劉慶元,王安福,李 勇,聶 彪,沈 簡

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510635)

近年來，隨著巖土錨固新技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的新型錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大量的邊坡加固工程，為保證邊坡穩(wěn)定、工程安全發(fā)揮了重要作用。基于工程實踐的需要，各種錨固新結(jié)構(gòu)也快速發(fā)展：①錨固荷載顯著提高，大噸位錨固工程在壩基及危巖體加固方面得到大量推廣應(yīng)用；②成功研制新型錨筋材料，如FRP(Fiber Reinforced Polymer)錨桿、高分子材料柔性注壓錨桿等；③改進(jìn)特殊工藝型新結(jié)構(gòu)，如傳力可控型錨桿、可回收錨桿、抗震錨桿等[1-4]。然而，目前所有的錨固結(jié)構(gòu)力系平衡原理[5]均為錨固段錨固荷載與外錨頭鎖定荷載之間的平衡，張拉段僅起傳遞荷載的作用。端頭自錨型錨索通過在張拉段設(shè)置自錨器，將全部或部分錨固荷載轉(zhuǎn)化為張拉段錨筋體與巖土層之間的黏聚力，充分利用地層抗力來降低外錨頭荷載，其受力模式為錨固荷載=自錨荷載+外錨頭鎖定荷載[6]，從而使錨固結(jié)構(gòu)周邊地層應(yīng)力分布更加合理，可有效降低外錨頭應(yīng)力腐蝕程度，預(yù)防外錨頭突發(fā)破壞。

自錨器的可靠性、適用性和經(jīng)濟(jì)性是端頭自錨型錨索新結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。本文基于自錨器的作用機(jī)理，通過理論計算與模型試驗，研究自錨器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)要求，以及在工作條件下的應(yīng)力分布特征和自錨性能，以期研制性能穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)化自錨器結(jié)構(gòu)，對成功研究端頭自錨型錨索新結(jié)構(gòu)具有重要作用。

1 作用機(jī)理

端頭自錨型錨索是在現(xiàn)有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新改進(jìn)而成，具備如下優(yōu)點：

1)結(jié)構(gòu)方面。自錨器設(shè)置在張拉段并分段對稱設(shè)置自錨單元，原則上按每2根鋼絞線分1個自錨單元。自錨器既能保證張拉段自由伸長變形，又能實現(xiàn)張拉段錨筋的軸力有效轉(zhuǎn)化為注漿體與孔周巖土層之間的黏結(jié)剪應(yīng)力[7]，且不影響錨固段的錨固能力，確保巖土錨固工程的可靠性。

2)工藝方面。自錨器產(chǎn)品在工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，錨索結(jié)構(gòu)制作、安裝、加工基本沿襲現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力錨索成熟的施工工藝，機(jī)械、材料無特殊要求，僅增加自錨器定位標(biāo)識，改進(jìn)安放工藝，較為簡單。

3)性能方面。端頭自錨型錨索的張拉段自錨荷載可平衡一部分或全部錨固荷載，從而減小外錨頭反力結(jié)構(gòu)截面積，節(jié)約造價。該結(jié)構(gòu)可降低對原坡面的干擾程度，有利于環(huán)保，還可以減小預(yù)應(yīng)力荷載損失，降低外錨頭應(yīng)力腐蝕風(fēng)險，預(yù)防突發(fā)破壞事故。

4)經(jīng)濟(jì)方面。與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索相比，單根端頭自錨型錨索因增設(shè)自錨器及制作、安裝工藝改進(jìn)引起的增加費用約占工程造價的5%～8%，但由于新結(jié)構(gòu)材料利用率提高，且長期有效錨固荷載損失率降低，在相同加固標(biāo)準(zhǔn)條件下其單位工程造價節(jié)約15%～20%。

端頭自錨型錨索的實質(zhì)是在張拉段設(shè)置自錨器，并將錨固段和張拉段有效隔離，通過對錨筋材料不同方向的變形約束，使2段錨筋體與巖土體的黏結(jié)剪應(yīng)力反向分布，實現(xiàn)荷載分擔(dān)。

自錨器的作用過程及錨固體系荷載平衡機(jī)理如下：

1)千斤頂加載張拉過程中，張拉段鋼絞線通過自錨器自由伸長變形，自錨器僅為通道；外加張拉荷載與錨固荷載平衡。

2)千斤頂卸載鎖定過程中，鋼絞線回縮，自錨器鎖定鋼絞線。受變形協(xié)調(diào)作用，在自錨器至隔離體之間的自錨段，注漿體和孔周巖土層接觸面上產(chǎn)生黏結(jié)剪應(yīng)力[7]，該黏結(jié)荷載可以平衡鋼絞線回縮施加在自錨器上的荷載。

3)達(dá)到設(shè)計自錨荷載后，鎖定外錨頭。由于鋼絞線尚未完全松弛，剩余荷載由外錨頭平衡。至此錨固體系達(dá)到最終的力系平衡，即錨固荷載=自錨荷載+外錨頭鎖定荷載。

