何 飛，穆 銳

(1.貴州中建建筑科研設計院有限公司，貴陽 550006； 2.陸軍勤務學院 軍事設施系，重慶 401311)

0 引 言

隨著建筑深基坑、公路等建設的不斷發(fā)展, 邊坡的加固已成為關鍵，各種不良地質條件、高陡邊坡的出現(xiàn)，使預應力錨索穩(wěn)定狀態(tài)在加固工作中占有十分重要的地位。例如，對于永久性錨索而言,其錨固端必須進入穩(wěn)定巖層, 且對錨索進行張拉,以便充分發(fā)揮錨索的錨固作用。

多年來，大量學者對錨索的預應力損失研究表明，在實際工程中，錨索在使用中往往伴隨著預應力損失現(xiàn)象，且預應力損失較為嚴重。周永江[1]、褚曉威[2]、阮志新[3]等對錨索預應力損失機理進行了相關研究，其中周永江在具體分析影響預應力損失的各種因素的基礎上，給出具體計算方法，主要包括松弛模型,圍巖體流變模型，灌漿材料采用蠕變模型等計算模型；褚曉威、阮志新對預應力錨索支護的核心參數(shù)(減摩方式、螺紋參數(shù)、構件匹配及現(xiàn)場施工因素等)進行損失機理分析，提出了預應力損失的控制措施。李建林[4]、張金龍[5]等在卸荷條件下研究了預應力錨索預應力損失的影響因素，其中李建林通過卸荷巖體錨固預應力變化的巖體應力狀態(tài)、巖體性質與流變、錨固時間、鋼材松弛、施工質量、錨索結構與環(huán)境變化等因素討論了預應力損失，得出不同因素對卸荷巖體錨固預應力損失的影響效應和因素與預應力損失的耦合作用；張金飛根據(jù)預應力錨索施工過程，將錨索預應力損失分為張拉損失、鎖定損失和隨時間的損失，通過分析得到錨索現(xiàn)存荷載基本滿足加固設計要求。任麗芳[6]、汪劍輝[7]、申慶成[8]等在邊坡加固及治理工程中對預應力錨索的預應力損失進行了研究，其中任麗芳、汪劍輝對邊坡的加固機理進行探討，得到預應力錨索加固邊坡的機理、錨索預應力損失的影響因素以及錨索預應力的變化規(guī)律并在此基礎上提出應力補償?shù)拇胧?。同時結合具體工程,對錨索預應力損失情況進行總結分析，在土木工程領域中的地下洞室、高邊坡、大壩壩基、橋墩等重大工程的穩(wěn)定性加固中,為預應力錨索或錨索的預應力損失提供有效的預防措施。黃璐[9]、席光勇[10]、陳賓杰[11]等基于高速公路邊坡工程以及預應力錨索的施工過程進行預應力損失的探討，主要包括預應力錨索加固邊坡的機理、設計和施工管理人員對預應力錨索的數(shù)理統(tǒng)計，以此來分析影響因素，提出預防措施。溫彥良[12]、韓光[13]、周德培[14]、蘇學貴[15]、田密[16]等通過數(shù)值仿真試驗、工程測試、張拉工藝、理論及錨索試驗等幾方面來分析預應力錨索預應力損失的原因，分析綜合考慮因素，得到錨索預應力的變化經(jīng)過下降、回升和穩(wěn)定3個階段，其影響因素主要包括外錨頭附近巖體的徐變、錨索材料鋼絞絲的松弛、錨固對象巖土體的變形、 地層蠕變、 混凝土收縮與蠕變、 荷載設計不當、 爆破與地震作用以及張拉工藝等，同時提出補救措施，為錨固技術的應用提供科學依據(jù)。除此之外，宋修廣[17]、潘文成[18]、杜斌[19]、余開彪[20]等對錨索在特殊情況下的預應力損失作了研究。其中，宋修廣結合實際軟巖邊坡工程, 比較分析施工期和雨季中大量的監(jiān)測數(shù)據(jù), 詳細探討邊坡在最不利時期中影響預應力變化的主要因素及變化特點，包括錨索材料、施工影響及外部因素等；潘文成運用灰色理論模型對錨索樁板墻鎖定后前期預應力變化及后期預應力損失進行了趨勢性分析預測；杜斌通過抗滑樁的試驗進行了預應力錨索的預應力損失研究，研究表明采用間隔式開挖方法比采用常規(guī)的順序開挖方法產(chǎn)生更小的塑性區(qū)面積和圍巖變形,支護結構安全系數(shù)相對較高，可以減少錨索的預應力損失；余開彪通過對襄一十高速公路錨索預應力模擬計算,得到預應力錨索損失模型，可以很好地對預應力錨索預應力損失進行預測。

