锚索预应力损失变化规律分析

锚索预应力损失变化规律分析谌 军河海大学土木工程学院 南京 （210098）E-mail：woshishui1130@摘要：目前，预应力锚索加固技术已经得到广泛应用，但对锚索锁定后的预应力变化规律还缺乏系统深入的研究，尤其对锚索预应力的瞬时损失和长期稳定性还缺乏系统全面的认识。

本文简要分析了影响预应力变化的主要因素及变化特点，主要包括锚索材料、施工影响及外部因素等, 对进一步综合归纳预应力变化的规律有一定的参考价值。

关键词:预应力锚索; 应力损失；影响因素; 变化特点1 引言预应力锚固技术的特点是尽可能少地扰动被锚固的土体或者岩体，并通过锚固措施提高土体或者岩体的强度，所以预应力锚固技术是最为高效，经济的加固技术之一，因此得到了各行各业高度重视，并已经得到广泛应用。

由于应力值的长期稳定问题关系到锚固工程的永久安全性, 锚固力损失超过一定值时，将导致其锚固功能的减弱或失效，给工程带来极大的危害，甚至威胁人民生命财产的安全。

所以锚固技术的关键在于其预应力的大小及损失的程度,只有保持足够的恒久预应力,才能达到最佳的锚固效果。

由于岩土体的复杂性，预应力锚固作用机理复杂,影响预应力锚固效果的因素众多,因此需要深入研究锚固的作用机理,研究锚索体的受力过程，指导合理化施工。

本文结合目前一些学者的研究工作，分析了影响锚固力损失的因素与机理，并相应地提出了预防锚固力减少的工程控制措施。

2 影响预应力锚固效果的因素分析2.1 锚固时机对锚固效果的影响锚固时机系指边坡开挖后与加锚时的时间间隔,由于边坡工程通常采用自上而下的分步开挖措施. 因此,加锚过程亦需与之对应地采用边挖边锚. 边坡开挖,改变了岩体原有的应力状态,在临空面产生的同时,岩体产生卸荷松动,不稳定岩体即有可能产生滑动,而岩体一旦产生滑动即具滑动能,所需的锚固力必须克服滑动能而有所增加,因此,选择合适的施锚时机对锚固效果作用甚大.2.2 锚索材料对预应力的影响制造锚索的钢材以高强度低松弛的钢绞线为宜,特别是预应力锚索。

锚索在巨大的初始预应力作用下钢材松弛，长期受荷的钢材预应力松弛损失量通常为5%～10%。

通过对各类钢材进行实验发现：受荷100h后的松弛损失约为受荷1h所产生损失的两倍；约为受荷1000h后应力损失量的80%，约为受荷30年之后损失量的40%。

松弛损失量随着钢材的受荷状况变化。

随着荷载增加，损失在常温下会明显的增加。

钢材预应力值达到75%保证抗拉强度条件下，稳定化了钢丝和钢架线应力损失为1.5%，而普通消除应力钢材的应力损失量为5%～10%。

同时发现，长期受荷的钢材由于徐变引起的变形也会使预应力发生损失，一般这种损失可以忽略不计。

因此，设计张拉时预应力钢材强度利用系数不超过0.65～0.70，超张拉时不超过0.75～0.78，同时要求使用低松弛预应力材料[1]。

此外，锚索索体的耐腐蚀性、耐锈蚀性、加工质量及施工质量的不同等因素都会在不同程度上影响预应力损失，施工时宜选用不易被腐蚀和加工质量较好的钢绞线。

一般钢筋和钢绞线在极限强度60%，70%和80%的应力作用下,张拉1000h的松弛率对比见表1。

表1 钢筋和钢绞线松弛率对比张拉应力与极限应力值的百分比% 60 70 80钢筋的松弛% 415 8 12钢绞线的松弛率% 1 2 4152.3 锚索作用区岩性、断层裂隙引起的应力损失岩体徐变是预应力损失的主要原因。

