壓力分散型錨索不宜作為永久性錨索

1、壓力分散型錨索不宜作為永久性錨索劉玉堂 袁培中 白彥光（總參工程兵科研三所，洛陽 471023）摘要：壓力分散型錨索是近期出現(xiàn)的新型錨索，2005年批準(zhǔn)執(zhí)行的巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程又將其推薦為永久性錨索，大大拓寬了它在工程應(yīng)用中的范圍，從發(fā)表的論文看不少單位還在深入研究。本文詳細闡述了壓力分散型錨索產(chǎn)生的背景、結(jié)構(gòu)和受力特點，全面分析了在巖土加固中用于永久支護時存在的問題，明確提出，在巖土加固中壓力分散型錨索既不宜作為觀測錨索，也不宜作為永久性工程錨索使用。關(guān)鍵詞：巖土錨固，加固，錨索1. 壓力分散型錨索產(chǎn)生的背景在我國應(yīng)用最早也最多的是二次注漿全長粘結(jié)拉力型預(yù)應(yīng)力錨索，錨固段受拉剪作用，工程

2、中常稱為于拉力型。在工程實踐和實驗中發(fā)現(xiàn)，巖石中的拉力型錨索，在錨固段和張拉段的交界處注漿體將被拉裂，錨索拉力較大時甚至?xí)榱岩欢ㄉ疃?；在軟巖和土中的拉力型錨索，錨固段的注漿體將被拉斷，像香腸一樣一段段串在鋼絞線上。無論哪種情況，錨索都在受力的關(guān)鍵部位失去防護而影響使用壽命。為了克服拉力型錨索的缺點，上世紀(jì)80年代有人提出壓力型錨索的設(shè)想。壓力型錨索是通過處于孔的承壓板把錨索的拉力轉(zhuǎn)換為對注漿體的壓力，如圖1所示, 注漿體受壓，不會產(chǎn)生拉裂破壞。圖1 普通壓力型錨索由于錨索的拉力全部壓在注漿體上，注漿體的受力面積（取決于鉆孔的直徑）和設(shè)計強度決定了錨索的最大設(shè)計拉力，經(jīng)濟性限定了錨索鉆孔的直徑

3、不可能太大，可操作性又限定了注漿體的設(shè)計強度不可能太高，錨索的設(shè)計拉力受到限制。這是壓力型錨索的雛形出現(xiàn)后多年來一直未在工程中推廣的障礙。我國錨索工作者把孔底的承壓板分成若干個布置在鉆孔不同深度處，錨索的拉力分散加壓于不同深度處的注漿體上，減小了注漿體上的壓強，正是這一巧妙的構(gòu)思，壓力型錨索才得以在工程中應(yīng)用和推廣，并定名為壓力分散型錨索。2. 壓力分散型錨索的結(jié)構(gòu)工程中已應(yīng)用的壓力分散型錨索有兩種:第一種，承壓板式壓力分散型錨索，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。組成壓力型錨索的受力筋是無粘結(jié)鋼絞線，注漿體與鋼絞線間由PE管隔離，不傳遞剪應(yīng)力, 鋼絞線的端頭被擠壓套限位于承壓板,把錨索的拉力轉(zhuǎn)換為對注漿體的

4、壓力。每個承壓板上鋼絞線的根數(shù)，由鉆孔直徑、注漿體設(shè)計強度和每根鋼絞線的設(shè)計拉力確定；承壓板的間距由承壓板上的設(shè)計壓力、鉆孔直徑和注漿體與孔壁間的抗剪強度確定；每根錨索采用的承壓板數(shù)量由錨索的設(shè)計拉力確定，在理論上，錨索的設(shè)計拉力不受限制。這種壓力分散型錨索在我國出現(xiàn)最早，應(yīng)用也較普遍;圖2 承壓板式壓力分散型錨索第二種，可拆除式壓力分散型錨索，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是上世紀(jì)末由日本引進，主要用于受紅線限制的基坑臨時支護工程。每根鋼線從張拉端開始，繞過承載體再回到張拉端。因此，這種錨索的鋼絞線總是成對（偶數(shù)），不能用于由奇數(shù)鋼絞線組成的錨索。拆除錨索時，去掉錨具，張拉1根鋼絞線的端頭，即可將

5、整根鋼絞線從孔內(nèi)抽出，所以，剛引進時叫做“可回收錨索”，也有人稱為可拆芯錨索。錨索的拉力迫使處于鉆孔不同深度處的承載體壓縮注漿體，巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程1特別推薦它為“永久性壓力分散型錨桿”。圖3是從規(guī)程復(fù)制過來的，屬于隔離防護，隔離層只有1層PE套管，整個錨索不設(shè)對中支架，當(dāng)錨索向孔中推送時，PE管將直接與孔壁接觸，磨破的幾率是很高的。 PE套管磨破后，錨索失去保護,其永久性便受到威脅。這種錨索本來是用作臨時支護，規(guī)程把他推薦為永久錨索是不恰當(dāng)?shù)?。圖3 永久性壓力分散型錨桿1錨具；2墊座；3鉆孔，4隔離環(huán)；5無粘結(jié)鋼絞線；6承載體；7水泥漿體；;8注漿管；9保護罩L1、L2、L3、L41、.

