自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

王全成， 姜昭群， 羅宏保， 張 勇， 楊 棟

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

1 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為滿足應(yīng)急搶險(xiǎn)工程快速錨固的要求，我們提出一種快速錨固技術(shù)體系，包含適合在中硬以下碎裂巖層且適合使用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝的擴(kuò)孔鉆具和不依靠灌漿材料、在不注漿的情況下張拉就能具有一定承載能力(設(shè)計(jì)值的50%以上)的自承載式預(yù)應(yīng)力錨索。

自承載式預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)是一種采用帶滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的拉壓結(jié)合分散型預(yù)應(yīng)力錨索，其作用機(jī)理為：使用多個(gè)承載體進(jìn)行壓力分散；鋼絞線區(qū)分自由段和錨固段；不注漿即可初張拉鎖定至錨索設(shè)計(jì)錨固力的50%及以上。進(jìn)行初張拉鎖定后進(jìn)行灌注砂漿，待砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行二次張拉鎖定至設(shè)計(jì)錨固力。由于承載體壓力分散且全長(zhǎng)粘結(jié)鋼絞線能提供一部分摩阻力，進(jìn)一步降低了巖土體及注漿材料的強(qiáng)度要求，使得注漿24 h內(nèi)進(jìn)行二次張拉成為可能。傳統(tǒng)錨索內(nèi)錨頭自由地?cái)R置在內(nèi)錨固段孔內(nèi),在無(wú)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行內(nèi)錨固段注漿,而自承載式預(yù)應(yīng)力錨索在有預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)下注漿，更有利于對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線的保護(hù)。

結(jié)合前期預(yù)制高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土格構(gòu)、預(yù)制鋼質(zhì)錨墩等研究成果，在鉆孔完成下入自承載式預(yù)應(yīng)力錨索后即可進(jìn)行張拉施工，及時(shí)施加錨固力，控制滑坡體變形。該技術(shù)特別適合應(yīng)急搶險(xiǎn)的快速錨固施工工程，減少了砂漿體灌注、錨墩澆筑及養(yǎng)護(hù)的等待時(shí)間，能在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)滑坡體進(jìn)行治理，減少國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。

2 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)位于江油市含增鎮(zhèn)金光洞村的我單位北川試驗(yàn)基地，此處有出露較好的基巖界面，試驗(yàn)點(diǎn)見(jiàn)圖1，試驗(yàn)工作量見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作量

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)錨索錨固力、鋼絞線應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)試，鉆孔及自承載式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉆孔及自承載式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按照規(guī)定的位置和間距布置和裝配承載體，每束錨索分散安裝2個(gè)承載體，承載體距離為3.0 m。承載體組裝如圖3所示。

用鋼板作為孔口反力裝置，在不注漿的情況下對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行初始張拉，依靠承載體擴(kuò)張后與孔壁之間的摩擦力提供錨固力。

初始張拉完成后，即進(jìn)行注漿，本次灌注純水泥漿。注漿完成后按照3 d和14 d的漿體齡期強(qiáng)度進(jìn)行二次張拉，并對(duì)部分錨索進(jìn)行破斷試驗(yàn)。

圖3 承載體組裝

對(duì)不注漿的錨索，采用24 t千斤頂按照承載體1和承載體2的順序進(jìn)行循環(huán)張拉直至承載體破壞。

張拉施工情況見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索初始張拉

圖5 錨索整體張拉

張拉過(guò)程中，利用測(cè)力傳感器采集錨索整體的錨固力，利用磁通量傳感器采集鋼絞線的應(yīng)力分布。數(shù)據(jù)采集見(jiàn)圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集

3 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

下面以600 kN級(jí)錨索為例，對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究分析。

3.1 錨索張拉力統(tǒng)計(jì)

錨索張拉力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

600 kN級(jí)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索不注漿時(shí)設(shè)計(jì)單個(gè)承載體的承載力為150 kN，2個(gè)承載體承載力為300 kN(設(shè)計(jì)值的50%)，初始張拉時(shí)除10號(hào)錨索承載體2、11號(hào)錨索承載體1、12號(hào)錨索承載體1內(nèi)錨頭破壞外，其余均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，注漿后二次張拉鎖定錨固力超過(guò)600 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 錨索張拉力統(tǒng)計(jì) kN

對(duì)13、14、15號(hào)的600 kN級(jí)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行了不注漿的極限張拉試驗(yàn)。初始張拉鎖定值均超過(guò)300 kN，承載穩(wěn)定，近一個(gè)月的預(yù)應(yīng)力損失率分別為2.7%、4.0%、2.7%。在極限張拉試驗(yàn)時(shí)，錨索整體承載力分別達(dá)到了438.8、623.3、419.0 kN，14號(hào)錨索不注漿張拉的整體承載力超過(guò)了600 kN，可見(jiàn)，自承載式預(yù)應(yīng)力錨索不注漿即可張拉，滿足工程設(shè)計(jì)中一般4根鋼絞線錨索的承載力設(shè)計(jì)要求。13號(hào)錨索承載體1最大承載力為226 kN，承載體2最大承載力為480 kN。14號(hào)錨索承載體1最大承載力為470 kN，承載體2最大承載力為329 kN。15號(hào)錨索承載體1最大承載力為227 kN，承載體2最大承載力為233 kN，可見(jiàn)單個(gè)承載體(兩根鋼絞線)最小極限承載力達(dá)到了226 kN，達(dá)到鋼絞線(15.20 mm 1860 MPa)極限承載力(按260 kN)的43.5%，單個(gè)承載體(兩根鋼絞線)最大極限承載力達(dá)到了480 kN，達(dá)到鋼絞線極限承載力的92.3%，由此說(shuō)明，在巖層條件合適的情況下，自承載式預(yù)應(yīng)力錨索完全可以不注漿即可進(jìn)行張拉鎖定，滿足錨索的承載力要求。

