预应力锚索结构概述

【摘要】岩土锚固技术能充分利用岩土体自身的强度和自承能力保持稳定，在减轻结构自重，节约工程材料的同时，确保了施工安全、缩短工期、降低造价。

所以锚固技术可在岩土工程中取得的显著经济效益使其在岩土工程的各个领域得到了非常广泛的应用，边坡预应力锚索结构就是一种常见而有效的应用。

预应力锚索对边坡的固结作用强、工序简单、施工进度快、施工效率高、质量易控制。

本文在介绍边坡预应力锚索结构作用机理、破坏机理、破坏类型、设计优化的基础上，分析了影响预应力锚索结构锚固效果的主要因素，并对预应力锚索在岩土边坡工程治理中的应用进行了探讨。

1、边坡破坏机理及破坏类型1.1 岩质边破坏机理坡及破坏类型岩质边坡变形与破坏的首要条件，在于坡体重存在各种形式的结构面，岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩土体的不均和不连续性，使沿结构面周边出现应力集中或应力阻滞现象。

因此，它构成了岩质边坡变形与破坏的控制性条件。

岩质边坡破坏形式十分复杂，往往是几种简单的破坏形式交织在一起。

从不同的角度进行研究，有不同的分类标准和破坏类型。

如根据实际经验，可分为圆弧破坏、块状破坏、整体岩石与非连续节理破坏、平面破坏、楔形体破坏和倾倒式破坏；根据边坡破坏规模，可以分为单台阶局部边坡破坏、几个台阶大规模楔形体破坏、多台阶风化破碎岩体的破坏；根据块体的几何形状，可分为弯曲倾倒、块状倾倒和块状弯曲倾倒；根据优势面组合破坏形式，可分为岩体松动破坏、倾倒变性破坏、崩塌、楔形体破坏、平面滑动和圆弧形滑动；根据地质基础、变性破坏方式，可分为楔形体滑移破坏、圆弧形破坏、顺层面滑动破坏、溃曲破坏。

1.2 土质边坡破坏机理及破坏类型边坡的失稳破坏主要由于边坡内所受的应力超过岩土体或结构面强度，从而导致边坡结构破坏。

边坡的成坡过程，首先会引起开挖处岩土体的卸荷回弹和集中应力，另一方面开挖相当降低坡体阻滑段，并可能使坡体的薄弱面（如结构面、蠕动面）出露，降低边坡的稳定性。

所以边坡变形表现为卸荷回弹和蠕变两种方式。

土质边坡的失稳破坏形式也是十分复杂，有大量的过渡类型和混合类型，所以分类要依据避重就轻，先大后小，抓住主要的破坏模式的原则，做到先宏观判断，局部分析，才能较合理判断土质边坡的失稳破坏模式。

土质边坡根据破坏规模大小分为整理失稳和破坏面破坏两大类。

其中整体失稳根据形成形式划分为崩塌、滑坡、坍塌；坡面破坏包括坡面侵蚀、剥落。

1.3 土质边坡与岩质边坡破坏机理的区别土质边坡和岩质边坡的破坏机理有所不同，土质边坡更加强调材料的强度参数对边坡稳定性的影响，而岩质边坡结构面因素是导致大多数边坡失稳破坏的原因。

土质边坡的破坏主要受边坡土体强度及边坡形态因素控制，对于特殊土类边坡，边坡内存在风化及结构裂隙，也严重影响土质边坡的稳定性。

2、预应力锚索加固边坡的力学机理与其他非预应力加固机理不同，预应力锚索加固边坡的机理是主动加固措施。

锚固体与边坡岩土体间相互作用时，预应力锚索加固结构能主动提高边坡岩土体的强度，利用边坡的自稳能力达到加固的目的，从而有效控制边坡薄弱层的滑移。

同时锚固材料置换或挤密岩土体时能提高边坡强度，其周围高压注浆液渗入裂隙形成的网状胶结结构也能提高岩土体强度，巨大的预应力在一定程度上改善边坡岩土体物理力学性质，边坡的自稳能力得到发挥。

