劉慶元，朱本珍

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司 南方分院，廣東 深圳 518048)

1 既有預(yù)應(yīng)力錨索概述

自20世紀(jì)50年代預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)大面積應(yīng)用于實(shí)際工程以來(lái)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)也不斷改進(jìn)，先后研制出普通拉力型、普通壓力型、壓力分散型、拉力分散型和拉壓分散型等多種預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，在不同地層、不同的建筑行業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力錨索作用原理如圖1，從圖1可以看出，目前應(yīng)用的所有預(yù)應(yīng)力錨索的作用方式均為錨固段的綜合作用力與反力結(jié)構(gòu)之間的對(duì)拉作用，而張拉段只是作為傳力機(jī)構(gòu)而存在。

圖1 常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索力系示意

實(shí)際上，張拉段地層作為整個(gè)錨固能量場(chǎng)中的一部分，目前的預(yù)應(yīng)力錨索并沒(méi)有有效發(fā)揮其能量場(chǎng)的作用，既有預(yù)應(yīng)力錨索的不足有:①因錨固荷載需要反力結(jié)構(gòu)進(jìn)行平衡，而反力結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土組成，導(dǎo)致施工難度大，在特殊搶險(xiǎn)工程中發(fā)揮作用較緩;②因一般錨固部位淺表層巖(土)層力學(xué)強(qiáng)度較低，為了保證荷載平衡，只有采取降低錨固荷載或增大反力結(jié)構(gòu)截面來(lái)彌補(bǔ)，造成材料浪費(fèi)，由于反力結(jié)構(gòu)上基本受集中荷載作用，容易因外錨頭部位局部缺陷誘發(fā)突發(fā)性事故。③因張拉段地層在力系中只起傳遞作用，而該段地層在張拉過(guò)程中一般有部分巖(土)體被破壞，在鎖定后期有應(yīng)力場(chǎng)的重新調(diào)整而產(chǎn)生變形，加劇錨固荷載的損失。④由于既有預(yù)應(yīng)力錨索存在材料浪費(fèi)、施工難度較大及荷載損失嚴(yán)重等局限性，導(dǎo)致實(shí)際工程造價(jià)偏高。

因此，研究一種新型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，能夠充分利用張拉段地層的能量場(chǎng)，改善力系平衡模式，力求材料利用效率均衡，減少錨固荷載損失，將對(duì)工程實(shí)際有著重要的意義。

2 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)

2.1 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的作用機(jī)理

自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索主要是利用張拉段孔周巖(土)層的黏結(jié)強(qiáng)度提供的錨固抗力，部分或全部平衡錨固荷載，從而降低反力結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載或取消反力結(jié)構(gòu)，使預(yù)應(yīng)力錨索的整體應(yīng)力場(chǎng)更趨均勻分布，避免應(yīng)力集中所引起的安全隱患，達(dá)到錨固段、張拉段和反力結(jié)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)力系平衡的效果。

圖2 自鎖器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

2.2 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的實(shí)質(zhì)是在常規(guī)錨索結(jié)構(gòu)的張拉段上設(shè)置自鎖器，通過(guò)自鎖器與錨索之間的鎖定作用，將自鎖器與孔周巖(土)層間的黏結(jié)強(qiáng)度傳遞至錨索上，從而提供自鎖荷載。其核心結(jié)構(gòu)為自鎖器，自鎖器結(jié)構(gòu)見圖2。在張拉段錯(cuò)開設(shè)置反鎖鋼質(zhì)承載體，在反鎖承載體上預(yù)先安裝夾片，并采用鋼質(zhì)限位片防止張拉過(guò)程中夾片脫落，達(dá)到分級(jí)張拉、張拉段內(nèi)部鎖定和取消反力結(jié)構(gòu)的目的。另外，為了防止錨固段和自鎖段注漿體形成剛性柱，在錨固段和自鎖段之間設(shè)置彈性隔離體，實(shí)現(xiàn)錨固段和自鎖段的作用荷載有效傳遞至孔周地層。自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)示意

3 自鎖性能試驗(yàn)

3.1 模型試驗(yàn)

3.1.1 夾片正常工作最小荷載

在安裝自鎖器過(guò)程中，因夾片不一定能完全陷入承載鋼板圓臺(tái)形孔內(nèi)，導(dǎo)致承載鋼板對(duì)夾片的支撐力無(wú)法正常提供，影響夾片之間與鋼絞線之間的咬合作用，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效限制鋼絞線反向位移，影響自鎖性能。為此，需要通過(guò)試驗(yàn)確定夾片完全陷入承載鋼板圓臺(tái)形孔內(nèi)時(shí)在夾片后端施加的最小荷載，該荷載即為自鎖器夾片正常工作最小荷載。試驗(yàn)結(jié)果見表1。夾片正常工作最小荷載可以近似取為100 kN/孔，即要求每個(gè)自鎖器連接螺栓能施加和承受的荷載不得小于200 kN。

3.1.2 自鎖器最小工作荷載試驗(yàn)

