压力型锚索原型试验及应力分布规律研究*

雷金山，杨秀竹，王安正，强 嵘

(1.中南大学土木建筑学院，湖南长沙 410075;2.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410007)

压力型锚索主要由锚头、无黏结钢绞线、承载体和锚固段注浆体等组成，其张拉荷载从承载体底部导入，注浆体受压，不易开裂，同时由于周围岩土的约束，锚固体处于三向受压状态，锚固体与岩土体界面上的黏结强度将高于拉力型锚索，从锚索受力和防护角度看，压力型锚索是一种较合理的锚索结构形式，近年来已广泛用于永久性锚固工程中［1－3］。国内外学者对其黏结应力及预应力损失也开展了相应的研究［4－6］。本文结合实际工程，开展了压力型锚索应力分布的原型试验研究，所得的测试规律与理论结果进行对比，得出结论可供今后该类锚索的理论研究与设计计算提供参考。

1 压力分散型锚索锚固工程概况

1.1 工程地质概况

工程边坡原始地貌为侵蚀堆积～侵蚀剥蚀，为湘江V级阶地，边坡高度15～26 m不等，为永久性边坡。地层主要由第四系素填土、粉质黏土、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩组成:①素填土，层厚1.2～2.1 m;②粉质黏土，层厚 0.8 ～2.8 m;③强风化泥质粉砂岩，节理裂隙极发育，岩石破碎，遇水易软化，失水干裂，为极软岩，层厚 0.5 ～6.8 m;④中风化泥质，节理裂隙较发育，岩石较破碎～较完整，遇水易软化，失水干裂，为极软岩［7］。

1.2 边坡支护结构概况

试验边坡高达26 m，采用放坡与锚索网格梁支护设计，分两级进行开挖，次边坡按1∶1放坡;主边坡坡比1∶0.3，坡顶设3 m宽平台。主边坡采用锚索网格梁支护［7］。设置6排锚索，按2 m×2 m正方形布置。锚孔直径为150 mm，锚孔倾角向下15;设计采用压力分散型锚索;锚孔灌注砼 R28≥30MPa;网格梁截面为0.3 m ×0.35 m，锚头位于网格梁节点处。

1.3 锚固设计概况

根据锚固力大小分别采用2种规格的锚索。其中轴向拉力设计值为Na=500～540 kN时采用4φj15.24(4×7φ5)钢绞线，轴向拉力设计值 Na=400 kN时采用3φj15.24(3×7φ5)钢绞线。采用钢板承载体，承压板直径φ=138 mm，厚20 mm，各锚索两级承载体间距为2.0。

2 试验方案

现场测试主要包括锚索注浆体应力分布测试及预应力变化长期监测。另外对边坡土体的变形情况进行长期监测，结合监测成果对工程边坡的稳定性作出评价。

2.1 注浆体应力分布测试

在压力分散型锚索轴线方向上沿长布设应变测试点测试注浆体的轴向应变，利用获取的应变值可以计算得到注浆体轴力，进而分析锚固段应力分布规律。

2.1.1 试验对象

基于方便测量及有利于进行对比分析考虑，在工程边坡上选择有代表性的压力分散型锚索进行应力测试试验，所选锚索编号及参数见表1。

表1 应力测试锚索参数Table 1 Cable parameters whose stress was tested

2.1.2 测试仪器设备

应变测量采用浙江黄岩测试仪器厂生产的“BX120－20AA”应变片，数据采集采用DH3818静态应变测试仪。

2.1.3 测点埋设

相关研究资料表明，压力分散型锚索靠近承载体附近应力分布相对较集中，因此在试验中沿锚索轴线方向布置应变测试点时，靠近承载体附近布置较密，随着靠近孔口布置得相对较疏，在第II级承载板前后各布置一个应变测试点。测点布置情况分别见图1～4所示。

图1 绑扎就位的应变片水泥砂浆试块Fig.1 Cement mortar test blocks on which strain gauge is sticked

图2 MS1和MS2应变片水泥砂浆试块绑扎位置Fig.2 Location of Cement mortar test blocks MS1 and MS2

图3 MS3和MS4应变片水泥砂浆试块绑扎位置Fig.3 Location of Cement mortar test blocks MS1 and MS2

图4 MS5和MS6应变片水泥砂浆试块绑扎位置Fig.4 Location of Cement mortar test blocks MS5 and MS6

2.1.4 试验数据处理方法

现场试验可以采集得到注浆体轴线方向各测点的应变值，利用胡克定律计算各测点的轴力，经分析，在某一段注浆体上的轴力之差由注浆体与孔壁岩土体之间的黏结应力来平衡，故利用两点间的轴力之差可以计算得到两点之间的平均黏结应力。计算公式如下［8］:

