基于实际工程的锚索预应力损失影响因素探讨

何 飞，穆 锐

(1.贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵阳 550006； 2.陆军勤务学院 军事设施系，重庆 401311)

0 引 言

随着建筑深基坑、公路等建设的不断发展, 边坡的加固已成为关键，各种不良地质条件、高陡边坡的出现，使预应力锚索稳定状态在加固工作中占有十分重要的地位。例如，对于永久性锚索而言,其锚固端必须进入稳定岩层, 且对锚索进行张拉,以便充分发挥锚索的锚固作用。

多年来，大量学者对锚索的预应力损失研究表明，在实际工程中，锚索在使用中往往伴随着预应力损失现象，且预应力损失较为严重。周永江[1]、褚晓威[2]、阮志新[3]等对锚索预应力损失机理进行了相关研究，其中周永江在具体分析影响预应力损失的各种因素的基础上，给出具体计算方法，主要包括松弛模型,围岩体流变模型，灌浆材料采用蠕变模型等计算模型；褚晓威、阮志新对预应力锚索支护的核心参数(减摩方式、螺纹参数、构件匹配及现场施工因素等)进行损失机理分析，提出了预应力损失的控制措施。李建林[4]、张金龙[5]等在卸荷条件下研究了预应力锚索预应力损失的影响因素，其中李建林通过卸荷岩体锚固预应力变化的岩体应力状态、岩体性质与流变、锚固时间、钢材松弛、施工质量、锚索结构与环境变化等因素讨论了预应力损失，得出不同因素对卸荷岩体锚固预应力损失的影响效应和因素与预应力损失的耦合作用；张金飞根据预应力锚索施工过程，将锚索预应力损失分为张拉损失、锁定损失和随时间的损失，通过分析得到锚索现存荷载基本满足加固设计要求。任丽芳[6]、汪剑辉[7]、申庆成[8]等在边坡加固及治理工程中对预应力锚索的预应力损失进行了研究，其中任丽芳、汪剑辉对边坡的加固机理进行探讨，得到预应力锚索加固边坡的机理、锚索预应力损失的影响因素以及锚索预应力的变化规律并在此基础上提出应力补偿的措施。同时结合具体工程,对锚索预应力损失情况进行总结分析，在土木工程领域中的地下洞室、高边坡、大坝坝基、桥墩等重大工程的稳定性加固中,为预应力锚索或锚索的预应力损失提供有效的预防措施。黄璐[9]、席光勇[10]、陈宾杰[11]等基于高速公路边坡工程以及预应力锚索的施工过程进行预应力损失的探讨，主要包括预应力锚索加固边坡的机理、设计和施工管理人员对预应力锚索的数理统计，以此来分析影响因素，提出预防措施。温彦良[12]、韩光[13]、周德培[14]、苏学贵[15]、田密[16]等通过数值仿真试验、工程测试、张拉工艺、理论及锚索试验等几方面来分析预应力锚索预应力损失的原因，分析综合考虑因素，得到锚索预应力的变化经过下降、回升和稳定3个阶段，其影响因素主要包括外锚头附近岩体的徐变、锚索材料钢绞丝的松弛、锚固对象岩土体的变形、 地层蠕变、 混凝土收缩与蠕变、 荷载设计不当、 爆破与地震作用以及张拉工艺等，同时提出补救措施，为锚固技术的应用提供科学依据。除此之外，宋修广[17]、潘文成[18]、杜斌[19]、余开彪[20]等对锚索在特殊情况下的预应力损失作了研究。其中，宋修广结合实际软岩边坡工程, 比较分析施工期和雨季中大量的监测数据, 详细探讨边坡在最不利时期中影响预应力变化的主要因素及变化特点，包括锚索材料、施工影响及外部因素等；潘文成运用灰色理论模型对锚索桩板墙锁定后前期预应力变化及后期预应力损失进行了趋势性分析预测；杜斌通过抗滑桩的试验进行了预应力锚索的预应力损失研究，研究表明采用间隔式开挖方法比采用常规的顺序开挖方法产生更小的塑性区面积和围岩变形,支护结构安全系数相对较高，可以减少锚索的预应力损失；余开彪通过对襄一十高速公路锚索预应力模拟计算,得到预应力锚索损失模型，可以很好地对预应力锚索预应力损失进行预测。

