路基高边坡锚索加固方案的预应力损失分析

付冬林

（上海同济检测技术有限公司,上海 201900）

0 引言

随着经济的高速发展，我国高速公路建设数量逐渐增多，边坡治理问题成为影响高速公路质量的重要难题。部分高速公路由于地形地貌结构复杂特殊，须对边坡进行合理有效治理，确保其稳定性，保障道路安全。预应力锚索加固施工便捷、成本低廉、加固效果显著[1-3]。该文针对高速公路路基边坡锚索加固预应力损失诱因进行分析，并提出针对性改善措施，对提高边坡稳定性、确保高速公路质量具有深远意义。

1 工程概况

某高速合同段，路基高边坡锚索加固项目，顶面长度21 m，高42 m，路基底面长度48 m，边坡如下图所示，其由自然边坡与人工边坡共同构成。图①和图③为自然边坡，图②为人工边坡，两者坡度分别为1 ∶1.25和1 ∶1.2。

路基高边坡锚索加固时，人工开挖边坡，表面浇筑混凝土，厚度约30 cm，随后设置高强度低松弛钢绞线，进行预应力锚索加固，锚索共3 道，间距8.5 m，详见图1 所示。

图1 边坡计算模型示意图

2 模型建立

以ANSYS 有限元软件进行预应力锚索路基高边坡数值模型的建立，有限元模型如图2 所示，模型为6 节点5 面体单元，节点7 235个，单元5 618个。

图2 有限元模型示意图

采用二维4 节点平面应变单元，在有限元模型中模拟岩土，同时采用二维杆单元LINK1 模拟锚索，采用初应变法施加预应力。设置约束条件对锚索边坡加固环节进行精确数据计算：1）约束边坡左侧位移和底部竖直位移；2）确保边坡左右对称，且无剪应力存在；3）无路基边坡竖向限制，存在竖向变形可能性。表1 为有限元模型选取材料的详细物理参数值。

表1 材料物理力学参数选取

3 锚索预应力损失原因分析

岩土体蠕变、张拉锁定、浆体收缩、钢绞线松弛、施工工艺等均为路基高边坡锚索加固时锚索预应力损失的主要诱因[4-5]。

3.1 锚索张拉过程中预应力损失

锚索钻孔过程中，由于加固锚索较长和设备自身振动以及自重等因素影响，可能导致钻杆弯曲下沉，使钻道弯折难成直线。弯曲程度越大，锚索张拉过程中出现应力损失的可能性越大，锚索钻孔弯曲度与锚索预应力损失值之间的关系如式（1）所示。

式中，P——锚索张拉荷载；ΔP——锚索预应力损失值；n——锚索钻孔孔道偏斜率。

锚索张拉系统包括千斤顶、增压油泵、输送油管和压力表，使用过程中选择张拉方式不同，会导致锚索预应力损失程度有所差异。结合地形因素和环境条件，实践中多以单台设备依次张拉锚索，该方案虽然使用便捷且可操作性强，但是使用中易造成锚索变形，预应力损失程度较大。

3.2 锚索锁定时预应力损失

随着锚索被张拉，其预应力逐渐增加至荷载水平，此时将千斤顶卸载后，在卡片与钢绞丝的瞬时收缩力作用下，锚具被瞬间锁定，与此同时锚索与孔道之间存在的摩擦作用力、钢绞丝回缩作用力影响下，会使锚索预应力出现不同程度的损失[6]。

3.3 锚索锁定后预应力损失

锚索锁定后出现预应力损失是一个长期演变的过程，对此产生影响的因素包括施工工艺、岩体变形、注浆材料选择、钢绞丝松弛等因素。图3 为锚索锁定之后预应力损失情况。

图3 锚索预应力长期变化曲线

4 锚索预应力损失影响分析

选用ANSYS 建立有限元模型，为探究锚索预应力损失和锚索变形及锚索加固边坡安全系数之间的关系，假定每次锚索预应力的损失为200 kN，分别探究锚索预应力在0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情况下的模型变化规律并对其进行讨论，结果如下：

