压力分散型锚索基本试验研究

2018-07-06

中国勘察设计 2018年5期

岩土工程中的锚固技术，能合理调用岩土的自身强度和自稳能力，简化结构体系，提高结构物的稳定性，并有少占地、安全施工、缩短工期、降低造价的优点[1]。压力分散型锚索就是其中一种具有明显优势的锚固技术，因而它在国内外发展迅速，应用范围十分广阔。

传统的拉力型锚索的内锚头在受拉时将在某一段内产生应力集中，同时内锚头在拔出时产生的剪胀会导致内锚段砂浆体开裂破坏[2]。拉力型锚索结构尽管施工容易，造价较低，但是其内锚段由于受力不合理，上部浆体易开裂，特别是不能充分利用岩体的力学传递性能，因此锚固效果不理想。若采用压力型或分散型的内锚头，则可以改善内锚段的应力状态，提高内锚段的可靠性，从而为减少内锚段的长度创造条件。

但是，目前压力分散型锚索在软弱土层中的试验研究少见报道，其承载力和适用性如何评价，能否通过二次劈裂注浆来提高其承载力均需要通过工程现场试验进行验证。

压力分散型锚索锚固机理

压力型锚索由无粘结钢绞线、锚固段砂浆体、承载板构成，压力分散型锚索由多个压力型锚索单元组合而成，适用于锚索承载力要求较高或防腐等级要求较高的土体工程。这种锚索改善了受力特性，拉力通过钢绞线传递到锚固段底部的承载板，由承载板将拉力转化为锚固段的压力，传递到砂浆体上，并将压力传递到周边土体上。

砂浆体和土体的受压性能均大于受拉性能，因此，压力型锚索的整体受力体系要优于拉力型锚索。而压力分散型更是将这种特点最大发挥，它能避免应力集中于一个锚固段砂浆体上，由于应力过大造成锚固段破坏。在总的拉力荷载不变的条件下，减小了每段锚固段的内力，充分发挥和利用了岩土体的整体力学性能。

现场试验

试验锚索

试验锚索总长34m，自由段14m，4单元锚固段20m，锚固段位于粉质粘土层中，锚索内配8束Φ12.7mm无粘结低松弛预应力钢绞线，强度等级为1860MPa，锚索拉力设计值为405kN。

锚索采用二次劈裂注浆工艺，一次注浆采用水灰比为0.47，灰砂比为1.43的水泥砂浆。为提高早期强度，加JM-3减水剂，每立方掺加70kg。

一次注浆时，同时在现场就地取材，为室内砂浆试块的压缩试验制备试样，砂浆试块尺寸规格为70.7×70.7×212.1mm，其中3块试块只测定轴心抗压强度，另3块试块测定弹性模量和轴心抗压强度。所有试块均按设计锚索一次注浆的配合比进行配制，水∶水泥∶砂∶外加剂=450∶1000∶700∶14。试件制作后在20±5℃环境下停置一昼夜（24±2h），当气温较低时，可适当延长时间，但不应超过两昼夜，然后对试件进行编号并拆模。试件拆模后，应在标准养护条件下，继续养护至28d。标准养护条件为：温度20±3℃，相对湿度90%以上；养护期间，试件彼此间隔不少于10mm。在砂浆试块按规定养护好之后，先将试块擦拭干净，测量尺寸，并检查外观。根据相关土工试验规范进行试验，获取砂浆体轴向抗压强度及弹性模量，为了进行锚索的受力计算提供参数，本次试块轴向抗压强度均满足要求，6个试块平均值为37.71MPa。

二次劈裂注浆在一次注浆完成并养护24h后进行，此时要求常压注浆体试块强度达到5.0MPa[3]。经锚索体预留的二次注浆管进行高压注浆，劈裂压力要求在3.5MPa～5MPa之间，注浆运行压力要求大于2.5MPa。本次试验锚索的二次劈裂注浆采用水灰比为0.47的纯水泥浆，注浆压力为3.9 MPa，终孔注浆压力≥1.2 MPa。对一次注浆体形成劈裂，使锚固体直径增大，增加径向压力。