锚索经张拉锁定后对边坡岩土体施加巨大的锚固预应力提高了岩土体的物理力学性能，此阶段是边坡岩土体受力耦合阶段。

当预应力受地表水、地下水等因素影响而受到损失时，边坡岩土体具有向坡外方向位移的趋势或已产生微小位移，锚索受力就进入解耦阶段。

3、预应力锚索锚固力变化特征预应力锚索加固工程中，预应力锚索锁定后锚固力变化主要有三个阶段：第一阶段：锚索锁定初期，锚固力下降速度较快，此阶段的锚固力损失，主要由于锚固影响范围内表层岩土体压缩和锚索外锚段灌浆（锚索受水泥水化热的影响，锚索应力重新调整）而引起。

第二阶段：锚索锁定后一段时间，锚固力波动调整，其原因主要为岩土体及锚索内部应力调整，产生压缩、回弹的反复过程导致。

第三阶段：锚索锁定后期，主要是岩土体自身变形及受温度影响产生变形。

4、预应力锚索的设计与优化采用刚体极限平衡法对边坡进行稳定分析。

图l为采用预应力锚索加固边坡的计算简图。

设条块所受垂直荷载为W i，水平荷载为Q i，剪切面上孔隙水压力的合力为U i，第j排锚索的设计锚固力为T j。

根据整个滑体上抗滑力和滑动力对矩心O点的力矩，可得到边坡抗滑稳定安全系数为K=R∑(c i l i+N i tanφi)+R∑T j sinβjtanφj R∑W i sinαi+R∑Q i Z i−R∑T j cosβj=R∑[c i l i+(W i cosαi−Q i sinαi−U i)tanφi ]+R∑T j sinβjtanφjR∑W i sinαi+R∑Q i Z i−R∑T j cosβj。

式中：K为边坡的抗滑稳定安全系数；αi为底滑面与水平面的夹角；βi为锚索与底滑面的夹角；c i，φi为底滑面的凝聚力和内摩擦角；其余符号的意义见图1锚索的锚固力T可分解为平行于滑面向上的切向分力T cosβ和垂直于滑面的法向分力T sinβtanφ。

从式(1)可以看出：预应力锚索既增加了边坡的抗滑力(矩)，又减小了边坡的下滑力(矩)。

锚索由外锚段、张拉段(自由段)和内锚段3部分组成。

对于一定吨位的锚索，外锚段长（1）度和内锚段长度基本上为定值，锚索的总长度主要由张拉段的长度决定。

从经济的角度考虑，锚索的总长度越短，工程造价越低。

对于岩质边坡，岩体通常被各类软弱结构面切割，这些结构面可能构成滑坡的底滑面。

当采用锚索加固措施时，锚索只有穿过底滑面，该锚索才对抑制沿该滑面的滑动有贡献。

假定滑面固定，且为单一倾角，下面讨论2种极端情况：①将锚索垂直于滑面布置，即β=90°，则锚固力的切向分力T cos β=0，锚索的作用完全依赖于锚固力的法向分力T sin βtan φ作用在岩体上的摩擦力形成的抗滑力，此时锚索的总长度最短，但由于切向抗滑力为0，因此抗滑效果不是最优；②将锚索平行于滑面布置，即β=0°，则锚固力的法向分力T sin βtan φ=0，锚索的作用完全依赖于锚固力的切向分力T cos β形成的抗滑力，此时锚索的总长度不是最优。

且实施上也不可行。

那么，介于上述2种极端情况之间，应存在一最优状态。

设锚索的水平倾角为θ，工程上通常把θ称为锚固角，在获得相同抗滑效果的前提下，使锚索长度最短的锚固角即为最优锚固角。

如图2所示，假设锚索产生的抗滑力与张拉段长度之比为n ，即n =T cos β+T sin βtan φL ，（2）而 L =h sin β ， 所以，有n =T h (12sin 2β+sin 2βtan φ) 。