自鎖器在預(yù)應(yīng)力錨索加載過(guò)程中，僅起通道作用，但是實(shí)際存在摩擦阻力，為了保證外加荷載有效傳遞至錨固段，需通過(guò)試驗(yàn)獲取自鎖器與鋼絞線之間的摩擦阻力即自鎖器最小工作荷載。試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可以計(jì)算出自鎖器的最小工作荷載為40 kN/孔。

表1 夾片正常工作最小荷載試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì) kN

表2 自鎖器最小工作荷載試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì) kN

由上述兩組模型試驗(yàn)可看出，為了使自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索能正常工作，按組成錨索的鋼絞線進(jìn)行計(jì)算，其設(shè)計(jì)荷載不得小于100 kN/束。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了得到比較精確的自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索自鎖荷載和應(yīng)力變化的數(shù)據(jù)，以便對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)機(jī)理分析，分別在每個(gè)單元的自鎖器后布置兩個(gè)應(yīng)力計(jì)，并在孔口布置一個(gè)應(yīng)力計(jì)，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案布置見圖4。

由于錨索鋼絞線與孔內(nèi)漿體黏結(jié)劑之間存在摩擦阻力，因此作用在自鎖器上的施加荷載 Pu、摩擦阻力P0以及千斤頂?shù)膹埨a之間有如下計(jì)算關(guān)系

圖4 自鎖荷載測(cè)試試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)各單元分別進(jìn)行分級(jí)張拉，測(cè)量三個(gè)自鎖單元自鎖器后面的測(cè)力計(jì)隨自鎖器施加的荷載變化情況。

通過(guò)對(duì)自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索MS1、MS2、MS3三個(gè)單元的分級(jí)加載、卸載，得到各自鎖器的自鎖荷載，見圖5～圖7。

圖5 MS1自鎖單元施加荷載與自鎖荷載關(guān)系

圖6 MS2自鎖單元施加荷載與自鎖荷載關(guān)系

圖7 MS3自鎖單元施加荷載與自鎖荷載關(guān)系

1)施加在自鎖器上的荷載Pu與自鎖器的自鎖荷載Ps成近似的線性關(guān)系。施加在自鎖器的荷載Pu較小時(shí)，自鎖器的自鎖荷載Ps增幅較小;施加在自鎖器的荷載Pu較大時(shí)，自鎖器的自鎖荷載Ps增幅較大。

2)自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索MS1、MS2、MS3的自鎖荷載效率(Ps/Pu)分別為71.6%，74.7%，72.5%。自鎖器的自鎖效率較高，都達(dá)到70%以上，但是由于存在預(yù)應(yīng)力錨索本身的鋼絞線和塑料套管之間的摩擦力、自鎖器中裸露的鋼絞線和水泥柱漿體的黏結(jié)力等影響因素，實(shí)際施加在自鎖器上的荷載 Pu要小一些，故實(shí)際的自鎖器自鎖效率要高一些，自鎖效果更好些，達(dá)到自鎖器設(shè)計(jì)的目的。

3)從本次試驗(yàn)來(lái)看，施加在 MS2、MS3自鎖器上的荷載幾乎對(duì)MS1自鎖器上的荷載沒(méi)有影響;施加在MS3自鎖器上的荷載幾乎對(duì)MS2自鎖器上的荷載沒(méi)有影響，各單元實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立自鎖的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

1)自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索是在常規(guī)錨索結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)自鎖器，充分利用張拉段地層能量場(chǎng)，改善錨固應(yīng)力場(chǎng)分布，具有荷載分布均勻、降低反力結(jié)構(gòu)規(guī)?；蛉∠戳Y(jié)構(gòu)、施工便捷、延緩錨固荷載損失、預(yù)防預(yù)應(yīng)力錨索突發(fā)事故、節(jié)約造價(jià)、便于環(huán)保等特點(diǎn)。

2)自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索可在所有常規(guī)錨索結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)在張拉段設(shè)置自鎖器實(shí)現(xiàn)自鎖，因此其錨固段可根據(jù)地層情況靈活設(shè)置其結(jié)構(gòu)形式。

3)模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，保證自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索正常工作的最小設(shè)計(jì)荷載不得小于100 kN/束。

4)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)證明自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索具有較高的自鎖能力，從而能有效發(fā)揮張拉段地層提供錨固荷載的平衡荷載，降低反力結(jié)構(gòu)提供的平衡荷載。

5)自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索是一種雙向錨固的新型錨索結(jié)構(gòu)。它是通過(guò)張拉段的鋼絞線，使鉆孔底部的內(nèi)錨固段和自鎖器錨固段的水泥漿柱都承受壓力，注漿體與巖(土)體黏結(jié)應(yīng)力將自鎖器的壓力傳遞給巖(土)體，達(dá)到防護(hù)巖(土)體的目的。注漿體都受壓，不易導(dǎo)致拉裂破壞，而且是剪壓受力模式，有利于自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索的防腐。

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