试论预应力锚索加固岩体的机理分析和数值计算

吕小刚（福建省闽武长城岩土工程有限公司）

试论预应力锚索加固岩体的机理分析和数值计算

吕小刚（福建省闽武长城岩土工程有限公司）

在现代工程建设中，岩土工程，尤其是岩土工程的稳定性问题长期以来就受到社会各界的广泛关注。在实际的岩土工程施工建设中，预预应力锚索的结构性能决定了岩土工程的质量和稳定性。本文正是以预应力锚索出发点，研究预应力锚索加固岩体的机理分析和数值计算，旨在促进现代岩土工程的不断发展和深化。

预应力锚索；加固岩体；岩土工程

岩土工程的稳定性是岩土工程建设施工过程中最大的影响因素，岩土工程的稳定性不仅决定了岩土工程的质量，而且还直接决定了岩土工程人员的人身安全，因此，岩土工程的稳定性优化对于现代工程建设的发展具有举足轻重的作用。预应力锚索加固技术是现阶段岩土工程加固岩体的主要应用技术。本文就预应力锚索加固岩体技术做出探讨，研究预应力锚索加固岩体技术的发展，旨在促进锚索加固岩体技术在现代岩土工程中的应用发展。

1 预应力锚索机理概述

1.1 预应力亏损机理概述

预应力锚索亏损机理主要包涵三个方面的内容：钢绞线松弛预应力亏损；灌装体预应力亏损；锚索张拉系统预应力亏损。

钢绞线松弛预应力亏损指预应锚索在长期的工作负荷状态下，锚索钢绞线出现应力松弛现象，锚索钢绞线松弛现象会埋下重大的安全隐患，一旦锚索钢绞线断裂，就有可能引发重大的安全事故，造成人员伤亡和财产损失。通常情况下钢绞线的松弛时间都比较漫长，有着数十年的松弛时间，因此造成了松弛实验的难度。对于钢绞线松弛的机理研究，现阶段的钢绞线松弛实验多采用1000h的松弛率制定标准。钢绞线除钢绞线的物理属性以外，钢绞线的松弛度还受到钢绞线初始应力的影响。

灌浆体预应力亏损主要是指锚索固段灌浆体在锚索长期负荷的状态下，受到各种外力的影响，发生裂纹扩张扩时灌浆体发生变化的情况，这种变化称为徐变，徐变会很大程度地影响灌浆体的性能。因此在实际的预应锚索在岩土工程中的应用过程要注意灌浆体徐变引起的预应力亏损，从而影响预应力锚索在岩土工程中工作效率。

张拉系统引起的预应力亏损主要是油泵和千斤顶构成。在实际的工作过程中，张拉系统的预应力主要依靠工程经验以及实际情况来计算，由于张拉系统引起的摩擦阻力引起的预应力亏损在2～4%之间，在这个过程中，油压表的拉力值比锚索钢绞线的实际压力要大，因此在张拉系统的工作过程中，就要以张拉值油压表为基础，考虑张拉系统的应力亏损因素［1］。

2 改善预应力锚索性能的措施

2.1 改善预应力锚索应对自然因素性能的措施

在预应力锚索岩土加固工程中，自然因素对预应力锚索加固工程有着强烈的影响。在自然因素中，对预应力锚索加固工程最为明显的就是降水。降水主要影响预应力锚索岩土加固工程的岩体渗透度、岩土断层破裂带以及岩体裂隙发育部。随着降雨量的增加，降雨对预应力锚索加固岩土工程的影响也随之增强。在降雨过程中，雨水会使得岩土内部结构变得松散、使得岩体水位升高，严重影响岩土内部结构的性能。因此在具体的预应力锚索岩土加固过程中，要制定相关制度，增强岩土工程的防水措施，有效减少雨水大量渗入岩土工程内部。

2.2 改善预应力锚索钢绞线松弛的性能措施

钢绞线是组成预应力锚索的重要内容，在预应力锚索岩体的预应力亏损过程中，钢绞线松弛不仅会影响锚索的预应力亏损，影响岩土加固工程的质量，而且还会埋下重大的安全隐患，因此改善钢绞线的松弛性能具有重要意义。

改善钢绞线的松弛性能首先就要选择合适的锚具，在锚具的选择方面，尽可能选择低松弛率、高强度的锚具，尽可能降低锚索孔轴线与孔口导向管的偏差，从而提升锚索的锚固能力。其次还要增强钢绞线的设计性，保证钢绞线的科学合理，根据具体的情况，不断地进行张拉实验，检测、评估预应力锚索的相关性能。采用科学的分级多次张拉技术，平衡钢绞线的受力状态，降低预应力的亏损。

