地层压缩徐变对锚索预应力损失探讨

2022-02-14蒲黍絛陈再谦

贵州大学学报(自然科学版) 2022年1期

蒲黍絛,陈再谦

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州贵阳 550081)

随着城市建设的发展，对市政道路的挖方边坡及建筑深基坑的锚固提出更高的要求。在众多的锚固措施中，预应力锚索具有能够利用土体自重形成自锁结构、提高围岩加固体的刚度并充分发挥岩土体的固有承载力等优点，占据十分重要的地位。

在工程运用中，预应力锚索往往伴随预应力损失的现象。在地质条件较差的岩土环境中，锚索的预应力损失往往较为严重。目前，大量学者对锚索的预应力损失进行了一系列的研究，取得了较为丰硕的成果[1-10]。

研究结果表明，锚索预应力损失的影响因素多，大致可归纳为两部分：一部分是锚索张拉锁定后，在较短时间内由于锚索体系的回弹变形、锚墩下基础变形及张力系统的摩阻力等原因造成的预应力损失；另一部分是在长期荷载作用下，由于地层压缩徐变、灌浆材料的蠕变及钢绞线应力松弛等原因造成的预应力损失。其中，地层压缩徐变是造成锚索预应力损失的主要因素。

本文在前人研究成果的基础上，以市政边坡工程为研究背景，在现场监测数据的基础上，研究地层压缩徐变引起的锚索预应力损失，为工程设计施工等提供一定的参考。

1 锚索预应力损失因素分析

1.1 短时间内锚索预应力损失分析

在锚索张拉锁定后的较短时间内，预应力损失主要是因为张力系统的摩阻力、锚索体系的回弹变形及锚墩下基础变形等造成的。研究结果表明[11-12]，在锚索张拉约3～10 d的预应力损失约占总预应力损失的30%～50%。因此，在张拉锁定3～10 d后进行补偿张拉是消除预应力损失的有效办法。

1)锚索体系回弹变形的影响

由于预应力锚索的外锚固端采用的是锚索、垫墩以及夹片等构成的自锚体系，在荷载加载结束，钢绞线向边坡内回缩，这种钢绞线和外锚固端的卡牢回缩过程也会造成锚索预应力的损失。在锚索的拉拔试验中，锚索外锚固端的位移随荷载加卸载变化，卸载时会产生钢绞线的回缩，这也是造成锚索预应力瞬时损失的主要因素。

2)张力系统摩阻力的影响

锚索张拉系统主要包括千斤顶和油泵等。研究表明[13]，张拉系统的摩擦阻力引起的预应力损失在2%～4%之间，油压表所记录的拉力比钢绞线实际受荷大2%～4%。如果设计张拉荷载是以油压表的读数记录为基础，则设计张拉力应考虑张拉系统部分的应力损失。

3)锚墩下基础变形的影响

在预应力荷载作用下，锚索锚墩下的土体产生变形，从而引起预应力的损失。这部分预应力的损失与锚墩下岩土体的变形量有关。若锚墩下为刚度较大的支护结构体，该部分预应力损失量有限，可忽略不计。

1.2 长期荷载作用下锚索预应力损失分析

锚索在长期荷载作用下的预应力损失是设计中较为受关注的问题，因为它关系到预应力锚索的安全性和耐久性。预应力锚索在长期荷载作用下，其预应力的损失量主要由地层压缩徐变、灌浆材料的蠕变及钢绞线应力松弛3部分构成，下面将一一进行分析。

1)地层压缩徐变的影响

通过大量的工程实践资料和研究成果的总结研究发现，锚索预应力损失的主要原因是岩土体的压缩徐变造成的。岩土体是一种力学性质十分复杂的弹塑性介质，在受荷情况下裂隙被压密，发生塑性和弹性变形，导致锚索产生松弛现象，因而出现预应力的损失，预应力损失速度和岩土体的徐变速率一致，随着时间的增加而不断减缓，最终达到平衡状态。结合工程实践，经验表明，一般岩质边坡预应力的损失率约为15%～20%，当锚固段部位所处岩层为较破碎岩体时，相应的预应力值损失率约为20%～25%。而当锚索后的地层存在土层时，预应力值的损失率将更高，地层徐变对锚索预应力损失影响是长期的。

2)灌浆材料蠕变的影响

徐变是灌浆材料(混凝土材料)的重要特征，在长期恒定荷载作用下，变形随时间增长而不断增加。影响灌浆材料徐变特性的因素主要有：施加的荷载历时、环境温度、加荷龄期、湿度等。一般荷载历时增加，徐变增大；加载龄期越小，徐变越大；环境温度越高，徐变越大；环境湿度越高，徐变越大。因此，灌浆材料的徐变也是造成锚索预应力损失的重要因素之一。

3)钢绞线应力松弛的影响

任何钢材都具有应力松弛的特性。在长期受荷情况下，钢绞线的松弛量与受荷大小及环境温度有关，一般随荷载的增加而增大，随环境温度的升高而增大。金属材料的蠕变主要是材料内部晶格间错位的累积，进而在晶界和晶格间产生微裂纹和微孔洞，从而导致变形随时间增长而增大。钢绞线松弛对预应力损失量在5%～10%，影响主要集中在锁定初期。

2 工程实例

2.1 工程概况

工程地位于贵州省贵阳市，整个地块呈现方正布局，占地面积约16 713 m2，其中建筑面积约为8 000 m2。场地地面标高为1 287.70～1 329.00 m，地形坡度为10～25°，地势起伏较大，整体呈现南高北底。设计场平标高1 294.7 m，场平后再南侧形成永久挖方边坡，边坡高度为7～28 m。平面布置图如图1所示。