培养基：PDA培养基：马铃薯200 g、葡萄糖20 g、琼脂20 g、马铃薯去皮，切成块煮沸30 min，然后纱布过滤，再加糖及琼脂，融化后补足水至 1000 mL，121 ℃灭菌30 min，液体培养基不加琼脂。

试验流程

试验锚索参考岩土锚杆（索）技术规程CECS22：2005[4]（以下简称“规程”）中等荷载张拉方式进行试验。试验基本流程为预张拉、等荷载张拉和整体循环张拉。按安全系数2.0考虑，本次试验最大荷载取800kN，小于杆体极限承载力的0.8倍。等荷载张拉按800kN进行钢绞线弹性伸长差消除，组合张拉荷载P组取300kN。

（1）预张拉

在锚索正式张拉之前，先取0.1倍～0.2倍最大试验荷载对锚索预张拉1次～2次，使锚索钢绞线平直，各部位接触紧密，有利于缓解张拉过程中各钢绞线的受力不均匀性。

（2）等荷载张拉

等合作张拉是为了消除整体张拉时单元锚索在相同荷载作用下因自由段长度不等引起的弹性伸长差。

每个单元锚索承受的荷载Pn，由式（1）计算：

式中： Pd—锚索的最大试验荷载（N）；n—单元锚索的数量（个）。

式中： Li—每个单元锚索钢绞线的长度（mm）

Es—钢绞线的弹性模量（N/mm2）；

As—每个单元锚索钢绞线的截面积（mm2）。

各单元锚索的预加荷载Pi，由式（3）计算：

在选定最大试验荷载后，按式（3）计算各级单元锚索的补偿荷载P2、P3、P4进行补偿张拉。以4级压力分散型锚索为例，将张拉工具锚夹片安装在第一单元锚索的钢绞线上，张拉至荷载P2；在张拉工具锚夹片扔安装在第一单元锚索钢绞线的基础上，张拉至荷载P3；在张拉工具锚夹片扔安装在第一、第二单元锚索钢绞线的基础上，将张拉工具锚夹片安装在第三单元锚索的钢绞线上，继续张拉至荷载P4；在张拉工具锚夹片扔安装在第一、二、三单元锚索钢绞线的基础上，将张拉工具锚夹片安装在第四单元锚索的钢绞线上，继续张拉至整体循环张拉的初始荷载P组。根据上述公式计算得到的P2、P3、P4分别为29.4kN、93.3kN、198.8kN。

（3）整体张拉

在消除弹性伸长差后，根据设计荷载对锚索进行整体张拉。为保证锚索的性能最大发挥，提高锚索的承载力，采用逐级加载的方式。

试验结果分析

本次试验选取具有代表性的锚索2根，1#和2#锚索极限承载力均达到800kN。2根锚索的荷载—位移曲线（Q-S）详见图1，2根锚索的荷载—弹性位移（Q-Se）、塑性位移曲线（Q-Sp）详见图2。

为极限探索锚索的极限承载力上限，在试验荷载达到800kN后，继续增加试验荷载，1#、2#锚索的破坏荷载均为1000kN。1#锚索发生类似脆性的破坏，2#锚索在最后一次加载时，当荷载超出屈服荷载之后，随着荷载的增大曲线呈下凹型，明显的表现出位移增大的现象，持荷能力缓慢增长，破坏时的锚头位移分别为134.03mm、140.88mm，按规程[3]确定锚索的极限承载力取破坏前一级荷载均为900kN，安全系数2.2，满足规范中作为永久锚索锚固体最小抗拔安全系数2.0的要求。

二次注浆的锚索锚头位移随着荷载的增加而增大，在弹性阶段内弹性位移与荷载基本呈线性关系，主要位移为弹性位移，塑性位移相对占比较小。

2根二次劈裂注浆锚索的平均粘结强度分别为71.6kPa，均比岩土锚杆（索）技术规程CECS 22:2005表7.5.1-2的推荐值大。