6、2、3、4單元錨桿的錨固段長度；Lf4單元錨桿的自由段長度。3. 壓力分散型錨索的優(yōu)點（1）錨固段注漿體受力合理無論是水泥砂漿或者水泥漿，硬化后都屬于脆性材料，抗壓強度高，抗拉強度低。壓力分散型錨索不僅充分利用了注漿體的強度特點，而且注漿體受壓時受孔壁的限制，抗壓強度還可以提高。壓力分散型錨索錨固段注漿體受壓剪作用，由于不受拉力，不會產(chǎn)生拉裂破壞。（2）錨固段注漿體體受力均勻由于錨索的拉力分散加壓于處于鉆孔不同深度處的注漿體上，減小了注漿體的壓應(yīng)力集中，既避免了注漿體壓碎的危險，也使得錨固段注漿體受力更加均勻。（3）錨索的單孔設(shè)計承載力可以很大據(jù)報道，目前我國單根錨索最大設(shè)計承載力為10兆牛，

7、屬拉力型錨索。云南漫灣水電站設(shè)計有6兆牛拉力型錨索，在工程錨索施工前曾做3根試驗錨索。試驗后用簡單的工具探測到錨固段注漿體破碎深度已達100mm，錨固段拉裂的深度還要大?？梢灶A(yù)料，10兆牛錨索錨固段注漿體破壞的深度將會更大，設(shè)計承載力越大，錨固段破壞的深度越深。如果采用壓力分散型錨索，單孔設(shè)計承載力做到10兆牛甚至更大，也不會壓碎錨固段注漿體，無非承壓板多設(shè)幾級。文獻2羅列了壓力分散型錨索13條優(yōu)點，有的是對錨索的防護原理缺乏認(rèn)識，有的是對壓力分散型錨索的受力機理沒有認(rèn)識，更多的是把本無可比性的兩類錨索無粘結(jié)錨索和粘結(jié)錨索-對比后列為壓力分散型錨索的優(yōu)點是不可取的。4. 壓力分散型錨索的缺點（

8、1）施工時操作繁瑣同一根錨索的鋼絞線長度不等，同一個工地錨索的設(shè)計長度往往也有多種，這就給錨索的工業(yè)化生產(chǎn)帶來難度；錨索組裝完還必須在每根鋼絞線張拉端的端頭標(biāo)注表示鋼絞線長短的可靠標(biāo)記，張拉時，根據(jù)鋼絞線上的標(biāo)記，按照預(yù)先計算好的每個根鋼絞線的拉力逐根張拉和錨固，最后再整體張拉。（2）調(diào)整錨索的預(yù)應(yīng)力不方便壓力分散型錨索屬于無粘結(jié)錨索，這類錨索的共性之一是錨索的拉力能根據(jù)需要逐時增減其大小。調(diào)整預(yù)應(yīng)力的傳統(tǒng)方法是采用螺紋法或墊片法，不改變夾片咬合鋼絞線的位置即可調(diào)整張拉段的長度，達到調(diào)整錨索預(yù)應(yīng)力的目的。壓力分散型錨索張拉段的長度不等，由于巖體變形使得同根錨索的各鋼絞絞線拉力不等，無法整體調(diào)整

9、，只能采用超張拉的方法把夾片從錨板中拔出，采用更改夾片咬合鋼絞線位置的方法調(diào)整張拉段的長度。這種方法有三個缺點：第一，麻煩。把夾片從錨板中拔出時必須采用專門的支架，一根根進行；第二，加重了夾片對鋼絞線的損傷。一般調(diào)整的長度不超過夾片的長度，必然有一部分鋼絞線是被夾片重復(fù)咬合，夾片對鋼絞線的咬合本來就是對鋼絞線的損傷，調(diào)整預(yù)應(yīng)力必將加重這種損傷；第三，操作時不安全。尤其對于需要減小預(yù)應(yīng)力的錨索，錨索的平均拉力本已超過設(shè)計值，為了把夾片拔出必須再疊加一些拉力，對于錨索中最短的鋼絞線，需要疊加的力更大，把鋼絞線拉斷的幾率是很高的。（3）長期工作中錨索各根鋼絞線受力不均勻由于壓力分散型錨索各根鋼絞線張

10、拉段的長短不同，施工時，無論采用分次補償張拉或者采用小千斤頂分組張拉，總可以做到各根鋼絞線受力一致。長期使用中，由于巖體的壓縮或松弛等原因,可引起巖體表面向巖體內(nèi)部變形，更多的情況是向外位移，這些位移量對所有的鋼絞線都相等，而張拉段的長度不相等,從而引起各根鋼絞線拉應(yīng)力的差異。不僅錨索，對其它結(jié)構(gòu)也一樣，只要其組件是非等應(yīng)力工作，都不能認(rèn)為是好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，何況巖體向外變形足夠大還有把最短的鋼絞線拉斷的危險。（4）不能做錨索的極限承載力試驗和性能試驗一些重要錨固工程，要求做錨索的極限承載力試驗和錨索的性能試驗，以掌握錨索在工程加固中的設(shè)計安全儲備和錨索在該工程中的受力性能。作這兩項實驗必須采用整

