预应力锚索作用机理及预应力损失因素初探

预应力锚索作用机理及预应力损失因素初探
摘要：边坡预应力锚索加固技术是一种利用岩土体自身强度主动加固方式，预应力锚索施工过程中尽可能减少对被锚固土体或岩体的扰动，影响锚索预应力损失的原因很多，主要有锚索体材料的应力松弛、岩体变形、混凝土的收缩及蠕变、张拉顺序、环境因素以及锚具和张拉设备引起的预应力损失，本文探讨了其破坏机理与影响因素。

关键词：预应力锚索，作用机理，影响因素
边坡预应力锚索加固技术是一种利用岩土体自身强度
主动加固方式，预应力锚索施工过程中尽可能减少对被锚固土体或岩体的扰动，最大程度避免了对既有边坡的整体性产生进一步的破坏，并通过锚固技术合理地利用边坡岩体或土体自身强度，具有保护边坡原有结构，造价低等特点，被广泛应用于铁路、公路等边坡滑坡治理和加固工程中。

1、预应力锚索的作用机理
预应力锚索比较细长,不能提供弯曲抗力，仅能提供轴向抗拉，是一维结构单元，其通过外端固定于坡面，另一端穿过边坡滑动面，锚固于边坡内部稳定岩土体中，通过锚索施加的预应力，加大滑移面上的法向压力，从而产生抗滑阻力，
使边坡岩土体的结构面处于受压状态，从而增大抗滑阻力，以提高边坡岩土体的整体性，改善岩土体的力学性能，有效控制岩体的位移，增加边坡稳定性，达到治理滑坡及危岩危石的目的。

预应力锚索锚固作用主要有两种，其一是锚索的物理效应，即使岩体复合成一体，从而提高岩体的整体稳定性；其二是对边坡表面提供压力以约束边坡向临空方向产生变形。

（1）锚索的物理效应
锚索的物理效应是通过改变边坡岩土体一系列的物理性质达到的，例如，压力注浆材料通过锚索孔扩散到岩体裂隙以及结构面中，从而改善提高了边坡岩体结构面的力学性能，进而提高边坡岩体的整体性；预应力锚索的预紧力产生的法向拉力一方面通过外置锚头作用于边坡表面，另一方面通过锚固段注浆材料和岩体之间的粘结作用于岩体内部，使边坡岩体成为由锚索、注浆体和岩体相互作用的复合体，增加了岩体整体刚度，从而提高岩体的整体稳定性。

（2）锚固的力学效应
锚索锚固岩土体的力学效应主要体现为边坡表面锚索的自由端张拉锁定施加预应力之后，弥补了边坡原有的应力，使边坡由双向受力状态恢复为三向受力状态，边坡岩土体应力的产生二次重分布，使其内部的初始裂隙闭合，进而提高边坡岩土体的整体刚度。

对于边坡岩体而言，预应力锚
索对边坡压应力作用阻碍岩层分离，有效控制岩体的位移；加大岩层和滑移面间的摩擦力，且锚索本身的抗剪切作用可以阻碍岩层间的相对滑动，使岩层夹紧形成组合梁，从而提高岩层的承载能力。

综上所述，预应力锚固技术其锚固作用的主要特点为：
(1) 受力合理。

能充分利用岩土体的抗剪强度平衡结构物的拉力，积极调用岩土体的自身强度和自稳能力，因而能大量节约建筑材料和工程投资。

(2) 主动抗衡。

锚索安装后即能提供足够的抗力，有效的限制岩土体的位移。

(3) 改善岩土体的应力状态，能有效控制岩土体及工程结构的变形，增强了岩土工程的稳定性，并能使较弱结构面上或滑移面上的抗剪强度得以提高，同时能保证工程的长期稳定性。

2、锚索预应力损失主要因素
影响锚索预应力损失的原因很多，主要有锚索体材料的应力松弛、岩体变形、混凝土的收缩及蠕变、张拉顺序、环境因素以及锚具和张拉设备引起的预应力损失，锚索预应力损失具体表现为以下几个方面：
（1）锚索体材料的应力松弛
预应力锚索在张拉后，锚索在长期高拉应力轴向荷载作用下，产生应力松弛而导致锚索体材料的预应力损失。

