岩土工程中的预应力锚索设计

岩土工程中的预应力锚索设计

李培

上海市岩土地质研究院有限公司上海市200072

摘要：近年来，岩土边坡稳定性不佳所致的种种自然灾害，严重影响着周边居民的正常生活、生产，因此，需要当地相关职能部门对滑坡、岩石块跌落等灾害予以高度重视，制定基于预应力锚索技术的岩土工程支护作业方案，以有效保护山区岩土结构体。分析预应力锚索技术的实际应用情况效果，证明经过防护处理的岩土结构稳定性、承载力显著提升，与其他的防护技术进行对比具有明显的应用优势。

关键词：岩土工程；预应力；锚索设计

一、预应力锚索技术的概念分析

预应力锚索技术是一项使用得最频繁的治理山体滑坡的技术方法。这一技术曾经被列为“七五”科技攻关项目。预应力锚索技术是向岩层传递力的一种支护手段，预应力锚索可按照具体所规定的方向以及负荷大小将力从岩体表面传递到岩层深处，进而使被加固的岩体受到一个有益的预压应力。预应力锚索技术在加固滑坡时的设计流程具体如图1所示。

图1?预应力锚索设计流程框架图

二、设计应用于岩土工程施工的预应力锚索

预应力锚索设计期间需要设计人员掌握的内容较多，因此，在设计时要求设计人员从以下几个方面开展设计工作。

1、做好锚索锚固设计信息的调查

设计人员需要对岩土工程的立项书、锚固作业地区的地质以及水文条件等信息进行充分调查，并综合所有信息确定锚索具体类型，形成工程作业方案。施工单位需要联合预应力锚索设计领域内的专家学者共同对锚索选型、方案可行性以及安全性进行探讨。

2、具体设计内容

1)锚索选择要点

在选择期间如果对于锚索使用期限有要求，需要对被加固体的使用寿命进行了解，要求锚索的使用寿命高于被加固体，而且有着良好的抗腐蚀能力;应用反复荷载试验检测锚索的承载情况，若变化隔度较大时需要控制变形情况，以锚索锚固力设计值为标准，要求变化幅度在标准值的20%以下;选取的锚索外观不可有裂缝、油溃、损伤、弯曲情况，强度和柔性要符合岩土体的防护标准;锚束允许设计应力需要依据锚束材淞航拉力的最大值来确定。

2)需要确定锚索(单根)承受拉力值

该值的计算容易受到支档结构类型、锚固材料性质等因素的影响，需要在计算拉力值时重点考虑这些因素，得出设计荷载(锚索)。还要对锚索结构物外力进行计算，以此来对总拉力(锚索)进行有效计算。

3)锚索锚固设计

在锚索段长度参数设计方面，设计人员计算该值时需要对剪应力在内锚固段的实际分布状态进行研究，如果为不均匀的分布则会对长度计算工作造成干扰。同时，锚固段长度较长时，剪应力会相应减少，所以，设计期间需要把握好剪应力与长度值之间的负相关关系。还需要对胶结材料的质盘性能进行把握，保证锚固段应用此种材料后具有理想的胶结质量.不会出现锚固松动的表现。在设训锚索锚固角时，需要结合岩土工程的实际情况，基于逆滑动方向的布置要求确定锚索加固施工的最佳方向，之后便可以开始锚固施工;通常情况下要求锚固角在11°以上，如果施工区域选取的锚固角达不到11°的要求，则要制备水泥砂浆进行灌浆作业，以此来提升预应力锚索锚固的价值。

4)设计支承结构物

主要有垫墩、地梁、台座、连墩等结构物的设计工作，其中结构物单独设计设置过程中，重点要对结构物的外观大小进行设计，如果施工的操作难度大、设计的结构物超过建筑物界限、岩土体承载力较低时会使支承结构物出现破裂，所以在设计时需要从以上因素人手，做好截面设计，以保证设计出的中心受压构件可以和被加固体进行有效的紧固、粘合，结构物在张拉力干预下不会引发岩土体扭曲、变形情况出现。另一方面，在连续设计期间，需要在土钉墙上设置支承结构物，在这一过程中结构物的变形作用不太明显，所以可设计为连续梁结构物。