通過在張拉段設(shè)置自錨器可顯著降低外錨頭應(yīng)力集中水平，且自錨器有效抑制了錨筋回縮，有利于減少錨固荷載損失。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計要點

端頭自錨型錨索自錨器設(shè)計應(yīng)滿足下列要求：

1)規(guī)格。自錨器輪廓尺寸不能影響鉆孔孔徑，且應(yīng)保證錨固體注漿漿液返漿空隙規(guī)格，根據(jù)GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》要求可知

φ0≤φ1-20

(1)

式中：φ0為自錨器輪廓外徑，mm；φ1為預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔孔徑，mm。

另外，自錨器還應(yīng)保證錨筋體和注漿管自由穿過。為了盡量降低錨筋體安置過程的干擾，自錨器的長度應(yīng)盡可能減小。

2)強(qiáng)度。自錨器與錨筋體協(xié)同作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)極限荷載相同原則進(jìn)行控制?？紤]目前錨筋材料主要為高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，截面面積Aa=140 mm2，則單根極限荷載F=fpkAa=260.4 kN。

3)材質(zhì)。在滿足強(qiáng)度條件下，自錨器還應(yīng)具備防腐、抗老化耐久性能以及滿足其他相關(guān)技術(shù)要求[8]，達(dá)到材料性能指標(biāo)不低于45號鋼的要求。

4)其他。自錨器應(yīng)具有良好的自錨性能、松錨性能和重復(fù)使用性能[9]。

2.2 結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)多次設(shè)計改進(jìn)，每個自錨器應(yīng)設(shè)置2個受力孔且對稱分布，其余為通道孔。受力孔可安放夾片對鋼絞線進(jìn)行鎖定，通道孔可自由穿過其余鋼絞線，自錨器結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 自錨器結(jié)構(gòu)示意

自錨器的主要受力結(jié)構(gòu)為承載鋼板，承擔(dān)受力孔鎖定鋼絞線后傳遞過來的荷載，即自錨荷載。為了防止重復(fù)張拉加載過程中，自錨夾片在鋼絞線咬合摩擦阻力作用下發(fā)生松動或脫落，承載鋼板頂面增加限位鋼片，并通過緊固螺栓與承載鋼板聯(lián)結(jié)。

3 應(yīng)力分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

巖土錨固的錨固荷載與地層強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)，結(jié)合工程實踐可知，強(qiáng)風(fēng)化巖層及土層錨固工程鉆孔孔徑一般多為130～150 mm，中風(fēng)化巖層中鉆孔孔徑多為110～130 mm。因此，設(shè)計自錨器承載鋼板結(jié)構(gòu)見圖2。選擇承載鋼板及夾片作為研究對象，其受力三維模型如圖3所示。

圖2 承載鋼板結(jié)構(gòu)(單位:mm)圖3 三維模型

分別對夾片的法向x和軸向y建立力系平衡條件，可得到下列關(guān)系式

∑Fx=0，F(xiàn)N2sinθ-FN1=0

(2)

∑Fy=0，F(xiàn)N2cosθ-F=0

(3)

式中：FN1為夾片內(nèi)側(cè)直立面的法向合力，kN；FN2為夾片外側(cè)斜面上的法向合力，kN；θ為夾片外側(cè)斜面與軸線之間的夾角，(°)。

夾片外側(cè)面與承載鋼板錐形孔密貼，內(nèi)部為圓柱形中空結(jié)構(gòu)。由圖2可知，以θ為銳角的三角形高為50 mm，底寬為(30-18)/2=6 mm，則有cosθ=0.992 88，sinθ=0.119 15，聯(lián)立式(2)、式(3)解得FN1=2 169.9 kN；FN2=2 185.5 kN。

夾片總長38 mm，端部長2 mm。由于自錨荷載是由夾片鎖定鋼絞線后傳遞過來的，則夾片傳遞至承載鋼板受力孔的受力面如圖4深色區(qū)域所示。

圖4 承載鋼板受力孔的受力面示意

該受力面展開后是等腰梯形，其面積A為

A=(2πr+2πR)h/2

(4)

P=FN2/A

(5)

式中：r為受力孔和內(nèi)錨頭接觸處小圓孔處的半徑，取9.0 mm；R為受力孔和內(nèi)錨頭接觸處大圓孔處的半徑，取14.76 mm；h為夾片的高度；P為作用于內(nèi)錨頭圓面的面荷載。

帶入數(shù)值計算得到A=2 985.8 mm2，P=731.97 MPa。將此荷載施加到有限元模型中并進(jìn)行計算分析。

3.2 計算分析

構(gòu)件應(yīng)力及孔道內(nèi)部應(yīng)力分布見圖5。可知，承載鋼板錐形孔平均應(yīng)力為732.0 MPa，最大應(yīng)力為1 441.5 MPa，高應(yīng)力主要分布在961.8～1 281.6 MPa 。

