铁路路堑边坡支护预应力锚索技术与设计

预应力锚索技术与设计

一、预应力锚索技术（一）预应力锚固技术预应力锚固技术的优点是：①能充分发挥高强钢材、钢丝、钢绞线等材料的良好性能；②最大限度地利用岩土介质的内在强度和潜力，加强自承和自稳能力；③主动加载用以改善工程结构的应力状态，提高受加固体的强度；④确保工程施工的安全及岩土体的长期持续稳定，约束其变形。

近年国内外预应力锚固技术主要成就：①应用领域日趋广泛，工程规模愈益扩大，社会和经济效益明显；②新结构、新工艺不断涌现，适用于各种复杂受力条件；③新型锚固机具不断改进和完善，提高了施工效率和工程质量；④开发了新的锚固材料，极大地改善了锚固工作性能；⑤理论研究取得新成果，锚固工程设计和施工纳入了规范化标准。

（二）预应力锚索的类型按受力方式分为主动加力锚索和被动加力锚索；按外锚特征分为可调预应力锚索和不可调预应力锚索；按锚索自由段结构分为粘结型锚索和无粘结型锚索；按锚体材料分为高强钢丝束锚、钢丝绳锚和钢绞线锚等；按锚固段荷载分布分为荷载集中型锚索和荷载分散型锚索等。对治理滑坡等地质灾害，一般选用主动加力的由高强度低松驰钢绞线构成的拉力式非全粘结型锚索。

（三）预应力锚索的适用条件及主要问题

1.预应力锚索的适用条件技术上，预应力锚索可用于加固一般岩土质的边坡、滑坡和危岩，包括土质滑坡。由于加固松散体的锚索的预应力衰减是有限的、可控的和可弥补的，因此对预应力锚索加固土质滑坡的长期有效性的耽心是可消除的。

但在以下条件时,其应用和功效受到限制：（1）当滑动面较陡时,尤其对陡倾的危岩。（2）当滑体很厚、锚索自由段过长时。（3）当下滑力过大、滑体十分松软时。（4）当滑床为松软土体时。2.预应力锚索与抗滑桩的比较（1）原理上，预应力锚索是主动加固，可改善岩土体及结构面的强度，而抗滑桩是被动支挡。同时，锚孔压浆亦可进一步提高岩土体及结构面的强度。（2）变形上，预应力锚索适合于保护允许变形较小的工程结构（如隧道），而抗滑桩允许变形较大。同时，预应力锚索加固面积大，滞后变形的未加固区较小，而抗滑桩为线状支挡，滑体滞后变形较预应力锚索加固明显。（3）地质上，预应力锚索用于岩质滑坡加固比用于土质滑坡更好，因为预应力衰减较小；而抗滑桩用于土质滑坡加固比用于岩质滑坡更好，因为下滑力作用点较低。

（4）经济上，滑体较厚时宜用预应力锚索，滑体较薄时宜用抗滑桩。因为锚索长度与滑体厚度呈线性关系，而抗滑桩不但长度与滑体厚度呈线性关系，而且因滑体愈厚则下滑力作用点愈高因而弯矩愈大，桩的截面积和配筋与滑体厚度亦呈线性关系，因而桩的工程量大，不经济。（5）施工上，预应力锚索工艺较复杂，松散滑体中造孔难度较大，施工机械多且可受地形限制，而抗滑桩工艺较简单，施工机械少，不受地形限制。同时，预应力锚索的表观有效性不如抗滑桩，而抗滑桩人工开挖桩井的表观安会性又不如预应力锚索。3.预应力锚索的主要问题（1）预应力衰减问题。如前所述，加固松散体的锚索的预应力衰减是有限的、可控的和可弥补的，在规范施工的条件下，对预应力锚索的长期有效性的耽心是不必的。（2）钢绞线腐蚀问题。对化学腐蚀，由于采用了钢绞线防腐除锈、塑料套裹护、水泥砂浆裹护三道措施,问题基本解决。现最关注的是应力腐蚀，即钢绞线长期处于高拉应力状态下产生缺损进而组成钢绞线的钢丝产生破断的问题。由于预应力锚索面世仅数十年，作为百年大计的抗滑工程,尚未全程经受捡验，因此目前应以加大锚索钢绞线的安全储备、规范张拉工艺来应对。

（3）锚固段设计问题。如后所述，锚索设计中以剪应力沿锚固段全长均匀分布，采用平均粘结强度来计算锚固段的长度。但事实上，剪应力在锚固段并非均匀分布，而是呈单峰曲线状分布，按剪应力均布计算锚固段长度趋于不安全。目前，这一曲线的机理和模型尚在探讨中，锚固段设计只能变通地解决。（4）锚索施工问题。包括松散体中跟管钻进问题，深长锚孔钻进的纠偏问题，扩孔与二次压浆问题，张拉与锁定工艺问题。正改进中。