5)锚索防腐蚀设计

锚固构件需要安装至岩土体中，由于地下水、雨水以及腐蚀性物质的影响，这些构件常会出现腐蚀生锈情况，从而影响锚索的安全、长久使用。因此，设计人员要从以往的岩土工程中找出发生过锚索腐蚀问题的工程实例，对造成腐蚀情况的原因进行分析，找出腐蚀问题高发的锚索类型，之后在锚索选择、防腐蚀处理与应用中能够合理选择锚索材料，控制腐蚀问题的发生。从分析资料可知，永久性锚索最容易出现腐蚀问题，而临时性锚索的腐蚀发生次数远低于永久性，腐蚀的区域基本处于自由段、锚固头的周边位置，设计人员可以针对具体的腐蚀问题发生原因，应用防腐蚀涂料、具备防腐蚀性能的锚索材料来完成工程防护施工的任务。

6)张拉力控制设计

在应用锚索期间，会受到来自多方面的张拉力影响，包括工作锚具、胶结材料等，该种张拉力会导致岩土体变形，进而使预应力锚索难以抵御张拉力的干扰，无法发挥岩土体稳定性提高的作用;并且，预应力会受到处于自由段锚索材料施工后的摩擦力作用影响，从而出现损失情况，导致预应力锚索锚固稳定性较差岩土体的质量不理想，因此，要控制张拉力，保证设计张拉力要在预应力之下。具体控制时需要以锚索材料抗拉荷载的极限值作为标准控制张拉力，岩土工程施加张拉力要处于0.7极限值之下，才可以减少设计张拉力对预应力的影响。还可以采用超张拉方法来控制该种作用力，就是对张拉控制力进行调节，使其高于抗拉荷载极限值0.7以上，当该值处于0.8时，便可以将被加固体变形情况借助于锚索作增强控制，该过程中损失的较多预应力也可以在较高抗拉荷载极限值干预下获得应有的补偿，使最终获得的预应力可以进行边坡防护。但设计期间要注意锚索抗拉屈服荷载值要高于设计张拉力，不可有低于张拉力的情况发生，以免影响控制效果。

三、预应力锚索在边坡治理中应用的技术要点

1、技术参数的确定

技术参数是一个十分广义的概念，主要的技术参数有，锚索的长度，密度，锚固区长度，锚固类型，锚固材料等。这些参数直接影响预应力锚索的功能与作用。技术参数的确定，应当从两个层面出发。其一，开展数值计算，在理论的层面进行设计，例如，建立模型，利用数值计算软件进行计算，在理论的层面进行技术参数确定。其二，基于现场开展试验研究，在实际的层面试验技术参数，不断地对于参数进行优化。

2、有效地施加预应力

首先，在设计的层面应当合理地确定预应力的大小，尤其是应当进行现场试验，考虑施工机具以及预应力损失，合理进行预应力的设计。在施工过程中，不断地提升施工工艺水平尤为关键。通过工程实际调研，有的锚索施工由于工艺显著，使得预应力大量损失，难以发挥作用。例如，在施加预应力之后，没有及时地进行灌浆，降低了对于锚索的锚固效果，因此在施工过程中，重视对于锚索的锚固，是有效施加预应力的关键。此外，在施工的过程中，开展现场试验也是关键的，值得注意的是，锚索的质量也是影响预应力施加的重要因素，因此在锚索编束前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，除锈、除油污，对有死弯、机械损伤及锈坑处应剔出，使得锚索能够进行充分的张拉。

3、结合其他结构

首先，在边坡治理中，将预应力锚索与混凝土框格梁结合，能够起到很好地加固效果。其一，预应力锚索锚固在混凝土框格梁的节点，能够有效地对于锚索进行锚固。其二，混凝土框格梁在节点受力，通过梁进行力的传递，将预应力锚索的里在整个坡面进行施加，使得力由点作用变为了面作用，有效地提升了效果。在预应力锚索施工中，由于锚索刚度小，抗剪性能不足，因此结合锚杆，对于有滑移迹象的边坡有着很好的治理作用。因此在今后的边坡治理中，综合性进行技术应用，是提升边坡质量的关键。

结束语

现阶段岩土工程施工过程中，预应力锚索技术应用非常广泛，为了提高此项技术的应用价值，需要从事边坡问题治理的工作人员对于预应力锚索技术多进行研究分析，在把握技术应用优势以及设计注意事宜的前提下保质保盆做好技术应用的设计工作，以确保该技术的支护作用能够完全发挥出来。

参考文献

[1]王清标.预应力锚索锚固力损失机理及其监测技术[M].北京：科学出版社，2015：112.

[2]罗方正,梁亚华.压力分散型预应力锚索挡墙技术在南宁轨道车辆段地下工程中的应用[J].建筑施工,2016,38(9):1198-1200.