河北中核岩土工程有限责任公司 河北石家庄 050021
摘要：随着我国工程建设项目大规模的开展，预应力锚索技术由于具有安全可靠、经济合理等优势因素，在边坡工程、基坑工程等岩土工程治理中得到了大量应用。锚索预应力的稳定直接影响锚索的锚固效果，本文的工作目的是通过对锚索预应力损失影响因素的分析，以指导现场施工采取相应的工程措施。结合四川广元一工点现场工程实践，锚索预应力随着时间的推移具有一定的阶段性特点，造成锚索预应力损失的因素非常复杂，总体上可以分为：①短期影响因素、②长期影响因素、③偶然影响因素、④其他影响因素。张拉系统及张拉过程引起的损失、锚具-夹片回缩引起的损失、锚墩-框格梁下岩土体沉降变形引起的损失等短期影响因素可以通过定量计算得到；长期影响因素中岩土体的蠕变引起的损失以及钢绞线的松弛引起的损失是预应力损失的主要来源之一；外界偶然影响因素有岩体开挖卸荷、地震、爆破、降雨、温度变化等，具有不确定性；影响预应力损失的其他因素还有：外锚段封孔灌浆引起的损失、锚孔偏斜引起的预应力损失、群锚效应对锚固力的影响等。四川广元工点通过现场采取超张拉20%～25%设计张拉力进行验证，锁定后锚索有效预应力值与设计要求的张拉力值基本相符，表明施工现场通过加强质量管理、采取一定的工程措施，可以减少锚索预应力的损失，以达到预应力值长期稳定的目的。
关键词：锚索预应力；变化规律；预应力损失；影响因素
前 言：四川广元某工程边坡高度大，最高处设10级台阶，每级设3.0m宽平台，每级边坡高度10.0m，局部位置采用预应力锚索+框格梁进行支护，根据该工程预应力锚索施工和预应力监测成果，本文总结了锚索预应力的变化规律和影响锚索预应力损失的主要因素，并对在设计、施工中应采取的降低锚索预应力损失的工程措施提出了几点建议。
1 锚索预应力变化的阶段性特点
锚索预应力的损失变化具有一定的阶段性特点,即：
①迅速损失期（第Ⅰ阶段）；
②一般损失期（第Ⅱ阶段）；
③缓慢损失期（第Ⅲ阶段）。
根据四川广元工点现场预应力监测成果资料，典型的锚索预应力变化曲线见图2-1。
⑴迅速损失期（第Ⅰ阶段）：锚索张拉锁定后，由于锚索体（钢绞线）的回弹变形及锚墩、框格梁下沉位移变形等原因，在短时间内造成锚索预应力损失，且损失值较大[1]，这是由于张拉锁定施工工艺过程中千斤顶在回油时，钢绞线向坡内回缩并带动锚具、夹片的回缩（锚具、夹片安装示意图见图2-2），从而完成张拉锁定的目的，这一过程不可避免的导致锚索预应力的降低；另外，随着岩土体内应力的增加，锚墩、框格梁下岩土体产生沉降位移变形，也导致锚索预应力的降低。
⑵一般损失期（第Ⅱ阶段）：锚索、岩土体在荷载作用下，内部应力发生调整，从而引起其压缩、回弹，锚索预应力产生一定的变化，在该阶段内，锚索预应力受外界开挖卸荷、爆破施工、地震、相邻的锚索张拉锁定、降雨、环境温度变化等偶然因素的影响[1]，也可能产生一定的变化。
⑶缓慢损失期（第Ⅲ阶段）：在长期的荷载作用下，受岩土体的蠕变、钢绞线的应力松弛、混凝土的收缩、徐变等因素影响[1]，锚索预应力产生一定的损失，从总体上看，该阶段锚索预应力是趋于稳定的。
2 影响锚索预应力损失的主要因素
影响锚索预应力损失的因素非常复杂，结合锚索预应力的变化阶段特点，可以划分为：①短期影响因素；②长期影响因素；③偶然影响因素；④其他影响因素。
2.1 影响预应力损失的短期因素
在短期内，影响锚索预应力降低的因素有：
①锚索张拉系统本身；②锚具、夹片回缩；③锚墩下岩土体沉降位移。
2.1.1锚索张拉系统引起的损失
锚索张拉系统的设备主要由千斤顶、油泵、油管、油表等组成，该系统设备存在一定的摩擦阻力，研究以及工程经验表明[2]：锚索张拉系统引起的预应力损失为2%～4%。
2.1.2锚具、夹片回缩引起的损失
锚具、夹片回缩引起预应力损失的定量计算公式如下[3]：
