可回收式预应力锚索作用机理及施工力学研究

摘 要：预应力锚索是目前岩土工程领域最常使用的技术工具之一，目的是通过锚索构件完成针对岩土体的预应力锚固，而锚索构件则需要依据岩土体特征进行拉力选择。本文在针对预应力锚索进行研究时，选择了较为具有代表性的可回收式预应力锚索作为研究对象，通过其在岩土体方面的锚固作用机理分析以及施工力学分析，得出可回收式预应力锚索的基本特征，以及其在预应力锚固领域的作用。

关键词：岩土体；预应力锚固；作用机理；施工力学

前言：在岩土体的施工中，为了能够保证土体下方的地层能够与施工所采用的加固物保持完美结合，需要通过锚固技术对其进行压应力的施加，从而使其成为全新的复合结构体，避免其在使用过程中出现变形、位移。在开展锚固技术时，需要结合岩土体自身的稳定性进行预应力锚索的选择，而锚索本身的特性也成为了施工团队进行锚索选择的主要依据。在开展施工之前，需要优先完成锚索施力情况的判断。

一、可回收式预应力锚索的作用机理分析

（一）岩土体加固机理分析

应用锚索对岩土体进行锚固施工，能够对岩土体产生强化，再借助一定的技术手段实现锚杆支护。在相关的技术机理中，常见的机理主要有悬吊作用、连续压缩等具有代表性的施工机理。通过不同的机理选择，能够达到不同的加固效果。

其中，悬吊作用激励是指在锚索加固过程中，施工人员选取相对不稳定的岩土体，将锚索通过上方选调的方式，深入到深层的岩土体中，使锚索与稳定岩土结合，避免出现离层滑脱现象。这种锚固机理主要应用与地层较深的岩土体锚固之中。

与之不同的连续压缩锚固机理则主要应用于拱形洞之中，在拱形洞内，部分岩土体会出现破碎区，为了保证洞内洞壁具有较强的支撑力，工程施工需要将锚索的敢提搭建成圆锥形，用以承受压应力[1]。而在具体的施工当中，为了保证洞内围岩形成的压缩带始终处于均匀状态，施工人员需要依据一定的锚杆间距进行锚杆群布设，各个锚杆之间相互交错，从而形成压应力的承压拱，以此来承受拱形洞上方的破碎岩石所带来的景象载荷。

（二）可回收式预应力锚索的机理特殊性分析

以往在施工当中选择的普通预应力锚索，主要是自由式拉力型锚索。这种锚索由钢筋、注浆体、绞线、外锚头等部件共同构成。在受力过程中，钢筋以及绞线会通过张拉的方式实现剪应力的传递，再将力传输至注浆体内部，最后由注浆体经过外锚头完成剪应力的传出。而本文所研究的可回收式锚索，则是在传统锚索之上增加波纹套管、固定台座以及承载体等部分，而钢绞线、注浆体和外锚头则保持不变。在受力时，钢绞线完成张拉，固定台座以及承载体会将受力转变成为均匀分布的压力，传输到注浆体，再由注浆体完成外传。在进行作用机理的详细对比之后可以发现，普通的预应力锚索与可回收式预应力锚索，存在着许多不同之处。

首先，普通的预应力锚索作为拉力型锚索，其内部的注浆体始终处于受力状态，而在此状态下，注浆体不会对孔壁产生径向力。随着预应力增大，锚固的截面则开始缩小，连同浆土界面强度降低。而采用可回收锚索，其内部结构使其拥有三向应力状态，此时锚索会依照均匀的压力分布对围岩施压，从而增加浆土界面的强度，具有更好的加固效果。

其次，普通的预应力锚索在反复受到拉力的过程中，注浆体容易出现老化损坏现象，进而导致内部形成腐蚀。而可回收式预应力锚索，注浆体所受到的压力高于其受拉能力，因此具有较高的稳定性。

其三，在载荷的传递方面，传统的普通预应力锚索，端头的受力最大，其拉应力也最高，向尾端过度，受力递减；而可回收式预应力锚索的受力集中在尾端，且存在最大压应力，向端头过度，受力递减。与前者相比，可回收式预应力锚索更加适宜在地层较深的岩土体开展加固工作。

其四，在施工过程中，使用普通预应力锚索时，施工人员需要保证锚杆与注浆体之间保持粘结，需要使用粘结筋来进行强度控制；而可回收式预应力锚索，则可以采用五年結的钢绞线在预应力筋外完成套管，实现内外隔离，避免出现腐蚀。