式中:Ni为测点i处注浆体轴力kN;εi为测点i应变值με;E为锚固段注浆体的弹性模量GPa;A为钻孔面积mm2;r为钻孔半径mm;Δx为应变片间距mm。

由于压力分散型锚索采用无黏结钢绞线，因此通过应变测试结果计算得到的测点黏结应力结果主要反映注浆体与岩土体截面之间的应力分布状态。

3 测试结果及分析

4.1 压力型锚索注浆体应变分布测试结果

试验锚索各测点轴向应变实测值与计算值［8］对比结果见表2，图5～7为试验锚索轴向应变实测结果及与计算对比图。

表2 试验锚索注浆体轴向应变实测值与计算值对比汇总表Table 2 Measured and calculated value contrast of axial strain of grouting body

图5 MS1和MS2注浆体轴向应变分布曲线对比图Fig.5 Axial strain distribution curve contrast figure of MS1 and MS2

图6 MS3和MS4注浆体轴向应变分布曲线对比图Fig.6 Axial strain distribution curve contrast figure of MS3 and MS4

图7 MS5和MS6注浆体轴向应变分布曲线对比图Fig.7 Axial strain distribution curve contrast figure of MS5 and MS6

由以上图表可以看出，靠承载板段锚固段注浆体轴向应变实测值与计算值基本吻合，轴向应变的变化规律也基本吻合。但靠锚头段注浆体轴向应变计算值为0，而实测值较大，主要是由于计算时未考虑锚头的反压作用，同时说明锚头的反压作用仅对靠近锚头一定长度的注浆体应力应变分布产生影响，对锚固段注浆体的应力应变分布影响很小。

3.2 压力型锚索注浆体轴向压力测试结果

图8～10为根据试验锚索实测轴向应变值运用式(1)计算得到的各测点轴力实测分布曲线与运用理论计算结果［9］对比。可以看出，相同张拉荷载下的锚索注浆体轴力分布基本一致，各试验锚索锚固段注浆体轴力在2个承载体外荷载作用的位置分别有2个峰值，其影响范围均在距锚固段底部5 m以内。

图8 MS1和MS2注浆体轴力分布曲线对比图Fig.8 Grouting body axial force distribution curve contrast figure of MS1 and MS2

图9 MS3和MS4注浆体轴力分布曲线对比图Fig.9 Grouting body axial force distribution curve contrast figure of MS3 and MS4

图10 MS5和MS6注浆体轴力分布曲线对比图Fig.10 Grouting body axial force distribution curve contrast figure of MS5and MS6

地锚索锚固段注浆体轴力实测值与理论计算值的曲线变化规律基本吻合，说明理论计算能较好的反映锚索锚固段轴向应力的分布规律。同样的，由于锚头反压作用的影响使得靠锚头段注浆体轴力分布实测值与理论计算差异很大。

3.2 压力型锚索注浆周边黏结应力测试结果

表3为根据试验锚索实测轴向应变值运用式(2)计算得到的各试验锚索注浆体周边黏结应力平均值，其与理论计算［8］成果对比曲线见图11～13。可以看出，两者变化规律与理论计算结果基本吻合，从表中数值可以看出距Ⅰ级承载板5.0 m范围外的锚固段注浆体周边黏结应力很小，基本可忽略不计，说明锚索的张拉荷载已经被这一段注浆体与周边土体的接触摩擦作用所消耗，其为有效锚固段;靠锚头段注浆体受到锚头的反压作用使得注浆体周边作用有与锚固段注浆体黏结应力反向的应力，这在理论计算中未考虑。

表3 试验锚索注浆体周边黏结应力平均值计算表Table 3 Mean value of bond stress around grouting body

图11 MS1和MS2注浆体周边黏结应力曲线对比图Fig.11 Bond stress curve contrast figure of MS1 and MS2

图12 MS3和MS4注浆体周边黏结应力曲线对比图Fig.12 Bond stress curve contrast figure of MS3 and MS4

图13 MS5和MS6注浆体周边黏结应力曲线对比图Fig.13 Bond stress curve contrast figure of MS5 and MS6

综上，通过对实测结果及理论计算结果的对比分析，说明理论计算能较好地反映锚索锚固段应力分布规律，压力分散型锚索锚固段应力沿轴线分布具有与承载体数目相同的峰值，当承载体布置合理时峰值大小基本相等。

4 结论

(1)对于两级间距2 m的承载体而言，黏结应力影响范围大致分布在距锚固段底部5.0 m左右，且此范围随所受荷载大小变化很小;与黏结应力分布一样，轴向应力分布也有2个峰值，分别在2个承载体外荷载作用的位置，影响范围集中在距锚固段底部4.8 m左右。

(2)实测结果及理论计算结果的对比分析表明，压力分散型锚索锚固段应力沿轴线分布具有与承载体数目相同的峰值，当承载体布置合理时峰值大小基本相等。

(3)实测结果与理论计算成果比较，变化趋势基本吻合，真实地反映了注浆体应力应变分布的规律，得出结论可供今后该类锚索的理论研究与设计计算参考。

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