2.1.3锚墩下岩土体的沉降位移引起的损失
锚墩、框格梁下岩土体在荷载作用下，产生沉降位移变形，从而导致锚索预应力的损失。工程设计中，应根据岩土体工程地质特征，通过计算调整锚墩、框格梁的平面尺寸，防止岩土体产生较大的位移变形，减少因岩土体变形而产生的锚索预应力损失。岩土体在预应力荷载下产生的沉降位移根据《建筑地基基础设计规范》进行计算：
S’—按分层总和法计算出的地基变形量（mm）；
φS—沉降经验系数；
n—地基变形计算深度范围内所划分的土层数；
P0—基础底面处的附加应力（kPa）；、
Esi—基础地面下第i层土的压缩模量（MPa）；
Zi、Zi-1—基础底面至第i层土、第i-1成土底面的距离（m）；
ai、ai-1—基础底面计算点至第i层土、第i-1成土底面范围内平均附加应力系数。
2.1.4现场确定超张拉力的的方法
影响预应力损失的短期因素可以通过超张拉及补偿张拉进行弥补。现场确定锚索张拉锁定时采用的超张拉力可用如下两种方法：
⑴测力传感器直接测定；
⑵通过张拉锁定时钢绞线变形量计算得出。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》，计算公式如下：
公式（3）
式中：PX—锁定后可获得的预应力（kN）；
P—锚固所应张拉力（kN）；
P0—最大张拉荷载（kN）；
Pi—初始张拉荷载（kN）；
ΔL—Pi加载至P0的锚索回缩量（mm），夹片回缩量为6mm。
2.2 影响预应力损失的长期因素
长期荷载下影响锚索预应力损失的主要因素有：
①钢绞线松弛；②岩土体的蠕变；③混凝土收缩、徐变。
2.2.1钢绞线松弛引起的损失
预应力锚索在长期负荷的状态下，会因钢绞线松弛而导致预应力的损失，是锚索预应力损失主要影响因素之一。钢绞线的应力松弛一般标准规定1000小时松弛率，见表3.2-1。
计算松弛损失值时，可近似采用锚索的设计张拉力与1000h的松弛率相乘进行计算。
2.2.2岩土体蠕变引起的损失
岩土体蠕变是锚索预应力损失的主要来源之一。在长期荷载受压下岩土体压缩变形，从而使得锚索预应力降低。一般情况下，随着时间的推移，预应力降低速度减慢，最终达到稳定。根据工程经验表明，不同的岩土类别锚索预应力损失存在差异，以地层压缩 1000h 的徐变呈现的应力损失为基础，按照岩土分类，提供地层压缩的应力损失见表3.2-2[4]。
2.2.3混凝土收缩、徐变引起的损失
在长期荷载作用下混凝土具有收缩、徐变的特性，由于混凝土完整性较好，在预应力锚固工程中混凝土尺寸一般也较小，所以混凝土收缩、徐变引起的预应力损失较小。
按照《混凝土结构设计规范》，混凝土收缩、徐变导致的预应力损失值可按下式方法计算：
ρ—预应力筋和普通钢筋的配筋率。
2.3 影响预应力损失的偶然因素
外界偶然因素作用引起的有效应力的降低具有不确定性，包括岩体开挖卸荷、地震、爆破、降雨、温度变化等。
2.3.1岩土开挖对预应力损失的影响
随着岩土体的开挖,岩土体向临空面方向产生位移变形,使得锚索预应力增加.一般情况下，预应力的增加效应随着施工的结束趋于平缓，但如果开挖速率较大,岩土体内应力会迅速地进行重新分配，造成锚索短时间内受力过大,可能引起锚索拉脱失效或被拉断失效的现象发生[5]。因此,在边坡开挖过程中,要严格控制开挖速率. 严格按照开挖一级支护一级的施工顺序。
2.3.2爆破、地震等振动和冲击引起的预应力损失
爆破或地震的冲击会引起预应力的损失，与长期静荷载作用下引起的锚索预应力损失相比，该损失量要大的多，研究及工程实践表明，爆破距离锚索3.0m以内时，锚索预应力损失明显；爆破距离锚索5.0m以外，锚索预应力损失就不明显了[6]。
2.3.3降雨对预应力的影响