（3）式中：L 为锚索张拉段的长度；h 为锚索孔口位置至滑面的垂直距离。

令∂n∂β=0，得到β=45°+φ2 。

（4） 又因∂2n∂β2，所以，当β=45°+φ2 时，n 取最大值。

此时θ=45°+φ2−α 。

（5）式中θ为最优锚固角。

锚索优化的实现图3为寻求最优锚固角、调整锚索长度以实现锚索优化设计的流程图。

基本流程如下：(1)根据边坡的岩性、地质构造、可能的破坏模式及底滑面位置，初步确定锚索布置区域、锚索吨位、锚索长度及锚固角等。

(2)固定锚索长度，调整锚固角的大小，比较各锚固角下的安全系数，并结合工程实际及施工要求，得到最优锚固角。

(3)在最优锚固角下，调整锚索的长度，使得锚索布置在满足安全性要求的前提下，锚索总长度最短。

5、预应力锚索锚固力影响因素5.1 地质条件的影响岩体蠕变是引起预应力损失的主要原因之一，不同的岩体类型造成的预应力损失不同，如坚硬完整的岩体，结构面分布少，由结构面引起的蠕变小，岩体本身的蠕变也小。

膨胀性地层的边坡锚索工程，若边坡表面未做封闭或封闭不佳，常常会因膨胀性地层长期的湿胀干缩作用，使边坡表层岩土体碎裂剥落，外锚结构物基础被逐渐掏空，锚头松动，造成锚固失效。

溶洞、断层、节理裂隙等地质构造也会造成预应力锚索锚固效果降低甚至失效。

另外，在勘察资料准确的情况下，设置于断层破碎带和节理裂隙部位的锚索，若断层活动，预应力锚索将会受到破坏甚至失效。

5.2 预应力损失的影响工程施工过程和施工质量的好坏也影响着边坡预应力锚索结构是否失效破坏。

若不按设计要求进行超张拉和补偿张拉，或注浆不密实，以及其他非正常情况造成的预应力损失过大，则会造成锚固边坡变形增大。

另外，锚孔偏斜率能引起锚索预应力损失，如孔斜率为2%时，3000kN 级锚索预应力沿程损失可达9.7%。

预应力减小与锚索吨位也有一定关系，如一般3000kN 级锚索，损失值为33.7~48.8kN；1000kN 级锚索，损失值为15.6~27.6kN。

岩体的裂隙率同样影响着预应力，岩体裂隙不发育对锚固预应力的影响较小，而岩体裂隙发育会让灌浆充填了岩体裂隙，使岩体结构产生相对膨胀变形，从而预应力增加。

为减少锚索锁定后锚索预应力下降过大，工程实践中可采取二次张拉的办法来增加有效锚固力，较之于没有二次张拉的锚索预应力，采用二次张拉后锚索的预应力提升大。

因此在软岩边坡中采用预应力锚索加固时可以采取二次张拉提高锚索预应力。

5.3 长期震动与特殊变形的影响长期震动影响着预应力锚索的锚固能力。

超越设防烈度的地震带来的超载破坏会破坏预应力锚索结构，导致预应力锚索结构失效。

其他长期的震动如车辆运行的长期震动、边坡附近其他大型震动设备均有不同程度的影响。

车辆运行的长期震动对设置于下边坡上部的预应力锚索也会造成预应力锚索的渐进破坏甚至失效，因而边坡上部的锚索规定有最小的上覆岩土层厚度。

边坡附近其他大型震动设备则会降低锚索锚固能力。

5.4 锚固时机边坡开挖后和加锚时的时间间隔就是锚固的时机，选择合适的施锚时机对锚固效果起了很大作用。

加锚应随着边坡工程自上而下的分步开挖过程边挖边锚，边挖边锚过程中改变了岩体原有的应力状态，产生临空面也让岩体产生卸荷松动，不稳定岩体就有可能产生滑动，此时所需的锚固力必须克服岩体滑动时的滑动能，锚固力便增加，因此，把握好锚固时机的重要性就显而易见。

5.5 降雨的影响降雨使得岩体中的裂隙在渗水填充后产生湿胀，钢索拉伸，锚固预应力增加。

但降雨过程存在滞后性，因此对预应力的影响也存在滞后现象，增加的锚固力是暂时的，其原因是裂隙水会慢慢消散，增加的锚固力也就随之慢慢消失。

5.6 温度对锚索锚固力的影响自然环境温度的变化使岩体温度发生变化，进而影响锚固预应力的变化。

总体上，大多数锚固力与温度之间有着良好的相关性，变化趋势较一致。

夏季温度升高使预应力增加，冬季降温则使预应力减小。