锚索预应力损失的影响因素有很多方面，本文结合贵阳某实际工程的预应力锚索监测项目，根据锚索应力的监测数据进行预应力损失的分析。同时，结合已有的研究成果，对预应力锚索的预应力损失影响因素进行论述，提出预应力锚索的预应力损失影响因素，为实际工程中预应力锚索的设计、施工以及加固等提供相应的参考依据。

1 工程实例

1.1 工程概况

该工程位于贵阳市，总用地面积10 802 m2，建筑占地面积7 179.9 m2。长轴沿北东方向，建筑平面特征为不规则，长112.880 m，宽80.750 m，拟建物设计高程(±0.00)为1 077.53 m；设4层地下室，地下室底板高程为1 057.93 m。该项目层数为-4+3+29F，框支-剪力墙结构，拟采用柱基，设计轴力最大荷载为30 000 kN。根据场地周边现状地面标高及地下室底板设计标高，基坑开挖后形成高12.5～23.0 m左右的基坑边坡，边坡形状不规则，各侧长度8.0～125 m不等，边坡周长约374.198 m，为临时性边坡，见图1。

场地北侧为贵阳市重要干道，地下室边线与人行道的距离为3.0～4.8 m；东侧和南侧分布的建筑物较多，东侧为多层建筑物，其地面边线与地下室边线距离为2.0～5.0 m，南侧为两栋多层及一栋高层建筑物，其地面边线与地下室边线距离为15.36～36.0 m；西侧为一条街道和一栋多层建筑，距离基坑较近，其地面边线与地下室边线距离为1.0～16.0 m；基坑周边的环境条件复杂，基坑深度均大于12 m，场地的地下水位较高。根据基坑边坡工程施工图设计可知，基坑边坡安全等级为一级。

图1 项目基坑边坡平面

1.2 锚索预应力的现场测试情况

该工程项目由于地形和规划的需要,在基坑周围已经形成超高边坡，采用预应力锚索的整治方案,是较为典型的基坑高边坡工程。为确保该边坡整治工程的安全施工及正常运行及为了监测预应力锚索预应力的作用效果,本文的研究依据基于本工程的预应力锚索实体，选取5根具有代表性的预应力锚索作为监测对象, 分别对其安装预应力锚索计进行实时监测。被监测锚索的基本参数见表1。

表1 锚索基本参数

2 现场实测数据分析

经过对上述5根锚索的监测，本文将变化规律相同的锚索作为对比分析，具体分组为：组合1：15053号锚索和15054号锚索；组合2：15058号锚索和120208号锚索；组合3：15055号锚索。利用监测数据得到锚索的锚索张力随时间的变化情况，具体见图2、图3、图4。对现场监测的数据及现场的观察结果进行分析，得到以下结论。

图2 15053，15054号锚索预应力变化规律

预应力锚索张拉后 20天内,通过图2、图3及图4可以看出，预应力锚索的预应力损失值变化趋势较为明显的，尤其是在张拉后的一周时间内是变化最显著的，随着时间的推移，锚索的预应力损失趋于稳定，预应力损失较小。由此可以看出，锚索预应力损失在张拉初期大,后期基本维持在一个相对稳定的范围之内。这与康红普等[21]的研究结论是一致的，即在锚索张拉锁定后,不要急于处理剩余的张拉段的钢绞线，待锚索的预应力稳定后再进行处理，这样可以保证锚索的应力满足设计要求。

图3 15058，120208号锚索预应力变化规律

图4 15055号锚索预应力变化规律

由图3可知，随着监测时间的增加，对于组合2：15058号锚索和120208号锚索而言，锚索预应力损失值并非固定为一个恒定值，还与锚索的工作环境有关系，即锚索预应力损失还与工作环境的温度、季节以及气候变化(与张宏博等[22]的描述一致)等因素有关，存在“上下波动”现象，这与文献[19]、文献[23]、文献[24]的结论相似。