应力
松弛损失与锚索体材料性能、钢材的型号、所处环境温度有很大的关系，但钢材的应力松弛导致的预应力损失一般在5%～10%之间。

钢材的应力松弛大小与张拉荷载的大小有关，张拉应力越大，松弛损失就越大，实验表明，当施加的预应力超过钢材强度标准值的50%时，应力松弛值增长显著。

应力松弛在张拉后初期发展迅速，1天之后预应力损失达到80% ,大约20天以后，应力松弛曲线趋于极限，松弛基本上不再发展。

（2）边坡岩土体的变形
岩土体在锚索预应力以及原岩应力作用下，会发生蠕变现象，应变逐渐增大，导致锚索预应力减小。

蠕变引起的预应力损失与岩体的软硬以及密实程度密切相关，岩石越坚硬，蠕变越小，预应力损失值相应的也比较小。

岩体的结构完整性是影响岩体变形的重要因素，自然地质条件下的岩体存在大量结构面、节理、裂隙等，在锚索施加预应力的作用下时，这些裂隙趋于闭合，从而导致锚索预应力损失。

在施加预应力初期，岩体压缩变形显著，预应力损失明显。

边坡在施工过程中，由于开挖形成临空面，边坡内部应力重分布，岩体向临空面发生变形，导致锚索张拉而产生预应力增大的趋势，但这种趋势随时间的增长逐渐趋缓。

（3）锚具和张拉设备引起的预应力损失
锚具不可避免的存在夹片回缩问题，因此锚头夹具是产
生的预应力损失的又一重要因素。

锚索张拉系统一般由油泵、油表、油管和千斤顶等部分组成。

张拉系统的摩阻损失为2%～4%左右，因此油表所显示的张拉力，比千斤顶底部钢绞线的受力实际值要大2%～4%左右。

一般情况下张拉都是以油表读数为基础的,因此应考虑张拉系统引起的预应力的损失量。

（4）混凝土的收缩以及蠕变导致的预应力损失
锚索的锚头端通常固定在抗滑桩、框架梁或锚垫墩上，混凝土本身具有收缩和蠕变性质，因此在施加预应力后，混凝土构件会产生相应的压缩变形从而导致预应力损失。

（5）张拉顺序引起预应力损失
当边坡上有多个孔锚索时，比较合理的张拉方式应该是同步张拉，但往往受设备以及施工环境的限制，通常有一台或几台设备依次进行张拉，如果采用顺序张拉方式，当张拉后面的锚索时，由于边坡所受压应力增大，导致边坡进一步产生压缩变形，此时最初张拉的锚索预应力不可避免就会损失一部分。

张拉顺序应考虑对邻近锚索的影响以及尽量减少预应力损失，因此多采用隔位张拉。

（6）环境因素引起的预应力损失
环境对锚固力的影响主要集中反映在岩体裂隙较为发育、渗透系数较大的区域。

雨水或地下水渗入岩体裂隙或锚孔，如果裂隙内存在诸
如膨胀土等遇水膨胀或耐崩解性较低的岩土体介质，会加剧裂隙的扩展；在北方地区，裂隙中的水的冻融也会造成裂隙加大。

总之，一般情况下环境因素对锚索预应力的影响主要体现在锚固应力的增加上，并且具有时间滞后效应。

但随着裂隙水的逐渐消散，增加的锚固预应力也会随之消失。

（7）爆破与地震等冲击力引起的预应力损失
边坡开挖过程中爆破、重型机械或地震力发生的冲击力会造成锚索预应力大量损失，且该损失量较之边坡所受静荷载作用引起的锚索预应力损失量要大得多。

大量工程经验表明，当在距锚索3m之内进行爆破作业时，锚索预应力损失明显，其预应力损失量要比锚索在相同时间受静载作用发生的预应力损失量大36倍。

3、结论
文章初步介绍了预应力锚索边坡加固的基本原理及边坡使用过程中锚索预应力损失的基本原因，为预应力锚索加固边坡工程设计施工提供了有益的参考。

尽管预应力锚索边坡加固理论已经取得了一定的成果，但是仍然处于探索和研究的阶段。

在我国的相关设计施工规范中，还没有对其具体设计计算原则和施工方法做出相应的规定和说明。

目前，大多数设计施工单位都是按照已有的工程经验结合工程实践进行设计施工，理论研究远远落后于工程实践。

随着理论水平和新施工工艺的不断发展，预应力锚索在边坡加固工程中
将得到进一步的发展。

作者介绍：木鑫泽，男，1976年出生，1996年毕业于浙江大学工程管理专业，本科，工程师。

单位：温州市区湾区交通工程建设指挥部。