錨索預應力損失的影響因素有很多方面，本文結合貴陽某實際工程的預應力錨索監(jiān)測項目，根據(jù)錨索應力的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預應力損失的分析。同時，結合已有的研究成果，對預應力錨索的預應力損失影響因素進行論述，提出預應力錨索的預應力損失影響因素，為實際工程中預應力錨索的設計、施工以及加固等提供相應的參考依據(jù)。

1 工程實例

1.1 工程概況

該工程位于貴陽市，總用地面積10 802 m2，建筑占地面積7 179.9 m2。長軸沿北東方向，建筑平面特征為不規(guī)則，長112.880 m，寬80.750 m，擬建物設計高程(±0.00)為1 077.53 m；設4層地下室，地下室底板高程為1 057.93 m。該項目層數(shù)為-4+3+29F，框支-剪力墻結構，擬采用柱基，設計軸力最大荷載為30 000 kN。根據(jù)場地周邊現(xiàn)狀地面標高及地下室底板設計標高，基坑開挖后形成高12.5～23.0 m左右的基坑邊坡，邊坡形狀不規(guī)則，各側長度8.0～125 m不等，邊坡周長約374.198 m，為臨時性邊坡，見圖1。

場地北側為貴陽市重要干道，地下室邊線與人行道的距離為3.0～4.8 m；東側和南側分布的建筑物較多，東側為多層建筑物，其地面邊線與地下室邊線距離為2.0～5.0 m，南側為兩棟多層及一棟高層建筑物，其地面邊線與地下室邊線距離為15.36～36.0 m；西側為一條街道和一棟多層建筑，距離基坑較近，其地面邊線與地下室邊線距離為1.0～16.0 m；基坑周邊的環(huán)境條件復雜，基坑深度均大于12 m，場地的地下水位較高。根據(jù)基坑邊坡工程施工圖設計可知，基坑邊坡安全等級為一級。

圖1 項目基坑邊坡平面

1.2 錨索預應力的現(xiàn)場測試情況

該工程項目由于地形和規(guī)劃的需要,在基坑周圍已經(jīng)形成超高邊坡，采用預應力錨索的整治方案,是較為典型的基坑高邊坡工程。為確保該邊坡整治工程的安全施工及正常運行及為了監(jiān)測預應力錨索預應力的作用效果,本文的研究依據(jù)基于本工程的預應力錨索實體，選取5根具有代表性的預應力錨索作為監(jiān)測對象, 分別對其安裝預應力錨索計進行實時監(jiān)測。被監(jiān)測錨索的基本參數(shù)見表1。

表1 錨索基本參數(shù)

2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對上述5根錨索的監(jiān)測，本文將變化規(guī)律相同的錨索作為對比分析，具體分組為：組合1：15053號錨索和15054號錨索；組合2：15058號錨索和120208號錨索；組合3：15055號錨索。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)得到錨索的錨索張力隨時間的變化情況，具體見圖2、圖3、圖4。對現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)及現(xiàn)場的觀察結果進行分析，得到以下結論。

圖2 15053，15054號錨索預應力變化規(guī)律

預應力錨索張拉后 20天內(nèi),通過圖2、圖3及圖4可以看出，預應力錨索的預應力損失值變化趨勢較為明顯的，尤其是在張拉后的一周時間內(nèi)是變化最顯著的，隨著時間的推移，錨索的預應力損失趨于穩(wěn)定，預應力損失較小。由此可以看出，錨索預應力損失在張拉初期大,后期基本維持在一個相對穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。這與康紅普等[21]的研究結論是一致的，即在錨索張拉鎖定后,不要急于處理剩余的張拉段的鋼絞線，待錨索的預應力穩(wěn)定后再進行處理，這樣可以保證錨索的應力滿足設計要求。

圖3 15058，120208號錨索預應力變化規(guī)律

圖4 15055號錨索預應力變化規(guī)律

由圖3可知，隨著監(jiān)測時間的增加，對于組合2：15058號錨索和120208號錨索而言，錨索預應力損失值并非固定為一個恒定值，還與錨索的工作環(huán)境有關系，即錨索預應力損失還與工作環(huán)境的溫度、季節(jié)以及氣候變化(與張宏博等[22]的描述一致)等因素有關，存在“上下波動”現(xiàn)象，這與文獻[19]、文獻[23]、文獻[24]的結論相似。

