实用工程技术。在施工中,实际施加给锚索的预应力值是否达到设计值是关系工程安全的大问题。

本文依托工程为京石客专石家庄隧道工程，工程全线主要采用明挖法施工，由于基坑跨度较大，隧道支护方式主要采用“预应力锚索+钻孔灌注桩的方式”。加上隧道西侧紧邻既有京广铁路线，预应锚索的施工质量直接关系到隧道的整体稳定性，以及既有线的安全，为本项工程的主要风险源之一。本文根据工程中预应力锚索设计、施工的经验以及测试结果的分析,探讨了影响预应力损失的诸多因素,提出了预应力损失的防治措施。

1 锚索预应力损失的分析

实践经验表明,影响预应力损失的因素较多也很复杂,既有材料性能、锚具、张拉设备引起的损失;也有地层、结构物的压缩和徐变引起的损失;另外还与张拉顺序、外界环境条件等有关。主要影响因素如下:

1.1锚索材料对预应力损失的影响

由于锚索在巨大的初始应力作用下会发生变形,从而产生松弛损失。研究表明:不同型号类型的钢材,具有不同的损失值,但有以下共同的性质:

①松弛损失的大小,与张拉应力有关,张拉应力越大,松弛损失就越大。

②松弛损失在张拉后初期几分种内发展最快,24 h 后将完成80 % ,大约20 d 以后,基本上已不再发展。

③松弛损失与材料性能有关,与材料直径、环境温度也有关。

④若在短时间内把钢绞线超张拉一下,并相应持荷一段时间,然后回到原来的张拉力值,则可使钢绞线的松弛损失大大减少。

1.2锚头夹具产生的预应力损失

目前国内生产的各系列锚具都存在夹片回缩问题,据据厂家资料及产品说明,

其中QM、OVM、YM、B&S 型锚具钢绞线的回缩量均为6 mm。因此钢绞线回缩产生的预应力损失可由下式求得

NS = A ·σS = A ·rΔL ·Ey / L

其中, N S 为预应力损失值; A 为钢绞线的截面积;ΔL 为锚具、夹片的变形回缩值; Ey 为钢绞线的弹性模量; L 为自由段的有效长度。

1.3 岩体蠕变引起的预应力损失

由于岩体本身的不连续性和各向异性,受荷区的岩体内部结构各个组成单元在应力作用下将产生塑性压缩或相对变位,且随时间变化,这就是岩体的蠕变。蠕变引起的预应力损失与岩体的软硬及密实程度有关,岩石越坚硬,蠕变越小,预应力损失值也就小。

1.4 张拉系统引起的预应力损失

锚索张拉系统包括油泵、油表、油管和千斤顶等部分。张拉系统的摩阻损失为2 %～4 % ,也就是说油表所反映的张拉力,比千斤顶底部钢绞线的受力要大2 %～4 %。一般张拉都是以油表读数为基础的,故应考虑张拉系统引起的预应力损失量。

1.5混凝土的收缩及蠕变产生的预应力损失

通常锚索的锚头端固定在抗滑桩、框架梁及锚垫墩上,这些混凝土构筑物本身也具有收缩、蠕变性质,且受到较大压力后也会产生一定量的压缩变形进而引起预应力损失。

1.6 爆破与地震等振动或冲击力引起预应力损失

爆破、重型机械和地震力发生的冲击也会引起预应力损失,且该损失量较之长期静荷载作用引起的预应力损失量大得多。研究表明,当在距锚索3m 以内进行爆破时,锚索预应力有明显损失,其预应力损失量比锚索在相似时间受静载作用发生的损失量大36 倍左右。

1.7张拉顺序引起预应力损失

当同一个结构物上有多孔锚索时,理论上讲最合理的张拉方式是同步张拉,但往往受设备的限制,通常是1台设备依次进行张拉,这样当张拉后面的锚索时,由于压应力增大,受荷区进一步产生压缩变形,此时前面己张拉的锚索预应力就会损失一部分。

1.8 降雨及温度变化引起预应力损失

降雨量及降雨历时对锚固力的影响集中反映在岩体裂隙较为发育、渗透系数较大的部位。降雨对锚索预应力的影响主要表现为锚固应力的增加,而且,具有时间滞后效应。但随着裂隙水的消散,增加的锚固预应力也会消散。温度的变化使索体发生变化,从而导致预应力的变化。

2 抑制预应力损失的措施

抑制预应力损失的措施如下:

(1)锚索材料的优选。选用高强度低松弛钢绞线和与之配套的锚固体系,如锚具、锚垫板等。

(2)注重岩体条件的选择。将锚固段置于坚硬完整的岩体中,使锚索有稳定的根基。外锚段桩后或梁下岩土必须密实,以避免应力集中区岩体徐变过大造成预应力损失。

(3)设计时避免张拉力过大。由于锚索预应力损失也与张拉力成正比,张拉力越大,预应力损失越大,设计时尽量避免大吨位,即以多孔位、小吨位为宜。

(4)采用超张拉。结构强度许可的情况下,采用超张拉可使桩(锚梁、锚墩) 后地层处于超压密、超固结状态,减少后期预应力损失。

(5)定期监测补拉。对大型滑坡或重要工程使用预应力锚索时,应设置一定数量的测力计(一般不少于锚孔数的5 %) 。定期观测锚索受力情况,现预应力损失过大,应立即采取补张拉进行弥补。

(6)同步张拉。当同一个结构物上设置多个锚索时,张拉时最好使用多个千斤顶同步张拉。如果没有条件,必须进行循回补张拉,即回过头来再张拉前面的锚索。如果结构物对称时,最好采取对称循环补张拉,最大限度地消除因张拉顺序引起的预应力损失。

(7)避免爆破和大的振动。在锚索施工场地,尽量避免爆破和重型机械振动,若不得不使用时,尽量离锚索远一点,或将锚索张拉锁定工作安排在最后。

(8)采用格构锚固。对上部较为破碎的台阶坡体,采用格构锚固,提高承压梁与坡面接触面积,整体刚度增大,以减少局部或小范围的岩体压缩徐变。

(9)锚索型式设计锚索采用压力分散型锚索,使锚固段剪应力更均匀,也可以改变锚固段区域的应力集中,锚索的水平间距不小于2.5m ,垂直间距不小于3m ,