岩土工程中的预应力锚索设计

【前言】岩土工程中的预应力锚索设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 岩土锚固技术的特点 岩土锚固技术是通过埋设在岩土体中的受力筋，将结构物与岩土体紧紧地联锁在一起，同时依赖杆体与岩土体的抗剪强度传递结构物的拉力或使岩土体自身得到加固，以保持岩土体的稳定。与传统的边坡治理方法相比，具有如下优点： 1.1经济性好 锚固技术...

摘要：本文首先介绍了岩土锚固技术的特点和预应力锚索的应用，然后分析了预应力锚索的设计，最后指出了预应力锚索设计中存在的几个问题。

关键词：岩土工程；预应力锚索；设计；应用；存在问题

中图分类号： TU378 文献标识码： A

预应力锚固技术在近代岩土工程中得到广泛的应用，并取得较大的成功。预应力锚索是指通过钻孔(或预留孔道)将主要承受拉力的钢绞线、高强度钢丝设置于稳定地层内(或稳固构筑物上)，并在被加固体表面通过张拉产生预应力使被加固体双面受压的结构物。预应力锚索几经改进，特别是发展到第三代，其内锚固头已基木实现了均匀受力，结构体系趋于完善，主要由内锚固段、自由段和锚固头三部分构成，锚固头又由垫墩、钢垫板和锚具等组成。

锚索的预应力主要起到如下的作用：①岩土体在预应力锚索的作用下物理力学性能得到一定程度的改善，增加了坡体的稳定性；②岩土体在锚索法向分力作用下，提高了滑移面的抗剪强度，增大了坡体阻滑力；③岩土体在锚索的作用下，使初始裂隙闭合、贴紧，这大大提高了岩土体的整体性。

1 岩土锚固技术的特点

岩土锚固技术是通过埋设在岩土体中的受力筋，将结构物与岩土体紧紧地联锁在一起，同时依赖杆体与岩土体的抗剪强度传递结构物的拉力或使岩土体自身得到加固，以保持岩土体的稳定。与传统的边坡治理方法相比，具有如下优点：

1.1经济性好

锚固技术既可单独使用，充分利用岩土体自身强度，从而节省大量工程材料，同时可与其他结构物组合使用，改善其受力状态，因此，具有显著经济效益。

1.2深层加固

根据工程需要，加固深度可达数十米之深。

1.3主动加固

能够主动控制岩土体变形，调整岩土体应力状态，有利于岩土体的稳定性。预应力锚索结构是在岩土体及被加固结构物产生变形之前就发挥作用，这与挡土墙、抗滑桩等支挡结构在岩土体变形后才发挥作用的被动受力状态有着本质的区别。

1.4施工快捷灵活

施工采用机械化作业，具有工艺灵巧、施工进度快、工期短、施工安全等特点，用于应急抢险更具有独特优势，同时，锚杆的作用点、锚固角、间距、长度等参数可以根据现场的需要方便地设定并可以相应的调整。

1.5随机补强、应用范围广

既可对有缺陷或存在病害的既有结构物、支挡结构进行加固补强，又可在新建工程中显示其独特的功能，具有应用范围广的特点。

1.6具有一定的柔性

锚杆是一种细长受拉杆状构件，柔度较大，具有柔性可调的特点，用于加固岩土体时能与岩土体共同作用，充分发挥两者的能力。

2预应力锚索的应用

在边坡工程中，当潜在的滑体沿剪切滑动面的下滑力超过抗滑力时，将会出现沿剪切面的滑移和破坏。在坚硬的岩体中，剪切面多发生在断层、节理、裂隙等软弱结构面上。在土层中，砂性土的滑面多为平面，粘性土的滑面一般为圆弧状。有时也会出现沿上覆土层和下卧基岩间的界面滑动。为了保持边坡的稳定，一种办法是采用大量削坡直至达到稳定的边坡角；另一种办法是设置支挡结构。在许多情况下单纯采用削坡或挡墙往往是不经济的或难以实现的。这时可采用锚索加固边坡。采用锚索加固边坡，能够提供足够的抗滑力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡移，这是一般支挡结构所不具备的力学作用。预应力锚索适用于土质、岩质地层的边坡及地基加固，为确保锚索工程安全可靠，其锚固段宜置于岩层内。锚固段若置于土层中，则需进行拉拔试验并进行个别设计。预应力锚索在工程上的应用概括如下：