由图4可知，组合3：15055号锚索的预应力损坏随时间变化在15～19天的范围变化斜率最大，出现了拐点，这说明该锚索在此阶段的预应力损失是最大的。这与施工期间的降雨有关，根据监测报告知，当时存在降雨，影响了锚索预应力的损失幅度。据此可以说明，降雨量及降雨历时对锚索预应力有较为显著的影响，主要反映在强度较低，同时对渗透系数较大的基坑及边坡有较大的影响。进一步分析显示，降雨入渗对锚索预应力的影响过程可划分为3个阶 段(见图2中15054号锚索的变化规律)，第1阶段是锚索预应力减小阶段；第2阶段是锚索预应力增加期；第3阶段是锚索预应力损失阶段。

3 预应力损失的影响因素

3.1 锚索张拉与锁定的影响

张拉过程的预应力损失主要由预应力锚固过程中水分入渗对锚索预应力的影响与钻孔孔壁的摩擦和张拉千斤顶的摩阻力共同决定；锁定过程的预应力损失主要由锚索张拉程序完成后,在卸荷时，主要利用锚具夹片和锚垫板间相互作用来锁定预应力,所以钢绞线会产生一定的收缩,这一收缩量的大小决定了锚索预应力损失的大小。

3.2 岩土体力学性质和蠕变对锚索预应力的影响

岩土体蠕变是锚索预应力损失的主要来源，岩土体结构质量越好，节理裂隙越少，岩土体的变形越小，蠕变也越小，持续的时间也短。弹性、塑性和黏性是岩土体的3种基本性质，岩土体的复杂力学性质往往是这3种特性的综合反映。工程实践证明，在一定受力状态和赋存条件下，岩土体可表现出明显的流变特征[25]并对其力学产生显著的影响。岩体蠕变是锚索预应力[26]损失的主要来源。蠕变引起的预应力损失与岩体的软硬及密实，程度有关，岩石越坚硬，结构面分布少，由结构面引起的蠕变小，预应力损失值也就小; 对松散破碎岩石或软弱岩石，由于预应力压缩岩体产生变形较大，而且变形速度比较缓慢，相应的因岩体蠕变而引起的预应力损失值较大[27]。

3.3 锚索施工的影响

施工工艺对锚索预应力损失的影响主要体现在两个方面，即预应力锚索张拉、补偿张拉等锚索自身的施工工艺和基坑、高边坡等坡体的施工工艺的影响。如补偿张拉应经过一定的损失期后才能进行，同时才对保存锚固吨位有利；在深基坑及高边坡等开挖锚固过程中，锚索会受施工爆破等冲击荷载的作用。

3.4 锚索工作环境的影响

锚索工作环境的影响主要体现在以下几个方面：

1) 锚索施工完成后，随着当地的气候、温度以及季节变化等环境因素。

2) 锚索的锚固段工作环境的岩土体含水量等因素。

3) 锚索在岩土体工作时，渗透系数、孔隙率以及节理面、软弱结构面等因素的综合影响。

3.5 其他因素的影响

除此之外，影响锚索预应力损失的因素还包括地下水位的影响；重型机械设备作用、地震等地运动作用、突发性暴雨以及罕见的凝冻气候的影响。由于这些因素的影响主要体现了突发性和不可预见性，因此在工程的设计阶段、施工阶段和使用阶段要做好相应的预防工作。

4 减少预应力损失措施的建议

4.1 锚索材料的选择

在锚索材料选择方面，应该注重以下方面的内容：

1) 优先选用高强度、低松弛预应力钢绞线制作锚索的锚固体系，并采用与钢绞线配套的高性能锚具来组合。

2) 采用的托板、钢带与钢梁及金属网等护表构件的性能应与之匹配。

3) 外锚固端也应坚实可靠，避免应力集中导致发生岩体徐变过大从而增加应力损失。

4) 研究表明[28]，锚索预紧转矩相同时，加工精度高的螺纹转化的预应力要高于加工精度低的螺纹；相同预紧转矩下，螺纹牙形角越小，转化预应力越大，转化率由高到低依次为矩形螺纹、三角形螺纹和锯齿形螺纹；螺纹直径相同时(尤其对于M22及M24)，减小螺距能显著提高预应力转化率，而且能提高螺纹的破断强度，以达到减少预应力锚索的预应力损失。