从预应力锚索结构上分析,岩体的变形主要发生在应力集中区。

由于岩体本身的不连续性和各向异性的存在,受荷区域的岩体内部结构各个组成单元在应变力作用下将产生塑性压缩或相对变位。

岩体在受压情况下变形而更加密实,结构面上会产生额外的压缩,因此锚索产生松弛,使其应力降低,但是它的降低速度随时间的推移而减慢,最终达到平衡状态。

对坚硬的岩石,徐变较小,其预应力损失值也较小, 整体结构岩体区预应力损失值很小,即使在大吨位荷载作用下也是如此。

次块状或断层破碎带岩体区,由于预应力压缩岩体产生变形相对较大,而且变形减少速度比较缓慢,相应因岩体而引起的预应力损失值就大。

锚索作用区自由段岩体跨度较大,容易受到风化等地质作用,松散破碎,在长期应力作用下,受荷区的岩体内部结构各个组成单元在应变力作用下将产生塑性压缩或相对变位,变形除了瞬时变形外,还有一部分变形将随着时间变化而变化,造成荷载损失。

锚索穿过天然的断层裂隙结构面上也会产生额外的压缩,预应力锚索因此而松弛,使其应力降低,但锚索的应力降低速度,随时间的推移而变缓,最终达到平衡状态。

在软弱岩石中,由于应力压缩围岩产生变形较大,而且变形减少速度也较慢,相应因岩体徐变而引起的应力损失比较大,所以在软弱岩体徐变引起的应力损失就大[1]。

以地层压缩1 000 h的徐变呈现的应力损失为基础, 按照岩土分类, 提供地层压缩的应力损失如表2,表2 各种岩土应力损失地层分类 坚石 次坚石 结构紧密未风化软石 碎裂岩硬土散体岩、风化软岩普通土松软地层应力损失% 4 5 6 7 8 ＞102.4 混凝土徐变的影响在长期荷载作用下的混凝土也有徐变特性，不过由于完整性较好，在预应力锚固工程中混凝土尺寸较小，所以混凝土徐变引起的预应力损失较小，一般不超过3%。

2.5 岩体开挖，爆破对预应力的影响岩体的开挖卸载,形成较大的临空面,岩体内部应力得以释放,岩体向临空面方向发生变形,从而增加了预应力值. 这种增加预应力的效应具有明显的时间性,随着施工期的结束,锚固力的变化将逐渐趋缓. 因此,在开挖过程中,要控制开挖速率. 若开挖速率过大,岩体应力快速地进行重分造成锚索短时间内受力过大,导致锚索被拉断或拉脱.爆破的冲击也会引起应力损失,且该损失量较之长期静荷载引起的预应力损失量大。

冲击作用会使固定软弱岩层中锚索的预应力和承载力发生变化,尤其是对稳定性较差的松散围岩会产生较大的影响[2,3]。

2.6 锚索施工对锚固力损失的影响2.6.1 锚索张拉方式对锚固力损失的影响工程中锚索施工时，大多采用整索分级张拉的程序，通常按设计永久锚固力的一定比例，分级进行张拉。

在锚索张拉过程中，采用多级张拉方式，可以使锚索体各钢绞线受力进行充分调整，其锁定损失就小。

2.6.2 回缩量锚固力损失的影响锚杆张拉程序完成后，当千斤顶卸荷时，是靠工作锚板来锁定锚杆的。

锁定时钢绞线均产生一定量的回缩，回缩量大小决定了锚杆预应力损失的大小。

锚杆锁定后回缩量大小与锚夹具的设备和制造工艺有关。

组成外锚头的其它构件，混凝土垫敦，垫板，外锚头的强度和加工，安装质量，也会影响预应力锚杆的锁定损失，这也是设计和施工人员应该注意的问题。

2.6.3 封孔灌浆对锚固力的影响锚索封孔灌浆的目的是对钢绞线进行保护，以减少永久锚固力的损失。

但是，在封孔灌浆时，由于水化热温度使锚索体产生膨胀，将导致一定量的锚固力损失，当锚索张力为1000～3000kN时，锚固力损失一般为15.6～40.5kN。

锚固力损失值的大小与岩体的裂隙率有关，岩体裂隙发育，灌浆时浆液充填了岩体中的裂隙，使岩体产生膨胀变形，则锚固力会有所增加。

张拉值对锚固力的变化也有明显的影响，张拉值越大，锚固力变化绝对值也越大。

3 000 kN 级锚索外锚段灌浆引起的锚固力损失率约为1.7%，1000kN级锚索锚固力损失率约为3%[4]。

2.6.4 钻孔质量对预应力沿程损失的影响由于锚索孔在钻孔时难以钻成直线，而呈弯曲状态，早期锚索张拉时，自由段与岩壁间可能存在一个或多个接触点，这种接触点的存在,将导致摩擦力的产生，从而使锚固力发生沿程损失。