圖5 構(gòu)件及孔道內(nèi)部應(yīng)力分布(單位： MPa)

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 14370—2015《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》，按平均應(yīng)力作為材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，則45號鋼的屈服強(qiáng)度σs=335 MPa<731.97 MPa，而45Mn2鋼的屈服強(qiáng)度σs=735 MPa>731.97 MPa，故自錨器承載鋼板采用45Mn2鋼制作。

由于鋼絞線材料安全系數(shù)按GB 50086—2015取1.8～2.2，則實際每個自錨器上施加荷載332.70～406.77 MPa，對應(yīng)承載鋼板的高應(yīng)力區(qū)大部分小于45Mn2鋼的屈服強(qiáng)度，因此可滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

4 測試試驗

4.1 限位及重復(fù)使用性能測試

自錨器在預(yù)應(yīng)力錨索加載過程中起通道作用，但是實際存在摩擦阻力。若承載鋼板夾片向外自由運動，則該摩擦阻力可能將夾片帶出錐形孔，無法實現(xiàn)自錨功能。如果夾片夾持鋼絞線過緊，在加載過程中可能損傷鋼絞線，無法保證重復(fù)使用功能。為此需測試自錨器與鋼絞線之間的摩擦阻力及鋼絞線的受損情況。

試驗分3組進(jìn)行，每組加工2根1.5 m長鋼絞線，并在對應(yīng)限位片位置作標(biāo)識；按對應(yīng)標(biāo)識安裝自錨器；將自錨器限位片外露的2根鋼絞線在試驗臺上穿過千斤頂，再將自錨器和千斤頂調(diào)整至軸心重合后固定；2根鋼絞線同步緩慢張拉，直至鋼絞線發(fā)生明顯位移(位移達(dá)2 mm)或荷載不再增加為止。此時的荷載即為自錨器的第1次限位荷載。千斤頂卸載后，按照鋼絞線標(biāo)識位置重新安裝自錨器，再按上述步驟重新測試限位荷載。2次限位荷載試驗結(jié)果見表1[6]。由表1 可以計算出自錨器的限位荷載均約為40 kN/孔。

表1 限位荷載試驗記錄

考慮自錨器后端(即限位片側(cè))與注漿凝固體完全脫空導(dǎo)致限位片外側(cè)無側(cè)向壓力的最不利情況，自錨器限位荷載全部作用在4個緊固螺栓上，每根螺栓受力20 kN，螺桿直徑10 mm，采用HRB335鋼材，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為300 MPa，則單根螺桿可承受抗拉荷載為23.55 kN，滿足限位荷載要求。

觀察鋼絞線表面受損情況[10]，發(fā)現(xiàn)僅局部有刮痕，說明自錨器在重復(fù)張拉加載過程中對鋼絞線性能幾乎沒有影響。測試后的鋼絞線受損情況見圖6。

圖6 限位荷載試驗后鋼絞線受損情況

4.2 自錨荷載試驗

在現(xiàn)場進(jìn)行3組平行模擬試驗，編號為MS1～MS3。錨索總長度分別為12，14，16 m，錨固段長均為8 m，隔離段長均為1 m，分別在距離孔口1，2，3 m處開始設(shè)置自錨段，自錨單元長分別為2，3，4 m。在錨索張拉段對應(yīng)位置安裝自錨器、應(yīng)力計并限位緊固，然后穿進(jìn)混凝土模型槽孔道內(nèi)注漿。齡期達(dá)到后，按照規(guī)范GB 50086—2015要求，取鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度的0.85倍(即單根221.34 kN，每自錨單元設(shè)2根共442.68 kN)為最大荷載，分別按最大荷載的0.1，0.25，0.5，0.75，1.0倍逐級循環(huán)加載，每級荷載穩(wěn)壓10 min，記錄加載過程中自錨器上應(yīng)力計的數(shù)值并觀察穩(wěn)壓時試驗變形情況。試驗結(jié)果見表2。可知，自錨器在鋼絞線屈服荷載條件下仍能正常工作。自錨荷載作用穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計合理。

表2 自錨荷載試驗結(jié)果

5 結(jié)論

1)端頭自錨型錨索的自錨器由承載鋼板、限位片和緊固螺栓組成。承載鋼板采用45Mn2鋼制作，限位片和緊固螺栓采用HRB335鋼材制作；承載鋼板設(shè)置2個錐形受力孔且對稱分布，其余為通道孔。

2)自錨器在預(yù)應(yīng)力錨索極限荷載作用下，平均應(yīng)力為731.97 MPa，最大應(yīng)力為 1 441.5 MPa，高應(yīng)力主要分布在961.75～1 281.6 MPa，材料強(qiáng)度滿足要求。

3)模型試驗測試自錨器限位荷載為40 kN/孔，自錨荷載能達(dá)到鋼絞線屈服強(qiáng)度442.68 kN，自錨器結(jié)構(gòu)具備錨固荷載全部自錨能力。