图1 边坡设计平面布置图

整个南侧分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个区段进行边坡设计，其中：

I区：位于南侧西段，长约60 m，坡向正北，该段边坡开挖后，坡高7～28 m，边坡坡顶为覆盖层，厚度约4.8 m，为可塑状粘土，坡体下部为灰岩，为岩土混合质坡体，为横向坡。

Ⅱ区：位于南侧中段转角位置，长约60 m，坡向280～320°，该段边坡开挖后，坡高18～28 m，边坡坡顶为覆盖层，厚度约5.0 m，为可塑状粘土，坡体下部为灰岩，为岩土混合质坡体，为顺向坡。

Ⅲ区：位于南侧东段，长约100 m，坡向朝北，该段边坡开挖后，坡高20～28 m，边坡坡顶为覆盖层，厚度约7.0～10.0 m，为可塑状粘土，坡体下部为灰岩，岩土混合质坡体，为横向坡。

场区出露地层为三叠系下统大冶组第一段(T1d1)地层，为浅灰色薄至中厚层灰岩，岩芯完整性较好，为较硬岩。场区岩层产状为290°∠40°～45°。

边坡设计方案采用抗滑桩+锚索的方案进行支护处理，锚索设计预应力700 kN。施工中按设计预应力的10%进行超张拉，即总施加预应力为770 kN。

2.2 锚索预应力的现场测试情况分析

分别在Ⅰ区、Ⅱ区及Ⅲ区选择2根锚索(编号为MS1-1、MS1-2)、2根锚索(编号为MS2-1、MS2-2)及4根锚索(编号为MS3-1、MS3-2、MS3-3、MS3-4)进行锚索预应力的监测，监测数据如表1所示。

表1 各区锚索预应力监测初始值

目前大部分研究成果是围绕岩质边坡进行探讨的，研究成果表明预应力损失一般为总预应力的20%，岩体破碎的可达25%。本工程根据监测数据显示预应力损失值很大，特别是Ⅲ区监测时其初始预应力已经衰变了54.2%。与前人研究成果不同的是，本工程边坡不是纯岩质边坡，为岩土混合边坡，一部分锚索穿过土层之后才进入岩层，由于土层的压缩模量远小于岩石，在锚索预应力荷载作用下，土层产生的压缩变形远远大于岩层。因此，可认为本工程锚索预应力衰变如此之大，究其原因是在预应力荷载作用下，土层产生较大的压缩变形，导致锚索预应力损失较大。在施工工艺及其他因素相同的情况下，各区地质条件不一样(主要是锚索后土层厚度不一样)，导致各区锚索预应力损失不一致。其示意图如图2所示。

图2 锚索后土体厚度x与支护体系关系示意图

2.3 地层压缩徐变引起预应力损失分析

考虑到各区锚索的施工工艺基本相同，由锚索体系回弹变形、张力系统摩阻力、锚墩下基础变形、灌浆材料蠕变及钢绞线应力松弛各因素引起的预应力损失值基本一致。因此，在讨论地层压缩徐变引起预应力损失分析时，就不一一将上述预应力影响因素引起的损失值进行计算，而是将其包含在总损失值里面讨论地层压缩徐变引起预应力损失。

考虑到岩层的刚度远大于土层，且岩体内裂隙在荷载作用下挤密变形发生弹性和塑性变形需要考虑时间效应，短时间内发生的变形量忽略不计，由此引起的预应力损失忽略不计。在预应力荷载作用下，土层的变形量远大于岩层，因此在讨论时，忽略岩层的压缩徐变，仅讨论土层。根据现场锚索钻孔记录数据，各区锚索土层段厚x度如表2所示。

表2 各区锚索后土层厚度x及预应力损失量

将土层厚度和对应的预应力损失量进行拟合，得到如图3所示的关系曲线。

图3 土层厚度和预应力损失关系曲线

考虑到除地层压缩徐变引起锚索预应力损失外，还有其他因素引起锚索预应力损失。因此，地层压缩徐变引起锚索预应力损失量不会无限大，会有个限值，本工程根据拟合数据揭露限值x约为13.5。当土层厚度x≤13.5 m时，锚索预应力损失量处于增加的趋势；当土层厚度x>13.5 m时，锚索预应力损失趋于一个稳定值，支护体系和岩土层达到一个平衡状态。

基于此，可将地层压缩徐变引起锚索预应力损失分为两阶段：

第一个阶段：在土层厚度未达到限值x时，锚索预应力损失量随着土层厚度增加而增加，其关系可用下述表达式阐述：

(1)

从式(1)可知，当x=0时，y=76.57 kN，考虑到灌浆材料蠕变的时间因素，在张拉后的短时间内，由锚索体系回弹变形、张力系统摩阻力及钢绞线应力松弛等因素引起的预应力损失约占设计荷载的10%(x=0时)。

第二个阶段：在土层厚度超过限值x后，锚索预应力损失量随着土层厚度增加几乎不变，损失量趋于一个稳定值，支护体系和岩土层达到一个平衡状态。

由式(1)可知，当x→∞，y→472.7，即对于本工程预应力损失最大值为472.7 kN，占总设计荷载的61.4%。

根据上述分析，在张拉后初期，由锚索体系回弹变形、张力系统摩阻力及钢绞线应力松弛等因素引起的预应力损失约占设计荷载的10%。基于此结论，可以得到本工程由地层压缩徐变引起的最大预应力损失量约为395.7 kN，占总设计荷载的51.4%。