二、可回收式预应力锚索的施工力学分析

（一）岩土体的力学传递特性

在相关的研究中，研究学者在实验室内选择了粒装土和粘性土两种不同的土质进行锚杆试验，通过测量注浆体表面所含有的摩阻力的方式对其锚固力学特性进行分析。实验结果显示，注浆体表面所拥有的摩阻力会沿着锚固的方向呈现非均匀的分布方式，而分布长度越长则其极限的抗拔力增速则会越慢，并且会出现临界长度，其指数分析如公式1所示：

公式1：t（z）=r0eAZ/d

公式中，锚固段Z的剪应力值用t（z）进行表示，而r0则代表锚固段近端的剪应力，d则为锚索直径，A表示锚索主应力常数。带入长度L积分，可以获得极限锚固力计算值，如公式2所示：

公式2：Tu=1/Aπd2t0

结合公式计算，实验人员得到了可回收式预应力锚索在针对岩土体进行施工时的力学特性。其中，在密度较高的砂土层中进行施工，锚杆长度设定需要依据最大表面粘结力进行确定，而在松砂土层中，粘结力则会与理论值相接近[2]。随着外部载荷的不断增加，岩土层的表面粘结力会不断上升，指导达到某一个峰值点后，开始逐渐回落，并与锚固段远端的应力值想接近；锚索的长短与表面粘结力相关，其中短锚索粘结力更大；地层密度变化，会使得锚索的锚固力随之发生变化。在数据统计中，不同密度的土层，表面粘结强度值最大可相差超过五倍之多。

（二）可回收式预应力锚索应力分布规律

通过对以往研究和相关统计数据和锚固段受力分布图的分析，本文总结了关于可回收式预应力锚索的分布规律。

首先，预应力锚索的承载板是整个锚固段粘结应力最低的位置，通常情况下趋近于零。造成这一现象的主要原因体现在土体分离方面，锚固段受到了集中力的作用，使其地面形成了自由面，而剪应力t越低，则受到剪切互等原理影响，其承载板应力也应趋近于零。

其次，在承载板内部，由于粘结应力的变化，其受到的应力会迅速上升，并激增至最高点，随后快速回落，而在到达锚固段中部后，降低为零[3]。对于浆土界面来说，由于锚固段设置过长且超过了临界长度，那么其超过的部分不会受力，最终使得锚固段的尾端承受了绝大多数的剪应力。而在剪应力公式计算当中，锚固段所受的剪应力会随着锚固长度发生变化，最终回归为零。

其三，承载板在锚固段当中，由于压应变分布的规律，使得其所受的轴力为最大值，而在受到较高的轴力影响之后，处于尾端的注浆体也会随之发生应力变化。当承载板轴力达到最高后，注浆体则需承受最大压应力影响，从而使注浆体转变成为屈服状态。

锚固段当中的轴力以及压应变会随着轴向出现单调缩减趋势，且该趋势十分显著。在相关的实验研究中，轴力以及压应变在锚固段当中，会在位于承载板十米左右的位置下降为零，而此时，注浆体由于与承载板有着密切关联，会发生受压后的强度屈服。随着屈服状态的不断变化，进而形成集中于承载板一侧的刚度变形破坏。

结论：综上所述，在不同的岩土体结构和土层内部密度当中，开展加固施工需要选用不同的锚固作用机理。施工团队在开展施工之前，还需要依据可回收式预应力锚索进行剪应力、压应变力学特性的分析，从而获取在施工岩土体中锚索的应力变化情况，保证施工质量达到标准要求。

参考文献

[1]吴润泽，周海清，胡源等.基于有限差分原理的预应力锚索抗滑桩改进计算方法[J].岩土力学，2015，36（06）：1791-1800.

[2]王清标，张聪，王辉等.预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究[J].岩土力学，2014，35（08）：2150-2156+2162.

[3]郑文博，庄晓莹，蔡永昌等.地震作用下预应力锚索对岩石边坡稳定性影响的模拟方法及锚索优化研究[J].岩土工程学报，2012，34（09）：1668-1676.

作者简介

李勇平（1990-），男，汉族，籍贯：湖南郴州，单位：广西建工集团第四建筑工程有限责任公司。

（作者单位：广西建工集团第四建筑工程有限责任公司）