降雨造成雨水下渗填充了岩土体中的孔隙、裂隙，使得岩土体的有效重度增大，抗剪能力下降，增大了岩土体向临空面发展的趋势，锚索体被拉长，从而引起锚索预应力增大。雨水在岩土体裂隙中的渗流速度一般较慢，所以降雨对锚索预应力的影响有一定的滞后效应，随着岩土体孔隙、裂隙中雨水的径流、蒸发，增大的锚索预应力也将随之恢复。边坡工程施工中必须做好防渗、排水工作，减轻雨水下渗对锚索预应力损失的影响，并加强雨后边坡监测工作。
2.3.4温度变化对预应力的影响
岩土体热膨胀系数与锚索测力计热膨胀系数相比要小的多，因此，环境温度改变引起的锚索预应力变化在很大程度上是锚索测力计造成，在工程实际中可不考虑因环境温度的改变对锚索预应力产生的影响。
2.4 影响预应力损失的其他因素
2.4.1外锚段封孔灌浆引起的损失
由于水泥水化热反映，在锚索外锚段封孔灌浆时，锚索体膨胀变形，从而引起锚索预应力损失。
2.4.2锚孔偏斜引起的预应力损失
锚孔偏斜使得锚索在张拉锁定过程中锚索体与锚孔壁产生摩擦，从而引起预应力的损失。施工时应严格控制施工质量，减少因施工锚孔偏斜造成的预应力损失。
2.4.3群锚效应
在群锚张拉过程中，锚索张拉引起岩土体变形，在其影响范围内已经完成的锚索预应力会降低。
3 锚索预应力损失计算实例
四川广元某高边坡工程局部采用预应力锚索-框格梁支护形式进行边坡加固，其工程地质条件：出露地层为第四系坡残积含碎石粉质黏土，下伏地层为志留系下统龙马溪组二段（S1ln2）泥质页岩，第四系含碎石粉质黏土颜色褐黄～褐红，状态软塑～可塑，孔隙发育，从上到下角砾含量逐渐变大，约占10～15%，干强度及韧性中等～高，厚度15.0～18.0m，压缩模量Es=8.51MPa，地基承载力特征值160 kPa。预应力锚索-框格梁设计参数：边坡坡率1:1.6，锚索水平间距3.0m，垂直间距2.5m，锚索与水平方向夹角为25°，单根预应力锚索采用5×φ15.20钢绞线（国标），钢绞线面积A=140mm2×5=700 mm2，钢绞线弹性模量取Ey =1.95×105MPa，锚具采用QM-5型，设计张拉力520kN，平均自由段长度25.0m，锚固段进入中等风化泥质页岩、长度为8.5m，锚固体与岩体粘结强度特征值取180kPa，锚墩平面尺寸1.0m×1.0m，框格梁断面尺寸0.4m×0.4m，混凝土强度C25。
目前能够量化的预应力损失有：
①张拉系统引起的预应力损失；
②锚具、夹片回缩引起的预应力损失；
③锚墩-框格梁下岩、土体沉降变形引起的预应力损失；
④钢绞线的松弛引起的预应力损失。
这几项也是影响预应力损失的主要因素；其他影响预应力损失的因素目前尚不具备定量计算的条件。现计算该工况条件下的锚索预应力损失：
⑴计算张拉系统引起的预应力损失
张拉系统引起的预应力损失取设计张拉力的3%，即520×3%=15.6kN
⑵计算锚具、夹片回缩引起的预应力损失
带入公式⑴，预应力损失Ns =700×6×1.95×105/（25×103）/103=32.8kN
⑶计算锚墩-框格梁下岩、土体沉降变形引起的预应力损失
按照《建筑地基基础设计规范》，变形计算深度Zn=b（2.5-0.4lnb）=2.5m，Z/b=2.5，l/b=1,查表附加应力系数为0.24，锚墩-框格梁与坡面接触面积为2.9m2，锚索应力垂直于坡面的分力为436.1 kN，则基础底面处附加应力P0=436.1/2.9=150.4kPa，沉降经验系数φS取1.0。带入公式⑵，则：
地基最终变形量S=1×150.4/8.51×2500×0.24=10.6mm
带入公式⑴，预应力损失Ns=700×10.6×1.95×105/（25×103）/103=57.9kN
⑷计算钢绞线的松弛引起的损失
钢绞线的松弛引起的损失=设计张拉力×1000h松弛率=520×2.5%=9.7kN。