11、體張拉的方法,以便與錨索的實際工作狀態(tài)一致。由于千斤頂?shù)纳扉L對所有鋼絞線是一樣的，在張拉段較長的鋼絞線尚有一定安全儲備的情況下，最短的鋼絞線已經(jīng)首先斷裂。宜興一個抽水蓄能電站，選用3000kN級壓力分散型錨索加固巖體，在做錨索的極限承載力試驗時，本應(yīng)拉到5000kN以上，實際拉到4000kN最短的鋼絞線已經(jīng)斷裂。5. 壓力分散型錨索不宜作為永久錨索使用巖土加固中永久性錨索有兩種用途，一種是觀測錨索，一種是工程加固錨索。有些錨索，如拉力型無粘結(jié)錨索，既可以作為觀測錨索，也可以作為工程加固錨索；有些錨索，如全長粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，只能用于工程加固，不能用于觀測錨索；壓力分散型錨索既不宜用作觀測錨索，也

12、不宜用作工程加固錨索。觀測錨索的作用是用于大致掌握工程錨索長期使用中的受力狀態(tài)，用以判斷工程錨索是否需要調(diào)整拉力。觀測錨索的拉力是靠安裝在工作錨板下的壓力傳感器來指示，壓力傳感器顯示的力是錨索中所有鋼絞線拉力的總和，當(dāng)巖體的開挖、滑移面的滑移等因素使巖面產(chǎn)生向外的位移時，必然引起錨索拉力的增加，對于壓力分散型錨索，長鋼絞線增加的拉力小，短的增加的大，這時傳感器顯示的力仍然是合力，如果按照各根鋼絞線平均受力計算，錨索的總拉力可能是安全的，最短的鋼絞線可能已臨近強度極限甚至拉斷,壓力傳感器卻顯示不出來。如果一定要采用壓力分散型錨索作為量測錨索，除非每根鋼絞線上都單獨安裝測力計。工程錨索完成后一般情

13、況下要將多余的鋼絞線截去，安裝保護罩。當(dāng)觀測錨索顯示需要調(diào)整錨索拉力時，去掉保護罩，將張拉設(shè)備與錨板上的螺紋連接，只要稍微拉動錨板，即可輕松地旋轉(zhuǎn)螺帽，調(diào)整錨索的拉力很方便。對于壓力分散型錨索就不能把鋼絞線全部截去，必須預(yù)留操作長度的鋼絞線 并長期妥善保護，直到確認(rèn)不再需要調(diào)整錨索拉力為止；當(dāng)需要調(diào)整錨索拉力時，逐根張拉鋼絞線，把夾片從錨板中拔出，更換夾片咬合鋼絞線的位置。對于需要降低拉力的錨索，特別需要放松的是錨索中拉力增長最大、長度最短的那根鋼絞線。有施工經(jīng)驗的都知道，僅僅拉動夾片還不足以取出夾片，必須從錨板中拉出適當(dāng)?shù)拈L度，由于已臨近強度極限，這是一項相當(dāng)危險的操作。巖體的開挖在力學(xué)上就

14、是應(yīng)力解除，它引起洞室收斂和邊坡面的向外變形，壓力分散型錨索受力不均勻總是存在的。結(jié)構(gòu)的安全度總是以結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大的構(gòu)件為判據(jù)，盡管錨索中長鋼絞線還有較大的應(yīng)力儲備也無法利用。如果用壓力分散型錨索加固的巖面變形量過大，錨索中最短的鋼絞線將首先斷裂，形成各個擊破的惡果。深圳及京福高速公路的個別邊坡就曾出現(xiàn)過錨索拉斷、邊坡失穩(wěn)的事故。6. 結(jié)束語目前，壓力分散型錨索在錨固工程中已占據(jù)相當(dāng)大的市場，它的應(yīng)用和推廣，一方面在于這種錨索確實存在一些優(yōu)點，有些論文夸大了它的優(yōu)點，進行了不恰當(dāng)?shù)男麄?；另一方面人們過分關(guān)注錨固段注漿體受力的合理性，忽視了錨索整體在巖土加固中所表現(xiàn)的特性。據(jù)統(tǒng)計巖土工程中已出現(xiàn)的錨索類型不少于10種，顯示了我國巖土錨固事業(yè)一片繁榮。但是，各種錨索都有優(yōu)點，也存在缺點，都有一定的使用范圍，在選用錨索時，要根據(jù)巖土性質(zhì)和工程的具體情況，全面分析錨索的受力特點，正確選擇錨索類型，達到巖土加固的最佳效果。然而，在有關(guān)壓力分散型錨索的論文中很少有涉及它的缺點的內(nèi)容。本文力求全面、客觀的分析壓力分散型錨索的優(yōu)缺點，并明確提出在巖土加固工程中不宜作為永久性錨索使用。本文的觀點同樣適用于張拉段長短不等的其它類型的錨索，如拉力分散型錨索、拉壓復(fù)合分散型錨索等。參考文獻1