由圖4可知，組合3：15055號錨索的預應力損壞隨時間變化在15～19天的范圍變化斜率最大，出現(xiàn)了拐點，這說明該錨索在此階段的預應力損失是最大的。這與施工期間的降雨有關，根據(jù)監(jiān)測報告知，當時存在降雨，影響了錨索預應力的損失幅度。據(jù)此可以說明，降雨量及降雨歷時對錨索預應力有較為顯著的影響，主要反映在強度較低，同時對滲透系數(shù)較大的基坑及邊坡有較大的影響。進一步分析顯示，降雨入滲對錨索預應力的影響過程可劃分為3個階 段(見圖2中15054號錨索的變化規(guī)律)，第1階段是錨索預應力減小階段；第2階段是錨索預應力增加期；第3階段是錨索預應力損失階段。

3 預應力損失的影響因素

3.1 錨索張拉與鎖定的影響

張拉過程的預應力損失主要由預應力錨固過程中水分入滲對錨索預應力的影響與鉆孔孔壁的摩擦和張拉千斤頂?shù)哪ψ枇餐瑳Q定；鎖定過程的預應力損失主要由錨索張拉程序完成后,在卸荷時，主要利用錨具夾片和錨墊板間相互作用來鎖定預應力,所以鋼絞線會產(chǎn)生一定的收縮,這一收縮量的大小決定了錨索預應力損失的大小。

3.2 巖土體力學性質和蠕變對錨索預應力的影響

巖土體蠕變是錨索預應力損失的主要來源，巖土體結構質量越好，節(jié)理裂隙越少，巖土體的變形越小，蠕變也越小，持續(xù)的時間也短。彈性、塑性和黏性是巖土體的3種基本性質，巖土體的復雜力學性質往往是這3種特性的綜合反映。工程實踐證明，在一定受力狀態(tài)和賦存條件下，巖土體可表現(xiàn)出明顯的流變特征[25]并對其力學產(chǎn)生顯著的影響。巖體蠕變是錨索預應力[26]損失的主要來源。蠕變引起的預應力損失與巖體的軟硬及密實，程度有關，巖石越堅硬，結構面分布少，由結構面引起的蠕變小，預應力損失值也就小; 對松散破碎巖石或軟弱巖石，由于預應力壓縮巖體產(chǎn)生變形較大，而且變形速度比較緩慢，相應的因巖體蠕變而引起的預應力損失值較大[27]。

3.3 錨索施工的影響

施工工藝對錨索預應力損失的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，即預應力錨索張拉、補償張拉等錨索自身的施工工藝和基坑、高邊坡等坡體的施工工藝的影響。如補償張拉應經(jīng)過一定的損失期后才能進行，同時才對保存錨固噸位有利；在深基坑及高邊坡等開挖錨固過程中，錨索會受施工爆破等沖擊荷載的作用。

3.4 錨索工作環(huán)境的影響

錨索工作環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 錨索施工完成后，隨著當?shù)氐臍夂?、溫度以及季?jié)變化等環(huán)境因素。

2) 錨索的錨固段工作環(huán)境的巖土體含水量等因素。

3) 錨索在巖土體工作時，滲透系數(shù)、孔隙率以及節(jié)理面、軟弱結構面等因素的綜合影響。

3.5 其他因素的影響

除此之外，影響錨索預應力損失的因素還包括地下水位的影響；重型機械設備作用、地震等地運動作用、突發(fā)性暴雨以及罕見的凝凍氣候的影響。由于這些因素的影響主要體現(xiàn)了突發(fā)性和不可預見性，因此在工程的設計階段、施工階段和使用階段要做好相應的預防工作。

4 減少預應力損失措施的建議

4.1 錨索材料的選擇

在錨索材料選擇方面，應該注重以下方面的內(nèi)容：

1) 優(yōu)先選用高強度、低松弛預應力鋼絞線制作錨索的錨固體系，并采用與鋼絞線配套的高性能錨具來組合。

2) 采用的托板、鋼帶與鋼梁及金屬網(wǎng)等護表構件的性能應與之匹配。

3) 外錨固端也應堅實可靠，避免應力集中導致發(fā)生巖體徐變過大從而增加應力損失。

4) 研究表明[28]，錨索預緊轉矩相同時，加工精度高的螺紋轉化的預應力要高于加工精度低的螺紋；相同預緊轉矩下，螺紋牙形角越小，轉化預應力越大，轉化率由高到低依次為矩形螺紋、三角形螺紋和鋸齒形螺紋；螺紋直徑相同時(尤其對于M22及M24)，減小螺距能顯著提高預應力轉化率，而且能提高螺紋的破斷強度，以達到減少預應力錨索的預應力損失。