4.2 锚固段的选择

锚索锚固段岩土体的选择方面，应该注重以下方面的内容：

1) 锚固段的选取必须以现场岩土工程勘察资料作为依据来确定,宜选择坚硬完整的岩土体,增加锚固端的稳定性，减少岩土体的蠕变。

2) 对于松软较为破碎岩土体，在施工时，应增加托板、组合构件及护网的面积、强度与刚度，减少由于围岩蠕变引起的锚索预应力损失。

3) 应对锚固端段所在的岩土体作试验分析，分析其物理力学性质是否良好，视具体情况来分别采取相应的补救措施。

4) 对过于松散破碎或含水量较大的基坑、滑坡体，应该尽量避免使用预应力锚索体系，避免发生整体滑移情况。

4.3 施工措施

在施工方面应该注意以下几个问题：

1) 锚索张拉时，应该合理选择适宜的时间对锚索张拉或补偿张拉，安装时首先进行超张拉，持荷一段时间后再进行二次张拉，改善张拉效果。

2) 在封孔灌浆时，应该加强灌浆对钢绞线进行保护，以减少锚索永久锚固力的损失[29]。

3) 由于锚索预应力与张拉力成正比,则张拉力越大,预应力损失相对越大,设计时尽量避免采用大吨位张拉,应该以“多孔位、小吨位”张拉方式为宜。

4) 在锚索施工时，主要采用整索分级张拉的程序，通常按设计永久锚固力的一定比例，分级进行张拉。在锚索张拉过程中，采用多级张拉方式可以使锚索体各钢绞线受力进行充分调整，其锁定损失要小一些[30]。

5) 当一个结构物上设置多个锚索时,张拉时最好使用多台千斤顶同时张拉,如果没有条件则必须进行循回补张拉,结构物对称时,最好采取对称循环补张拉,以此最大限度地消除因张拉顺序引起的预应力损失。

4.4 工作环境的预防处理

锚索的工作环境方面，在锚索的锚固体中，应该控制岩土体的温度、含水量等物理因素的含量，主要预防锚索的耐久性，主要注意以下几方面[3]：

1) 锚索的耐腐蚀保护。锚索长期处于潮湿或者腐蚀介质环境中，在高锚固力运行工作状态下，非常容易因腐蚀而发生结构破坏，保护不当会导致腐蚀断裂等现象的发生。

2) 对锚索疲劳强度的设计，应根据当地的气候、地质等因素，对锚索工作年限内的锚固力的变化给予充分考虑，采用最佳疲劳强度的设计。

3) 为保证锚索的耐久性，可采用石油磺酸钡、石油磺酸钠等精致矿物油，加入添加剂后作为锚索专用防腐剂，严格按照标准规范进行盐雾、湿热、腐蚀、高低温性能试验等环境试验。

4.5 特殊因素的处理

在其他因素的影响方面，注意要考虑突发情况的影响。在锚索施工场地,尽量避免爆破和重型机械设备的使用,在不得不使用的情况下,尽量使其远离锚索施工地点,或者将预应力锚索张拉锁定工作安排在最后的工序，避免对锚索预应力产生较大的影响。在施工期, 锚索受冲击荷载影响较大。锚固岩土体中发生的冲击力会引起应力损失, 冲击荷载对预应力的影响主要反映在两个方面：一是在软岩体中, 锚根因爆破而松动, 预应力损失；二是锚根无松动, 预应力增加。因此，在锚索的施工过程中，应该严格控制锚索受到冲击荷载的作用。

5 结 语

综上所述，对于预应力锚索的预应力损失，其影响因素复杂多样，主要包括钢索张拉与锁定的影响、锚固体的力学性质和蠕变对锚索预应力的影响、锚索施工的影响以及锚索工作环境的影响等因素。因此，在实际工程中，我们应该严格控制主要因素的影响，为减少锚索预应力损失，进一步将锚索预应力体系达到最优的设计、施工及使用效果。通过实例分析，给出了减少预应力锚索预应力损失的建议，对相应的实际工程提供一定的参考依据，同时为预应力锚索在工程中的应用打下坚实的基础。