上述⑴～⑷项计算的预应力损失合计116.0kN，为设计张拉力的22%。另外可以看出，该工点锚索预应力损失的最主要因素是锚墩-框格梁下岩土体的沉降变形引起的损失，为设计张拉力的11%，因此，对于软岩及松散地层，设计除了需要验算锚索-框格梁体系各部位强度外，还应验算锚墩下地基岩土的强度、变形能否满足要求，并通过计算调整锚墩、框格梁平面尺寸，控制基底变形量，降低锚索因地层沉降导致的预应力损失。
在施工现场张拉锁定时，通过采取超张拉20%～25%设计张拉力进行验证，锁定后锚索有效预应力值与设计要求的张拉力值基本相符，表明通过上述理论计算的预应力损失值是准确、可靠的。
4 减少锚索预应力损失的工程措施
施工现场应通过加强质量管理，尽量减少锚索预应力的损失，可以采取的工程措施有如下几点：
⑴锚索施工采用导向控制措施，有效保证锚索孔孔斜率在规范允许范围以内。
⑵选用低松弛钢绞线和与之相配套的锚具、夹片，原材料按规范要求进行复检试验，合格后方可使用。
⑶为弥补短期因素造成的预应力损失，在锚索张拉锁定时，进行适量的超张拉；在锚索预应力一般损失期（第Ⅱ阶段）完后,应及时补偿张拉。
⑷合理利用群锚效应，选择合适的锚索间距。
⑸边坡工程施工中必须做好防渗、排水工作，减轻雨水下渗对预应力损失的影响，并加强雨后边坡监测工作。
⑹对于软岩及松散地层，通过计算确定锚墩、框格梁合理的平面尺寸，控制基础底面变形量，降低锚索因地层沉降导致的预应力损失。
⑺在边坡开挖过程中，要严格控制开挖速率. 严格按照开挖一级支护一级的施工顺序。
⑻施工过程中，对锚墩、框格梁基础沟槽采用人工开挖，避免使用大型机械对土体扰动。
结 语：
本文根据工程实践，介绍了锚索预应力变化的阶段性特点，全面总结了预应力损失的多种影响因素，对可以定量计算的按照有关规范给出了预应力损失值定量计算方法，并通过四川广元一工点现场实际进行了验证。
⑴锚索预应力的损失伴随时间的推移，具有一定的阶段性特点，即迅速损失期（第Ⅰ阶段）、一般损失期（第Ⅱ阶段）、缓慢损失期（第Ⅲ阶段）。
⑵影响锚索预应力损失的因素非常复杂，总体上可以划分为：
①短期影响因素；
②长期影响因素；
③偶然影响因素；
④其他影响因素。
⑶锚具、夹片回缩等短期影响因素引起的预应力损失量可以通过超张拉及补偿张拉进行弥补。
⑷对于软岩及松散地层，设计除了需要验算锚索-框格梁体系各部位强度外，还应验算锚墩下地基岩土的强度、变形能否满足要求，并通过计算调整锚墩、框格梁平面尺寸，控制基底变形量，降低锚索因地层沉降导致的预应力损失。
⑸施工现场通过加强质量管理、采取一定的工程措施，可以减少锚索预应力的损失。
参考文献：
[1]黄庆龙. 预应力锚索有效预应力及其检测方法研究，重庆交通大学硕士学位论文，2009：31-32
[2]郭作纯. 锚索预应力损失的影响因素及对策，北京：水运工程，2006（7）：16-17
[3] JTGD62-2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范
[4]赵长海. 预应力锚固技术，北京：中国水利水电出版社，2001
[5]张宏博. 边坡锚固工程中锚索预应力的变化研究，济南：山东大学学报（工学版），2002，32（6）：574-577
[6]蔡伟. 锚索预应力损失计算及防治措施[J]，成都：四川建筑，2005，25（2）：41-42
[7] GB5007-2011，建筑地基基础设计规范
[8] DZ/T 0219-2006，滑坡防治工程设计与施工技术规范
[9] GB50010-2010，混凝土结构设计规范
论文作者:王朋,贾国和
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/2
标签：预应力论文; 损失论文; 岩土论文; 因素论文; 应力论文; 松弛论文; 拉力论文; 《基层建设》2017年3期论文;