压力分散型与普通拉力型锚索在三淅高速中的应用分析
2014-12-30宗继春
宗继春
【摘 要】 边坡预应力锚固技术在复杂地质条件下的边坡防护中得到了广泛应用，本文通过对河南省三门峡至淅川高速公路卢氏至西坪段工程多段预应力锚索施工的总结，并结合具体实例对压力分散型和普通拉力型锚索的结构、受力状态、锚固效果和实际施工情况进行对比，发现压力分散型锚索比普通拉力型锚索有更广泛的应用前景。
【关键词】 压力分散型锚索 普通拉力型锚索 边坡防护 锚固
1 前言
近年来我国基础设施建设领域逐渐向边远山区和中西部地区扩展，伴随着工程建设而来的是山区复杂地质条件灾害预防和边坡防护等问题。预应力锚索防护作为一种重要的锚固支护方式，正在被广泛的应用于基础设施建设的各个领域。
随着科研技术人员对预应力锚索技术的不断研究开发，预应力锚索的种类不断增加，目前施工中使用较多的两种锚索类型分别是：普通拉力型和压力分散型锚索。
2 锚索的作用机理
预应力锚索能够改善岩土体的应力状态，提高岩土体的整体性、承载能力和稳定性，但由于预应力锚索作用机理较为复杂，影响因素较多，目前关于预应力锚索作用机理的研究尚处于探索阶段。
等人通过对三峡永久船闸预应力锚索对岩体加固作用的研究，得出的“岩石承载墙理论”受到业界普遍关注。该理论可以作如下描述：“在锚索注浆后，岩体的整体性得到提高;预应力锚索张拉一段时间后，在锚墩周围形成锥形变形压缩区，该区域内岩体受压，岩体近似从零应力状态变为压应力状态，在多根锚索作用下压应力区重叠连接成片，组成“岩石承载墙”，使边坡稳定性得到改善。”
预应力锚索体系中的锚固段是主要的受力和传力构件，锚固段的受力特点决定了预应力锚索的锚固效果。
3 两种锚索结构对比
两种锚索都由自由段和锚固段组成，都对自由段的防腐要求极高，都要求自由段钢绞线与灌浆体隔离。
两种锚索的主要区别集中在锚固段，普通拉力型锚索的锚固段是由灌浆体与有粘结钢绞线相互嵌合组成，两者构成一个整体为锚索提供抗拔力;压力分散型锚索则是由不同单元组成，每个单元的锚固段由两根无粘结钢绞线內锚于刚质承载体组成（通过特制的挤压簧和挤压套对称锚固）。各单元相对独立的承受来自锚索的拉应力。
正是由于两种锚索锚固段结构上的不同造成是两种锚索在受力、施工难易程度和锚固效果上存在较大差异（如图2-1，图2-2所示）。
4 两种锚索锚固段受力分析
4.1 普通拉力型锚索锚固段受力分析
普通拉力型锚索锚固段的传力机制可表述如下：在锚索受到张拉力作用时，锚固段锚索将所受拉应力传递给锚固段灌浆体，通过锚固段灌浆体与锚孔孔壁的摩擦力和钳挤力为锚索提供抗拔力。
根据实际施工中的经验和众多工程技术人员对普通拉力型锚索锚固段受力机理模型分析表明，普通拉力型锚索的锚固段有如下受力特点：
（1）普通拉力型锚索锚固段上部的灌浆体拉应力集中，混凝土的抗压而不抗拉的特性，决定了应力集中部位的浆体易发生拉裂破坏。
（2）灌浆体与锚孔孔壁之间的剪应力集中于锚固段端头，从而导致灌浆体易与孔壁之间发生剪切破坏。
（3）由于锚束与灌浆体粘结在一起，当锚束与灌浆体发生相对位移时，会导致灌浆体产生开裂。
4.2 压力分散型锚索锚固段受力分析
压力分散性锚索的传力机制可表述为：在锚索受到荷载作用时，无粘结钢绞线会将拉力作用分散传递到各个单元的承载板，再通过承载板压缩锚固段灌浆体，通过灌浆体与周围岩土体的摩擦力和嵌合力为锚索提供抗拔力。
等对压力分散型锚索荷载传递采用不同的应力分布模型，并通过力学推导得出了以下相似的结论：
（1）在锚索受到拉力作用时，通过各个单元的承载体将荷载传递给灌浆体，使浆体的受压范围增大，改善了锚固段的应力状态。
（2）由于各个单元分别受力，使锚固段灌浆体与锚孔孔壁之间的剪应力更加分散。
（3）压力分散型锚索采用无粘结钢绞线，因而在受到力的作用时不会因锚索与灌浆体之间相对位移而使灌浆体产生裂缝。