4.2 錨固段的選擇

錨索錨固段巖土體的選擇方面，應該注重以下方面的內(nèi)容：

1) 錨固段的選取必須以現(xiàn)場巖土工程勘察資料作為依據(jù)來確定,宜選擇堅硬完整的巖土體,增加錨固端的穩(wěn)定性，減少巖土體的蠕變。

2) 對于松軟較為破碎巖土體，在施工時，應增加托板、組合構件及護網(wǎng)的面積、強度與剛度，減少由于圍巖蠕變引起的錨索預應力損失。

3) 應對錨固端段所在的巖土體作試驗分析，分析其物理力學性質是否良好，視具體情況來分別采取相應的補救措施。

4) 對過于松散破碎或含水量較大的基坑、滑坡體，應該盡量避免使用預應力錨索體系，避免發(fā)生整體滑移情況。

4.3 施工措施

在施工方面應該注意以下幾個問題：

1) 錨索張拉時，應該合理選擇適宜的時間對錨索張拉或補償張拉，安裝時首先進行超張拉，持荷一段時間后再進行二次張拉，改善張拉效果。

2) 在封孔灌漿時，應該加強灌漿對鋼絞線進行保護，以減少錨索永久錨固力的損失[29]。

3) 由于錨索預應力與張拉力成正比,則張拉力越大,預應力損失相對越大,設計時盡量避免采用大噸位張拉,應該以“多孔位、小噸位”張拉方式為宜。

4) 在錨索施工時，主要采用整索分級張拉的程序，通常按設計永久錨固力的一定比例，分級進行張拉。在錨索張拉過程中，采用多級張拉方式可以使錨索體各鋼絞線受力進行充分調(diào)整，其鎖定損失要小一些[30]。

5) 當一個結構物上設置多個錨索時,張拉時最好使用多臺千斤頂同時張拉,如果沒有條件則必須進行循回補張拉,結構物對稱時,最好采取對稱循環(huán)補張拉,以此最大限度地消除因張拉順序引起的預應力損失。

4.4 工作環(huán)境的預防處理

錨索的工作環(huán)境方面，在錨索的錨固體中，應該控制巖土體的溫度、含水量等物理因素的含量，主要預防錨索的耐久性，主要注意以下幾方面[3]：

1) 錨索的耐腐蝕保護。錨索長期處于潮濕或者腐蝕介質環(huán)境中，在高錨固力運行工作狀態(tài)下，非常容易因腐蝕而發(fā)生結構破壞，保護不當會導致腐蝕斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生。

2) 對錨索疲勞強度的設計，應根據(jù)當?shù)氐臍夂颉⒌刭|等因素，對錨索工作年限內(nèi)的錨固力的變化給予充分考慮，采用最佳疲勞強度的設計。

3) 為保證錨索的耐久性，可采用石油磺酸鋇、石油磺酸鈉等精致礦物油，加入添加劑后作為錨索專用防腐劑，嚴格按照標準規(guī)范進行鹽霧、濕熱、腐蝕、高低溫性能試驗等環(huán)境試驗。

4.5 特殊因素的處理

在其他因素的影響方面，注意要考慮突發(fā)情況的影響。在錨索施工場地,盡量避免爆破和重型機械設備的使用,在不得不使用的情況下,盡量使其遠離錨索施工地點,或者將預應力錨索張拉鎖定工作安排在最后的工序，避免對錨索預應力產(chǎn)生較大的影響。在施工期, 錨索受沖擊荷載影響較大。錨固巖土體中發(fā)生的沖擊力會引起應力損失, 沖擊荷載對預應力的影響主要反映在兩個方面：一是在軟巖體中, 錨根因爆破而松動, 預應力損失；二是錨根無松動, 預應力增加。因此，在錨索的施工過程中，應該嚴格控制錨索受到?jīng)_擊荷載的作用。

5 結 語

綜上所述，對于預應力錨索的預應力損失，其影響因素復雜多樣，主要包括鋼索張拉與鎖定的影響、錨固體的力學性質和蠕變對錨索預應力的影響、錨索施工的影響以及錨索工作環(huán)境的影響等因素。因此，在實際工程中，我們應該嚴格控制主要因素的影響，為減少錨索預應力損失，進一步將錨索預應力體系達到最優(yōu)的設計、施工及使用效果。通過實例分析，給出了減少預應力錨索預應力損失的建議，對相應的實際工程提供一定的參考依據(jù)，同時為預應力錨索在工程中的應用打下堅實的基礎。