4.1 锚索预应力损失对安全系数影响

借助ANSYS 有限元软件建立锚索加固边坡数值，比较锚索预应力数值为0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情况下锚索加固边坡安全系数变化情况，并对其变化规律进行分析，详见图4 所示。

图4 锚索预应力－安全系数变化曲线

对图4 分析可知，锚索加固边坡安全系数与锚索预应力水平之间存在相关性，锚索加固边坡安全系数随锚索预应力的减小而降低。证明锚索加固边坡此时的安全性最差，稳定性不足。

4.2 锚索预应力损失对位移和变形影响

采用有限元软件建立边坡数值模型，探究锚索预应力损失与锚索加固边坡位移和锚索变形之间的关系，针对锚索预应力分别为0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情况下的锚索加固边坡主应力值、剪力值、最大位移值等变化规律进行分析，详见图5 所示。

对图5 分析可知：1）随锚索预应力损失越大，锚索加固边坡的水平位移值和竖向位移值越大。锚索预应力从最大值1 200 kN 变为1 000 kN 时，边坡位移并无明显变化，表明预应力损失初期无边坡位移。当预应力水平从200 kN 降低到0 kN 时，边坡位移明显增加，锚索预应力完全丧失，锚索加固边坡位移巨大，边坡稳定性受阻。2）锚索预应力减小的情况下，边坡剪应力与主应力也随之减小，主应力随锚索预应力损失变化的趋势小，剪应力随锚索预应力损失变化的趋势大，即锚索预应力损失对边坡剪应力的影响较大。

图5 锚索预应力分别与位移和应力变化曲线

4.3 锚索预应力损失对塑性区变形影响

通过有限元软件ANSYS 建立边坡数值模型，对锚索预应力损失与锚索加固塑性区变形之间的内在关联进行研究，并对锚索预应力取值为400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN 情况下的锚索边坡塑性区变化情况进行了对比性分析。结果如下：1）随着锚索预应力损失程度增加，边坡塑性区位移值增大；2）锚索预应力水平为1 000 kN时，边坡塑性区位移并无明显变化，而当锚索预应力损失到800 kN 时，边坡塑性区位移值增大；3）锚索预应力损失后取值为600 kN 时，塑性区坡脚出现隆起；4）锚索预应力损失至400 kN 时，塑性区扩展，边坡中心位置被侵犯，即边坡稳定性显著降低，出现了明显的滑动面，即边坡变形[7-8]。

5 施工建议

锚索预应力损失与注浆材料、施工工艺、钢绞丝松弛张拉等密切相关，这是一个不可避免的过程，而采取有效措施降低锚索预应力损失值，则是提高边坡稳定性的重要举措。

（1）钢绞线具备松弛特性，易在荷载作用下导致锚索预应力损失，需选高强度低松弛性能的钢绞线，作为锚索材料。

（2）锚索预应力损失最大的阶段在锚索张拉过程中，需进行张拉补偿，以减轻预应力损失。

（3）注浆材料包括水泥、细砂、添加剂、水等，需合理配备材料比例达到施工要求，符合工艺规范。浆体密实度须大于90%，提高浆体与锚固基岩间黏结强度，确保二次高压劈裂注浆效果。

（4）钻孔过程保持孔道垂直，避免锚索穿梭过程中扭转。

6 结论

该文对锚索加固边坡锚索预应力损失的诱因进行了分析，并结合实践得出以下结论：

（1）锚索加固边坡预应力损失主要分为长期损失和短期损失两种类型，前者由钢绞线松弛、岩土体蠕变、浆体收缩等引起，后者由张拉锁定时预应力瞬时损失引起。锚索预应力损失会导致边坡水平、竖直位移增加，从而降低边坡安全系数，主应力、剪应力减小，边坡塑性区变形增加。

（2）为减少锚索预应力损失可选用以下措施：选择高强度低松弛钢绞线；确保钻孔过程中孔道垂直和锚索无扭转；张拉过程同步张拉并进行补偿；注浆工序确保浆体质量与密实度。