2.3 改善灌浆体质量措施

灌浆体质量和岩土节能性能改善是增强预应力锚索，改善锚索性能的重要内容，灌浆体质量的改善可以增强锚锚索固工作的质量。要增强锚锚索固工作质量主要从以下两个方面入手：①严格按照相关规范和质量标准进行施工作业，按照相关比例配比调浆，做好固结灌浆和锚孔灌浆工作，提高岩土稳定性。②对于节理发育或裂隙比较严重的岩体，要采用特殊的的灌浆方式进行工作，比如渗透灌浆、压密灌浆，改善锚锚索固段的性能，改善锚固周围岩体的力学性能，推动灌浆工作发展，使得灌浆工作发展符合实际的发展需要［2］。

3 预应力锚索加固岩体的数值计算

3.1 无限元计算方法在岩土工程中的应用

无限元计算方法是岩土工程较为流行的一种计算方法。在岩土工程的数值计算中，会出现各种复杂的情况，比如出现半无限域或全无限域的情况。锚锚索头属于半无限域范畴，而锚固段计算属于无限域计算范畴。

在无限元计算过程中，应用近似的数值方法模拟无穷的边界成为影响和阻碍无限元计算的主要问题。目前大多数无限远数值计算方法，多采用远距离去模拟近似无限的边界条件。如果边界设置得过远，则会造成数值方法近似的难度，造成单元数猛增。反之，当人工设置的边界远距离不够时，会出现一定的误差。为了解决这种问题，多维无限远方法应用而生。如今的无限元计算方法已经发展到三维、双向映射数值计算。无限元计算方法在实际的预应力锚索加固工程有着很强的应用性，它不仅能够减轻工作任务量，提高工作实际，而且还能提高计算精度。

无限元计算方法在预应力锚索锚固周边岩体的受力计算应用较多，取预应力锚索预应力为2000kN，岩体的泊松比为0.23，弹性模量E=2×102MPa，假设锚固段的预应力直接作用在锚索中心对应节点上。根据1/4模型进行计算，球边边界半径取数值为50m的球面，单元划分计算模型如图1所示，计算结果如图2所示。

图1 预应力锚索计算模型网格划分

图2 无限元计算锚固段位移结果

从以上结果可以看出锚索预应力锚固段周边岩体主要以预应力作用点为中心发生位移作用，位移以作用中心点呈指数形式衰减，在锚固段周边行成纺锤形的位移锥，因此锚固段周边岩体的应力状态也是锥形的。在实际的锚索锚固周边岩体的受力计算中，无限元计算方法不仅可以计算出相应的受力状态，绘制受力模型，而且还能计算出具体的受力数值，使得施工人员对锚索锚固周边岩体的受力状态有全面、清晰的了解，促进锚索岩土工程的增强。

3.2 常见的多维无限元计算方法

在现代预应力锚索岩土工程数值计算过程中，常见的数值计算有两种，预应力锚索锚头的三维无限元计算、预应力锚索锚固段的三维无限元计算。

从预应力锚索锚头的三维无限元计算来说，三维无限元计算多用于预应力锚索锚头周边岩体的附加应力计算。预应力锚索周边岩体的附加应力数值计算方式主要根据对称性1/ 4模型进行计算，按照球形半径取一定的单元格。在锚索固段的三维无限元计算，预应力锚索锚固段周边岩体的数值计算方法与锚索锚头的周边岩体附加应力计算方式一样。与预应力锚索锚头的数值方法不同的是锚索锚固段的应用力数值计算方法，锚索锚固段的应用力的多维无限数值计算方法的三维节点要明显多于锚索锚头段的应用力计算方式。

4 结束语

预应力锚索锚固技术广泛的应用于岩土加固工程中，它可以有效提高岩土的结构性能，改善岩土的应力状态。在实际的预应力锚索岩土加固工程中，预应力锚索锚固机理分析和数值计算方法十分复杂，这就要求从业人员不断地学习科学文化知识，不断地分析了解预应力锚锚索固工程的机理和数值计算方法，改善相关技术和方法，促进岩土加固工程的发展。

［1］王艳芬.预应力锚索加固岩体的机理分析和数值计算［D］.华中科技大学，2011.

［2］许有飞.压力（分散）型锚锚索固机理及工程应用研究［D］.四川大学，2015.

TU45

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2095-2066（2016）29-0105-02

2016-10-3