预应力锚杆锚固力松弛及扭矩与张拉力关系研究

唐国庆

（中国水利水电第十二工程局有限公司施工科学研究所，浙江 杭州 311600）

预应力锚杆锚固力松弛及扭矩与张拉力关系研究

唐国庆

（中国水利水电第十二工程局有限公司施工科学研究所，浙江 杭州 311600）

为解决水利水电地下厂房、交通洞、边坡等工程开挖后的岩壁、边坡、洞边的稳定问题，在设计施工中经常采用到预应力锚杆的方法进行加固处理。通过对树脂锚固的预应力锚杆锚固力松弛研究和扭力板手扭力矩与锚杆张拉力的关系研究，为设计施工提供一些经验供同行交流参考。

预应力锚杆；应力松弛；扭力板手；张拉力

水利水电工程地下厂房、交通洞、导流洞、边坡开挖等工程，由于卸荷、变形、风化、破碎、节理、裂隙发育状况，需要解决开挖后的岩壁、边坡、洞边等的稳定问题，在设计施工中经采用到预应力锚杆的方法进行加固处理，解决防止失稳，确保开挖部位的稳定和安全。

在预应力锚杆锚固设计和施工中，应考虑预应力应力松弛问题，利用扭力板手对锚杆施加预应力施工十分方便，但应考虑扭矩与锚杆张拉力的关系问题。进行了多个水利水电工程的树脂锚固预应力锚杆锚固力松弛试验和扭力板手扭矩与锚杆张拉力的关系试验。

1 扭力板手扭力矩与锚杆张拉力的关系试验研究

1.1 锚杆螺栓扭力矩计算公式

锚杆螺栓力矩用于克服螺栓副的螺纹阻力矩T1及螺母与被连接件（或垫片）支承面间的端面摩擦力矩 T2。施加扭力矩时，可用扭力板手，其扭力矩计算计算公式为:

式中:T—锚杆螺栓扭力矩；

K—扭力矩系数；

D—锚杆螺栓标称直径；

F—锚杆张拉力（轴力）。

一般来说，K值主要取决于两个螺栓副的摩擦因数u1（螺纹当量摩擦因数）和u（螺母与被连接件支承面间的摩擦因数），一般机械中常设u1=u= u′（此条件近似符合工程实际），K与生锈的螺栓，上油的螺栓，或者加了垫片、加了锁紧垫圈等因素密切相关，对标准螺栓来说，尺寸大小对 K值的影响是很小的。K值一般在0.1～0.3之间。由于改变了摩擦力，同样的扭力矩就不能得到同样的轴向张拉力。

1.2 扭力板手扭力矩与锚杆张拉力的关系试验

（1）某水电站扩机工程边坡预应力锚杆锚固工程扭力板手扭力矩与预应力锚杆张拉力关系试验。

试验主要设备:1级精度拉压力传感器、静态电阻应变仪。

器具:某工具厂生产的扭力板手 （型号: AC280-1000Nm）。

锚杆直径Φ40mm，螺纹M36，锚固长度1.1m。初次旋进，丝口加黄油，垫板为钢板。试验结果见表1。

表1 1#孔试验结果

试验主要设备:1级精度拉压力传感器、静态电阻应变仪。

器具:某工具厂生产的扭力板手 （型号:TG750-2000Nm）。

锚杆直径Φ40mm，螺纹M36，锚固长度1.8m。初次旋进，丝口加黄油，垫板为钢板。试验结果见表2。

表2 2#孔试验结果

（2）某抽水蓄能电站地下厂房岩壁预应力锚杆锚固工程扭力板手扭力矩与预应力锚杆张拉力关系试验。

试验分3次在专用试验架上进行。

试验主要设备:1级精度拉压力传感器、静态电阻应变仪。

器具:某工具厂生产的扭力板手 （型号: AC250-1000Nm）。

锚杆直径Φ36mm，螺纹M30，锚固端固定在架子上。丝口加黄油，垫板为钢板。试验结果见表3～表5。

表3 锚杆螺纹初次旋进试验

表4 锚杆螺纹二次旋进试验

表5 锚杆螺纹三次旋进试验

从 3次螺纹旋进分析，其扭力矩与锚杆张拉力关系中，显然同样扭力矩情况下，张拉力在增大，这与多次旋进后摩擦因素变小有关。

2 预应力锚杆锚固力松弛试验研究

2.1 预应力锚杆锚固端锚固力计算

（1）锚固长度理论值计算:

式中:L—锚固长度；F0—杆体破坏荷载（一般可取锚杆屈服强度值，直径为螺纹内径）；C1—锚固剂对岩石的粘接强度（由锚固剂厂家提供数据，现场试验验证）；D1—钻孔直径。

（2）锚固剂有效长度值计算:

式中:L′—锚固剂有效长 度；n—锚固剂节数；d0—锚固剂直径；L0—单节锚固剂长度；D1—钻孔直径；D2—锚杆直径。

（3）锚杆预应力张拉力验算:

式中:Py—锚杆张拉力；d1—锚杆螺纹内径；fy—锚杆强度设计值。

2.2 锚杆锚固力松弛试验

某抽水蓄能电站地下厂房岩壁预应力锚杆锚固力松弛试验，试验分2个孔进行。

试验工况:锚杆直径Φ36mm，螺纹M30，锚固长度0.5m，锚固剂为淮南矿业生产的 Z2850型树脂锚固剂，对岩石粘接强度大于7MPa，锚杆有效直径26.72mm，锚杆强度设计取值fy为305MPa，预应力锚杆张拉力设计值取170kN，孔深11.8m，锚杆长12m，施工扭力板手为嵊州市工具厂生产的扭力板手（型号:AC250-1000Nm），螺纹加黄油，初次旋进，垫片为钢板。

试验主要设备:1级精度拉压力传感器、静态电阻应变仪。待锚固剂充分凝固后进行试验。

表6 1#孔锚杆试验结果

表7 2>#孔锚杆试验结果

通过两次锚杆锚固力松弛试验，基本上可以得出这种锚固剂锚固力松弛主要发生在前10min，后期应力松弛十分小，具体试验结果见表6、表 7。

3 结语

（1）预应力锚杆锚固工程扭力板手扭力矩与预应力锚杆张拉力关系，不同的扭力板手对应各种规格的锚杆和螺纹需要找出相应的扭力矩与张拉力关系。

（2）试验扭力矩与张拉力关系时，要保持与现场实际使用条件一致，如初次旋进、加黄油、垫板等。

（3）同一螺纹第 3次旋进与初次旋进，同样扭力矩其张拉力会增大约 5%，所以如发生反复旋进螺帽时要注意这个问题，在控制扭力矩时要适当调整。

（4）预应力锚杆应力松弛主要发生在初期前10min阶段，后期松弛很小，预应力松弛值约下降5%，所以在张拉锚杆时应考虑这个因素，一般张拉值比设计值增加约5%。

（5）一般预应力锚杆张拉力达到设计值（考虑锚固力松弛）后，自由段应尽快灌注水泥浆。

TV31

：A

：1008-1305（2015）05-0047-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.05.017

唐国庆（1963年—），男，高级工程师。