3.2 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布規(guī)律

自承載式預(yù)應(yīng)力錨索是一種新型的錨索結(jié)構(gòu)，下錨后不注漿即可進(jìn)行初始張拉，注漿前的初始張拉，在合適的地層情況下，能達(dá)到錨索設(shè)計(jì)錨固力的50%～100%，根據(jù)地層情況，注漿后短期內(nèi)(1～3 d)可進(jìn)行二次張拉或注漿后不進(jìn)行張拉，除了能滿足快速錨固的要求，同時(shí)降低了張拉過(guò)程對(duì)砂漿強(qiáng)度的要求，錨索的預(yù)應(yīng)力分布更均布合理。

以1～3號(hào)錨索為例，對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。初始張拉和二次張拉自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布變化對(duì)比曲線見(jiàn)圖7。初始張拉自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布見(jiàn)圖7系列2，1～3號(hào)錨索初始張拉值分別為325.74、334.3、453.1 kN。二次張拉自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布見(jiàn)圖7系列1，1～3號(hào)錨索二次張拉值分別為802.4、865.0、865.0 kN。

在圖7中，2號(hào)傳感器所測(cè)應(yīng)力為錨索自由段近孔口處的錨索應(yīng)力，3～7號(hào)傳感器所測(cè)應(yīng)力為錨索錨固段由近自由段至孔底端的錨索應(yīng)力，3～7號(hào)傳感器布置間距為1.5m。由于2號(hào)錨索磁通量傳感器測(cè)量通道被誤占用，零點(diǎn)數(shù)據(jù)不實(shí)，二次張拉數(shù)據(jù)存在一定誤差。

系列1-二次張拉應(yīng)力分布曲線；系列2-初始張拉應(yīng)力分布曲線

由圖7可知，初始張拉后，自承載式預(yù)應(yīng)力錨索自由段和錨固段均勻受力，注漿后進(jìn)行二次張拉，二次張拉增加的錨索預(yù)應(yīng)力向錨固段傳遞距離在0.5～3 m，傳遞距離有限，但因?yàn)槌跏紡埨淖饔?，使得錨固段整體受力分布均勻，更能充分發(fā)揮錨索的承載力。

同時(shí)，由于初始張拉使巖體承載了部分錨固力，二次張拉降低了錨固對(duì)漿體強(qiáng)度的要求。純水泥漿體，4根鋼絞線的自承載式預(yù)應(yīng)力錨索3 d極限拉拔力為923 kN，破壞形式為鋼絞線斷絲，未出現(xiàn)鋼絞線明顯滑移或漿體破壞。

3.3 自承載式錨索應(yīng)力分布與普通拉力集中型錨索對(duì)比

自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布與普通拉力集中型錨索應(yīng)力分布對(duì)比見(jiàn)圖8。

系列1-自承載式錨索應(yīng)力分布曲線；系列2-普通錨索應(yīng)力分布曲線

在錨索張拉力相同的情況下(4根鋼絞線的錨索約800 kN)，普通拉力集中型預(yù)應(yīng)力錨索錨固段鋼絞線的應(yīng)力向孔底傳遞有限，約為1.53 m，其余靠孔底端的鋼絞線應(yīng)力基本不受錨索張拉力的影響，應(yīng)力接近，說(shuō)明該部分鋼絞線未受力，未發(fā)揮承載的作用。達(dá)到錨固力設(shè)計(jì)值50%的應(yīng)力分布段僅約1 m的范圍，應(yīng)力十分集中。

而在錨索張拉力相同的情況下(4根鋼絞線的錨索約800kN)，自承載式預(yù)應(yīng)力錨索因?yàn)槌跏紡埨淖饔?，使得錨固段整體受力分布均勻，更能充分發(fā)揮錨索的承載力。在錨固段全長(zhǎng)范圍內(nèi)均有應(yīng)力分布，應(yīng)力達(dá)到錨固力設(shè)計(jì)值的50%以上，應(yīng)力分布最大偏差不超過(guò)10%。

經(jīng)對(duì)比可見(jiàn)，自承載式預(yù)應(yīng)力錨索不僅有不注漿即可張拉發(fā)揮錨固用的特點(diǎn)，自承載式預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布均勻，能充分發(fā)揮錨段全長(zhǎng)的錨固作用。

4 結(jié)論

(1)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索具有安裝后不注漿即可張拉的特點(diǎn)，初始張拉力可達(dá)設(shè)計(jì)錨固力的50%～100%。

(2)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布均勻，能充分發(fā)揮錨固段全長(zhǎng)的錨固作用，優(yōu)于普通拉力集中型預(yù)應(yīng)力錨索。

(3)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)可以滿足巖質(zhì)滑坡應(yīng)急快速錨固的要求。

(4)希望通過(guò)以后的研究工作，對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索在不同巖層中的適宜性進(jìn)行研究，形成自承載式預(yù)應(yīng)力錨索系列產(chǎn)品，能讓自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害治理工程中，達(dá)到快速錨固的目的。