（4）各个单元的锚固段承载板位置处的剪应力和轴向力最大，随着距承载板距离的增加，剪应力和轴向力都迅速减少。
（5）随着施加拉应力的增加，承载体的轴向力和剪应力逐渐增大，其作用范围也随之增大。但要注意由此而产生的最大压应力不得超过灌浆体的抗压强度。
5 两种锚索施工对比
两种锚索锚固段结构的不同，使其在制作、注浆、张拉三个环节上有许多不同之处。
5.1 锚索制作
（1）普通拉力型锚索自由段防腐隔离处理是锚索制作的关键，包括涂润滑剂、套PVC管、注黄油等多道工序;同时要严格保证锚固段的长度。确保为锚索提供足够的抗拔力。
（2）压力分散型锚索锚索与承载体锚固过程是压力分散型锚索制作的关键。在后期一旦出现承载体破坏或者钢绞线锈蚀引起断丝导致预应力实效，将造成严重后果。
5.2 锚索灌浆
（1）普通拉力型锚索和压力分散型锚索均采用一次注浆，张拉完成后锚下补浆。注浆要采用压力注浆，注浆方式为孔底返浆。
（2）等人研究了压力分散型锚索施工采用二次劈裂注浆的效果得出了如下结论：在软岩区域压力分散型锚索采用二次劈裂注浆能够提供足够的锚固力从而提高锚索的极限承载力。但在岩体条件较好的区域，二次劈裂注浆对提高锚固力的效果则不那么明显。
5.3 锚索张拉
（1）普通拉力型锚索张拉时对同一锚束内所有钢绞线同时逐级张拉，为了减小锁定时的预应力损失，要进行超张拉。
（2）压力分散型锚索张拉前要核对好锚索编号，对每个单元分别进行逐级张拉，也有事先计算好不同单元差异荷载，待补足差异荷载后，再进行整体逐级张拉的。同时为了防止锁定时的预应力损失，要进行超张拉。endprint
6 锚固效果综合对比
锚索的预应力大小和锚索能否长期保持足够的预应力直接关系着锚索锚固的效果。
通过对两种锚索锚固段的受力特点的分析和施工对比可以得出如下结论：
（1）压力分散型锚索可以避免普通拉力型锚索在锚固段端头对灌浆体产生的拉应力集中，取而代之的是通过承载板传递给灌浆体压应力，更加符合混凝土的受力特点。
（2）由于压力分散型锚索锚固段受力更加均匀，不仅显著提升锚索整体抗拔力，也可以使锚索能应用于各类软岩条件。
（3）虽然两种锚索都存在靠近锚固段底部（承载板）出现应力集中，而远离锚固段底部的位置，应力急速衰减，从而出现无效锚固段的现象，但只要合理布置压力分散型锚索各个承载体位置，就可以避免存在无效锚固段的现象。
（4）压力分散型锚索采用全长无粘结钢绞线，不会发生普通拉力型锚索常出现的由于锚索与灌浆体之间相对位移而使灌浆体产生裂缝，而使灌浆体强度降低的现象。
（5）普通拉力型锚索灌浆体破坏、钢绞线与灌浆体发生相对位移都会使水和空气进入锚固段，从而导致锚索锈蚀，强度降低，造成锚索预应力损失、耐久性降低。
（6）由于两种锚索结构不同，使其在施工时也有各自不同的特点，难易程度也有所差别，但随着施工技术水平和机械化程度的提高，这些差别正在逐渐的消失。
7 结语
通过对比，压力分散型锚索相较于普通拉力型锚索受力更合理、锚固效果更好，具有更加广泛的应用前景。
参考文献：
[1]朱杰兵，韩军，程良奎，肖国庆.三峡永久船闸预应力锚索加固对周边岩体力学性状影响的研究.岩土力学与工程学报，2002，21（6）：853-857.
[2]尤春安.压力型锚索锚固段的受力分析.岩土工程学报，2004，26（6）：828-831.
[3]雷金山，阳军生，王安正，肖武权.压力分散型锚索锚固段受力特性分析.铁道科学与工程学报，2010，7（3）：60-64.
[4]梁振宁，叶观宝，高彦斌，何志宇.软土地区压力分散型锚索二次劈裂注浆锚固效果研究.勘察科学技术，2011，（1）：1-4.
[5]田裕甲.压力分散型锚索与普通拉力型锚索的比较-再论新型锚索结构系列及工程应用.OVM通讯，2002，（03）：32-40.
