溫彥良，常來山，張治強

(遼寧科技大學 資源與土木工程學院，遼寧 鞍山 114051)

隨工程建設的發(fā)展，工程中遇到的巖土加固問題也越來越突出，預應力錨固技術是現(xiàn)今巖土加固的一項重要手段，因此在大量的巖土加固工程中得到了廣泛應用。但是，在預應力錨索施工和使用過程中會出現(xiàn)預應力損失現(xiàn)象，錨索實際有效預應力大小成為評價加固工程效果好壞的一項基本因素。目前，有許多學者對此進行了研究[1-4]，研究表明，預應力損失與材料性質、被錨因介質力學特性、錨夾具的加工質量、施工工藝及運行管理水平有關。錨索的預應力損失，主要來源于三個方面，即張拉過程的損失、錨索鎖定過程的損失和由于時間的變化而引起的預應力損失。

張拉過程中的預應力損失，主要由預應力錨索同孔壁的摩擦和張拉千斤頂?shù)哪ψ枇Υ笮Q定。若鉆孔平直，錨索安裝后不接觸孔壁，則損失很小或不產(chǎn)生預應力損失。張拉千斤頂?shù)哪Σ翐p失一般只有1%，所以這一損失很小，可以用超張拉來消除。

預應力的鎖定損失。錨索張拉程序完成后，當張拉千斤頂卸荷時，是靠工作錨板來鎖定錨索的。鎖定時，鋼絲或鋼絞線均產(chǎn)生一定量的回縮，回縮量大小決定了錨索預應力損失的大小。錨索鎖定后，回縮量大小與錨夾具的設備和制造工藝有關，可通過檢測設備測量得到，并可以通過超張拉、施工工藝和補償張拉來補償。

但由于時間的推移，引起的預應力損失不僅因素復雜，計算具體損失量也十分因難，一般只能在設計中，充分考慮各種因素可能引起的預應力損失后，從安全度予以考慮。由時間引起的預應力損失，主要有預應力筋的松弛、混凝土的徐變、被錨固介質的流變，以及運行管理期間的各種不利情況等[5]。

本文以數(shù)值模擬的手段，對時間的變化所引起的錨索預應力損失情況進行了統(tǒng)計和分析，并對減少預應力損失措施的結果進行了分析對比。

1 模型計算條件

1.1 模型特點、邊界條件及模擬方法

計算模型中錨索全長6m，錨固段長1m，自由段5m，沿y方向布置于模型的中心,外錨固端位于坐標原點。考慮到計算精度的要求和邊界效應的影響，最終確定計算模型尺寸取為20m×40m×20m的正六面體。為了提高計算的精確度，單元呈放射狀分布，錨索布于模型中部,這就使得錨索所處的地方單元密度最大,模型共18000個單元，19277個節(jié)點。

為了合理的對墊墩進行模擬，此處采用有限差分程序中的襯砌單元模擬墊墩。墊墩邊長取20cm，厚度10cm，模型數(shù)值計算采用摩爾-庫侖準則。

文中主要研究錨索預應力及其損失的變化規(guī)律，因此簡化模型的受力狀態(tài)，可以更清楚的表現(xiàn)錨索預應力的變化規(guī)律。數(shù)值試驗中簡化的模型，除了一個受到墊墩壓力作用的側面為自由面外，其他5個側面均采用法向約束；不考慮其它荷載的影響，也忽略介質的重力作用[6]。

因為錨索預應力，對其加固效果有著較為明顯的影響，那么準確施加錨索預應力就關系著計算的精度問題。預應力錨索在施工時，一般先將錨索插到孔底，然后在孔底注入一定長度的漿體，等到這部分漿體和錨索硬化到能承受起錨索的初始張拉力時，才進行預張拉，最后鎖定。錨索的模擬采用有限差分程序中提供的錨索單元進行，首先讓錨索都有了一定程度的張拉，然后將其與墊墩連接并設為剛性鉸結，使其不會發(fā)生相對錯動。由于錨索的被動拉伸會帶動墊墩擠壓巖體，從而使墊墩的作用得以體現(xiàn)。由計算的結果可以看出，采用這種方法來模擬錨索和墊墩的共同作用是合理的。

1.2 模型的力學參數(shù)

本文旨在定量研究時間變化條件下，錨索預應力變化的規(guī)律。設計預應力60kN，模型介質為粗砂巖，巖體力學參數(shù)經(jīng)Hoke-Brown準則對巖石參數(shù)進行折減確定。灌漿體選用水泥砂漿，錨索直徑為φ20 mm，材料具體力學參數(shù)見表1。

表1 材料力學參數(shù)表

2 計算結果分析

根據(jù)計算結果(圖1、圖2)可見，錨索預應力變化分為三個階段：預應力降低階段、預應力回升階段、預應力穩(wěn)定階段。

圖1 錨索預應力變化規(guī)律

圖2 外錨頭和內(nèi)錨頭巖體Y向位移變化規(guī)律(向右為正，向外為負)