2.1滑坡防治

在滑坡治理工程中预应力锚索可直接使用，也可与其他支挡结构组合在一起使用，如锚索桩板墙形式。

2.2边坡加固

主要应用于不稳定岩质边坡加固工程，与滑坡治理一样，既可以直接使用，也可以和其他支护形式联合使用。

2.3深基坑工程

用于深基坑支护、地下室的支护与抗浮、地下停车场抗倾与抗浮及地铁的稳定。

2.4结构抗倾覆

竖向预应力锚索用于挡土墙上，可增强挡土墙的抗滑动及抗倾覆能力，用于高塔、高架桥、坝体等可以防建筑物倾倒。

2.5隧洞与地下工程

用于隧道、巷道、地下恫室等地下工程围岩加固。

2.6桥基加固

可用于悬臂桥锚固、吊桥桥墩锚固。

3预应力锚索的设计

3.1锚索锚固设计的一般规定及基本要求

（1）在锚索设计前应对采用锚索的安全性、经济性进行评估，对施工的可行性作出判断。

（2）采用锚索的类型应根据工程要求、锚固地层性质、锚索承载力大小、锚索长度、现场施工条件和施工方法等综合因素确定。

（3）在锚索设计时，应确保锚索和被锚固结构在承受施工荷载和使用荷载作用时的安全性，不应产生影响结构正常使用的变形。

（4）对于永久性锚索，其有效寿命不应小于被加固结构物的服务年限，且防腐等级和构造应达到相应的要求。

（5）锚索在承受反复荷载时，反复荷载的变化幅度不应大于锚索锚固力设计值的20%。

（6）设计锚索时，除了与本工程条件相似并有成熟的试验资料及工程经验可以借用以外，一般均应进行锚索的基本试验。

（7）在特殊条件下，为特殊目的而使用的锚杆，如水中应用的锚杆、可除芯式锚杆等，则必须在充分调查研究并获得试验结果的基础上进行设计。

3.2 锚索设计的步骤

（1）计算作用于锚索结构物上的外力，并以此为依据来计算锚索承受的总拉力；

（2）通过经验确定锚索的间距，并计算每一根锚索承受的拉力，即锚索的设计荷载；

（3）锚索的锚固设计，包括有锚索的长度、锚固角等参数；

（4）外锚结构物设计，一般是根据经验来选取锚头的形式；

（5）试验与监测设计，包括有锚索的张拉试验、预应力的监测等内容。

4 预应力锚索设计中存在的几个问题

4.1材料选择及其安全度问题

锚索体材料的性能直接影响锚固工程的质量，因此选用锚索体材料的基本要求是强度要高、有较好的塑性和良好的加工性能，同时对腐蚀不敏感，并且其表面不得有裂缝、小刺、劈裂、死弯等机械损伤和油迹。材料强度的确定是预应力锚固设计的内容。在锚索锚固力的设计中，应取材料的强度标准值作为设计值，不应取材料的极限抗拉强度值作为设计值。相关规范规定，在锚固工程中应将锚束材料的极限抗拉强度的60%～65%做为锚束允许设计应力，来提高被加固体的安全度。

4.2锚固段长度问题

计算锚索段长度的前提条件就是内锚固段的剪应力是均匀分布的，但是实际上锚固段的剪应力分布是不均匀的，通过试验表明，剪应力是呈指数形分布的，并且沿着锚固段长度迅速递减。有资料显示，剪应力在相当于3倍外锚墩尺寸的内锚固段长度范围内就可衰减至张拉力的5%。这说明并不是锚固段越长，其抗拔力越大，当锚固长度达到一定程度，抗拔力提高并不显著。

另外，影响锚固段长度的因素有三个，一是胶结材料本身的强度，二是围岩强度，另一个更重要的因素是胶结质量。在实际的施工中，由于各种原因很难保证锚固段的胶结质量，因此在锚固段长度设计时，需要用一定的安全系数来做保证锚固的质量。

4.3最优锚固角选择的问题

预应力锚索同水平面的夹角称为锚固角。最有效的布置方向为逆滑动方向布

置。但是由于受施工条件、滑动体的边界条件限制，只能以一定的角度布置，所以必须经过综合比较，选择最优的锚固方向，以达到最优先的加固效果，一般对于自由注浆，锚固角应大于11°，否则应增设止浆环进行压力注浆。

4.4预应力锚索的防腐处理问题

埋置在岩层和土层中的锚固结构的使用寿命取决于锚索的耐久性，对寿命的最大威胁则来自腐蚀。至今，国内外锚杆腐蚀破坏现象时有发生，如法国朱克斯坝在使用几个月后就发生断裂，分析其原因是腐蚀破坏造成的；英国的泰晤士河畔码头在使用21年后发生预应力筋的断裂，并导致严重的事故，究其原因还是由于锚固体被腐蚀破坏所导致。因此，对这个问题的研究，也是岩锚设计中一个重要部分。

国际预应力协会（FIP）地锚工作小组在1986年前已经收到世界各地35例锚索腐蚀破坏的实例，其中永久性锚索占69%，临时性锚索占31%。并且断裂处多位于锚头附近及自由段长度处。

由于锚索的腐蚀问题是一个较为复杂的课题，影响因素很多，腐蚀机理也比较复杂。因此，在锚索的防腐设计中，要认真仔细地分析锚索所处的环境及腐蚀机理，针对不同的腐蚀情况，进行防腐处理。

参考文献

[1]程良奎，范景伦，韩军. 岩土锚固[M].北京：中国建筑工业出版社.2003

[2]阎莫明，徐祯祥.岩土锚固技术的新发展[M].北京：人民交通出版社，2000

[3]秦新义.预应力锚索格构梁的设计及试验研究[J].长江科学学院院报.2008,10(5)