孔斜率越大，锚索预应力损失也越大。

在相同的孔斜率条件下，锚索张拉荷载P 越大，预应力损失也越大，孔斜率小于3%时，最大预应力损失可达11.5%。

锚索的类型对预应力沿程损失也有一定的影响，无粘结锚索由于其采用一次灌浆的方法，灌浆时锚索体呈弯曲状，待浆体凝固后张拉，其沿程损失比有粘结锚索大。

2.7 外界因素对锚索预应力的影响2.7.1 降雨入渗对预应力的影响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。

降雨对岩锚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。

其原因是裂隙被渗水充填后产生湿胀，钢索拉伸，从而使锚固力增加。

现场观测结果还表明，随着裂隙水的消散，增加的锚固预应力也会消散，并基本回到降雨前的预应力水平。

因此，做好边坡的排水与防渗，有利于锚固荷载的长期稳定性。

2.7.2. 温度变化自然环境温度的变化导致岩体温度的变化而影响锚固预应力的变化,夏季温度升高会导致预应力增加,而降温则使预应力减小,在温度和锚索预应力变化之间有一时间间隔。

另外,锚索预应力损失尚与锚孔偏斜率有关,如孔斜率为2%时，3000kN 级锚索预应力沿程损失可达9.7%[7]。

2.8 锚索结构对锚固力的影响分析2.8.1 锚索类型与材料对锚固力的影响(1) 在锚索孔的偏斜率接近的锚索中，无黏结锚索的沿程损失较大，其原因是：无黏结锚索采用一次灌浆的方法，灌浆时锚索体在孔内呈弯曲状态，一旦浆液凝固后再进行张拉，其沿程摩阻损失就大。

(2)全长黏结式锚索，受黏结材料的保护，锚索体与锚索孔的接触点少，故沿程摩阻损失小。

(3)组成锚索体的钢绞线受锚固力锁定时锚具回放及索体松弛等因素的影响，将产生一定量的锚固力减少。

目前，工程应用中常采用低松弛的钢绞线作为锚索体材料，以减少锚固力的损失。

2.8.2 群锚效应对锚固力的影响在群锚张拉过程中，锚索施工对已安装的锚索的锚固力有一定的影响，通常表现为锚固力的损失。

其原因是锚索张拉引起岩体的变形，从而使锚索影响半径范围内的已安装锚索的锚固力降低[5,6]。

2.9 预应力树脂锚杆、锚索锚固失效情况[8]高强度预应力树脂锚杆、锚索, 近年来被广泛用于水利水电工程建设和煤矿巷道支护中, 已经取得了良好的经济技术效益, 这项技术日趋成熟。

所以有必要探讨分析高强度预应力树脂锚杆、锚索锚固失效情况, 为改进支护设计的思路、方法和措施提供依据。

2.9.1 油基树脂锚固剂失效因素（1）搅拌时间的控制树脂锚固剂充分搅拌均匀后,开始进行化学反应并逐渐固化,体积有微量收缩,伴随着放热现象。

当开始固化的瞬间,锚固剂不能受外力搅伴,否则会彻底破坏了锚固剂的力学性能,形成碎砾状固化颗粒,没有粘结力,造成锚固失效。

（2）水对锚固剂的影响树脂锚固剂是一种不溶于水的化学物质。

当锚固剂中混入部分水后, 在固化过程中, 水份慢慢地从胶泥中渗出, 固化体中形成很多大小不等的细小气孔,这种气孔减少了锚固剂的抗拉强度、抗弯强度、弹性模量和粘结力。

使锚杆、锚索锚固后, 达不到锚固力的设计要求, 造成锚固失效。

因此, 应着力控制水物质的介入。

井下钻孔作业后, 应禁止采用水冲刷孔壁, 采用高压风清孔。