[6]何思明.预应力锚索作用机理研究.[博士学位论文]，2004.endprint
6 锚固效果综合对比
锚索的预应力大小和锚索能否长期保持足够的预应力直接关系着锚索锚固的效果。
通过对两种锚索锚固段的受力特点的分析和施工对比可以得出如下结论：
（1）压力分散型锚索可以避免普通拉力型锚索在锚固段端头对灌浆体产生的拉应力集中，取而代之的是通过承载板传递给灌浆体压应力，更加符合混凝土的受力特点。
（2）由于压力分散型锚索锚固段受力更加均匀，不仅显著提升锚索整体抗拔力，也可以使锚索能应用于各类软岩条件。
（3）虽然两种锚索都存在靠近锚固段底部（承载板）出现应力集中，而远离锚固段底部的位置，应力急速衰减，从而出现无效锚固段的现象，但只要合理布置压力分散型锚索各个承载体位置，就可以避免存在无效锚固段的现象。
（4）压力分散型锚索采用全长无粘结钢绞线，不会发生普通拉力型锚索常出现的由于锚索与灌浆体之间相对位移而使灌浆体产生裂缝，而使灌浆体强度降低的现象。
（5）普通拉力型锚索灌浆体破坏、钢绞线与灌浆体发生相对位移都会使水和空气进入锚固段，从而导致锚索锈蚀，强度降低，造成锚索预应力损失、耐久性降低。
（6）由于两种锚索结构不同，使其在施工时也有各自不同的特点，难易程度也有所差别，但随着施工技术水平和机械化程度的提高，这些差别正在逐渐的消失。
7 结语
通过对比，压力分散型锚索相较于普通拉力型锚索受力更合理、锚固效果更好，具有更加广泛的应用前景。
参考文献：
[1]朱杰兵，韩军，程良奎，肖国庆.三峡永久船闸预应力锚索加固对周边岩体力学性状影响的研究.岩土力学与工程学报，2002，21（6）：853-857.
[2]尤春安.压力型锚索锚固段的受力分析.岩土工程学报，2004，26（6）：828-831.
[3]雷金山，阳军生，王安正，肖武权.压力分散型锚索锚固段受力特性分析.铁道科学与工程学报，2010，7（3）：60-64.
[4]梁振宁，叶观宝，高彦斌，何志宇.软土地区压力分散型锚索二次劈裂注浆锚固效果研究.勘察科学技术，2011，（1）：1-4.
[5]田裕甲.压力分散型锚索与普通拉力型锚索的比较-再论新型锚索结构系列及工程应用.OVM通讯，2002，（03）：32-40.
[6]何思明.预应力锚索作用机理研究.[博士学位论文]，2004.endprint
6 锚固效果综合对比
锚索的预应力大小和锚索能否长期保持足够的预应力直接关系着锚索锚固的效果。
通过对两种锚索锚固段的受力特点的分析和施工对比可以得出如下结论：
（1）压力分散型锚索可以避免普通拉力型锚索在锚固段端头对灌浆体产生的拉应力集中，取而代之的是通过承载板传递给灌浆体压应力，更加符合混凝土的受力特点。
（2）由于压力分散型锚索锚固段受力更加均匀，不仅显著提升锚索整体抗拔力，也可以使锚索能应用于各类软岩条件。
（3）虽然两种锚索都存在靠近锚固段底部（承载板）出现应力集中，而远离锚固段底部的位置，应力急速衰减，从而出现无效锚固段的现象，但只要合理布置压力分散型锚索各个承载体位置，就可以避免存在无效锚固段的现象。
（4）压力分散型锚索采用全长无粘结钢绞线，不会发生普通拉力型锚索常出现的由于锚索与灌浆体之间相对位移而使灌浆体产生裂缝，而使灌浆体强度降低的现象。
（5）普通拉力型锚索灌浆体破坏、钢绞线与灌浆体发生相对位移都会使水和空气进入锚固段，从而导致锚索锈蚀，强度降低，造成锚索预应力损失、耐久性降低。
（6）由于两种锚索结构不同，使其在施工时也有各自不同的特点，难易程度也有所差别，但随着施工技术水平和机械化程度的提高，这些差别正在逐渐的消失。
7 结语
通过对比，压力分散型锚索相较于普通拉力型锚索受力更合理、锚固效果更好，具有更加广泛的应用前景。
参考文献：
[1]朱杰兵，韩军，程良奎，肖国庆.三峡永久船闸预应力锚索加固对周边岩体力学性状影响的研究.岩土力学与工程学报，2002，21（6）：853-857.
[2]尤春安.压力型锚索锚固段的受力分析.岩土工程学报，2004，26（6）：828-831.
[3]雷金山，阳军生，王安正，肖武权.压力分散型锚索锚固段受力特性分析.铁道科学与工程学报，2010，7（3）：60-64.
[4]梁振宁，叶观宝，高彦斌，何志宇.软土地区压力分散型锚索二次劈裂注浆锚固效果研究.勘察科学技术，2011，（1）：1-4.
[5]田裕甲.压力分散型锚索与普通拉力型锚索的比较-再论新型锚索结构系列及工程应用.OVM通讯，2002，（03）：32-40.
[6]何思明.预应力锚索作用机理研究.[博士学位论文]，2004.endprint