預應力降低階段：錨索預應力從60kN降低到45.5kN，損失了24.16%左右。錨固鎖定后，錨索各點預應力沿軸向均勻分布，開始逐漸下降，原因在于巖體的徐變，巖體徐變是錨索預應力損失的主要來源。由于巖體本身存在大量的節(jié)理、裂隙，在外加預應力荷載作用下，必然被壓縮，而這一過程不是短時間能完成的，需要持續(xù)一段時間。一般來說，巖體質量越好，節(jié)理裂隙越少，巖體的變形越小，徐變也越小，持續(xù)的時間也短。而對于多裂隙的軟巖，其預應力損失就相當可觀。由圖1、圖2可知，在此階段，巖體的徐變主要發(fā)生在外錨頭附近的壓應力集中區(qū)，外錨頭附近巖體Y向位移明顯增大，且位移增大規(guī)律與錨索預應力降低規(guī)律完全一致；而此階段內(nèi)，錨頭附近巖體軸向位移基本穩(wěn)定，變化不明顯。

預應力回升階段：預應力從45.5kN回升到49.1kN，此階段預應力出現(xiàn)了小幅回升，回升幅度6%。錨索與被加固巖體組成了一個錨固體系，錨固體系內(nèi)的錨索和被加固介質的相互作用是一個調整的過程。錨索加固巖體使巖體出現(xiàn)壓縮形變，巖體的壓縮儲存的彈性能量也會對錨索產(chǎn)生拉升作用，從而使得錨索的預應力出現(xiàn)小幅回升。

預應力穩(wěn)定階段：預應力穩(wěn)定在48.9kN，并隨時間開始出現(xiàn)微量下降。錨固體系內(nèi)，錨索和被加固巖體的相互作用基本穩(wěn)定，達到了一個相對平衡的狀態(tài)，總預應力損失18.5%。

3 提高預應力措施

(1)補償張拉。初始預應力損失造成預應力的不足，可以在初始錨固相對穩(wěn)定后，進行補償張拉。補償張拉值的大小為損失的預應力，即損失多少補償多少。文中初次錨固損失11.1kN，因此補償張拉量為11.1kN，計算結果見圖3。

圖3 補償張拉錨索預應力變化規(guī)律

可見，補償張拉后，由于又施加了預應力，錨固體系內(nèi)平衡狀態(tài)被打破，錨索和被錨固巖體之間再次相互作用，錨索預應力經(jīng)過預應力降低階段、回升階段，從而又達到一個新的穩(wěn)定階段。最終預應力穩(wěn)定在57.3kN，比設計預應力降低了2.7kN，總預應力損失4.5%，比補償張拉之前降低了14%。

(2)超張拉。為了彌補初始預應力損失，可以在施加初始預應力時進行超張拉，即張拉值大于設計預應力，一般超張拉值是設計預應力的110%～130%。文中確定初始超張拉值為70kN，經(jīng)計算，最終預應力值穩(wěn)定在57.48kN(圖4)，比設計預應力值低2.52kN，與設計預應力相比，預應力損失為4.2%，比不采用超張拉降低了14.3%。

對比圖4與圖1可知，不同預應力情況下，錨索預應力的變化規(guī)律完全相同，都經(jīng)歷了降低、回升和穩(wěn)定三個階段，可見這是鎖定后錨索預應力變化的一個基本規(guī)律；同時初始預應力的損失比例基本相同，初始預應力60kN時，預應力損失18.5%，初始預應力70kN時，預應力損失17.9%，因此，鎖定后，錨索預應力絕對損失與初始預應力關系不大。

圖4 超張拉錨索預應力變化規(guī)律

對比補償張拉和預張拉兩種措施，可以發(fā)現(xiàn)，這兩種方法都能有效降低預應力的損失，效果都很明顯。但補償張拉施工相對麻煩，同時應做好預應力檢測工作；而預張拉則比較簡單，但預張拉的量值應合理設計，否則會影響錨固效果。

另外，合理增大墊墩的外形尺寸，選用屈服拉力較大的錨索等，都可以降低錨索預應力損失，再此不予探討。

4 結論

(1)數(shù)值模擬技術相比于現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗有很大的優(yōu)越性，簡便易行，結論可靠。

(2)鎖定后，錨索預應力的變化經(jīng)歷了降低、回升和穩(wěn)定三個階段。預應力鎖定前，內(nèi)錨頭附近巖體位移較大；而鎖定后，外錨頭附近巖體的位移較大，是造成預應力損失的主要原因。預張拉的施工應在預應力穩(wěn)定階段。

(3)對補償張拉和預張拉在降低預應力損失方面的效果進行了對比，結果表明，這兩種措施效果明顯，都可大幅提高穩(wěn)定狀態(tài)的錨索預應力，且結果差別不大。

(4)預應力錨固系統(tǒng)內(nèi)錨索和被錨固介質是相互作用的，預應力的降低是錨索和被錨固介質動態(tài)調整的結果。

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