（四）预应力锚索结构拉力式非全粘结型预应力锚索由锚固段、自由段和外锚固段构成，外锚固段又由结构物或抑制件（垫墩、格构等）、钢垫板和锚具等组成。锚索体采用高强度低松驰的钢绞线制作，钢绞线应符合国标标准(GB/T5224-95)或参照美国标准(ASTMA416-90a)执行。锚固段是为锚索提供抗拔力的地段，加固滑坡时一般置于滑动面（潜在滑动面）以下的稳定岩体中，通过灌浆将钢绞线与岩体连为整体以提供抗拔力。锚固段提供的抗拔力大小与锚索钢绞线强度、钢绞线与砂浆的握裹力以及砂浆与孔壁岩体的结合力有关。

自由段为传递预应力的段落。为了达到预应力锚索对滑带的加固效果，锚索自由段一般要穿过滑带。必须保证自由段钢绞线的有效防腐，避免因钢绞线锈蚀导致锚索强度降低。自由段钢绞线通过外套塑料管与砂浆隔离以达到自由变形之目的，加固滑坡时自由段往往置于滑体部位。外锚固段是通过锚具将锚索固定于结构物或抑制件上，在承力的条件下锁定的部分，也是施加预应力张拉后的锁定部件。滑体地表岩土体承载力较高时往往采用钢筋混凝土垫墩，地表岩土体承载力较低或坡面过陡时，往往采用地梁或格构梁。预应力锚索所用锚具应符合国家现行《预应力筋用夹具和连接器应用技术规程》(JGJ85)的规定。（五）预应力锚索力学原理加固滑坡时其原理为通过预应力的施加，增强滑体的法向应力和减少滑坡下滑力，有效地增强滑坡体的稳定性。预应力锚索通过张拉对锚固段产生拉力，锚固段则对滑体产生反作力，并分解成垂直滑面的正压力Pn及沿滑动面的抗滑反力Pr。二者形成的总抗滑力P为：

P=Pn·tanΦ+Pr=Pt[sin(α+β)tanΦ+cos(α+β)]（1）此外，滑体及滑带土在长期处于双向受力状态下不断密实，加上锚孔压浆的渗劈粘结作用，其物理力学性质也不断改变。

（六）预应力锚索加固松散体滑坡的机理

1、应力传递与响应有限元分析显示了预应力锚索加固松散滑体的有效性：（1）预应力在松散介质中传递和响应的规律与在岩体中相似，可以通过增大正应力和阻滑剪应力起到抗滑作用。（2）施加预应力时，坡体存在拉应力区。最大拉应力值远小于土体强度，不致使坡面表土开裂变形。（3）锚索加固变形模量较小的松散介质与加固变形模量较大的岩体同样有效。（4）松散滑体的厚度并不影响锚索的加固效果。

2、预应力损失锚索预应力的损失有4个原因：（1）锚具、夹片内缩所致预应力损失N1Nl=A·σlσl=∑△L/L·Ey（2）（2）张拉系统摩阻所致预应力损失N2PX=P0·e-(μα+kx)

（3）（3）钢绞线松弛所致预应力损失N3

初始应力越小松弛损失预应力的终值也越低，设计预应力往往为极限应力的60%~70%，因此钢绞线松弛造成的预应力损失并不太大。

（4）地层压缩徐变所致预应力损失N4

地层的变形模量愈小，预应力损失也愈大。现场测试表明，预应力一般在加载后20d~4mon内可趋稳定。综上可知，锚索预应力损失仍是有限的和可弥补的，预应力锚索加固松散滑体将是长期有效的。3、锚固力分布锚索设计中以砂浆与孔壁间的剪应力沿锚固段全长均匀分布，采用平均粘结强度来计算锚固段的长度。但剪应力在锚固段并非均匀分布，而是在前段集中并形成峰值，然后逐渐向末端减小并最终趋近于0。按剪应力均布计算锚固段长度，所得安全系数往往比实际偏大，趋于不安全。从若干实例总结出，拉力型锚索锚固段的剪应力分布曲线是以0为渐进线的单峰曲线。

用三参数的高斯曲线来描述锚固段剪应力τ分布曲线较为贴切。即：

（4）

式中：L为从与自由段交点起算的锚固段的长度；

a、b、d为待求的曲线参数，b为负值。有：剪应力的极大值：τmax=a（5）极值处的锚固段的长度：Lmax=d（6）剪应力曲线拐点的横坐标：

（7）

设B=-b,则锚固段的剪应力（锚固力）之和F：

（8）

剪应力的平均值与峰值之比k：k=F/ac（9）各实例的k值为0.62-0.72，平均为2/3，设计锚固段的安全系数应打2/3折。例如，要求锚固段的安全储备达到1.33，则据平均粘结强度计算锚固段长度时所取安全系数应不小于2。二预应力境锚索的傅主要设摄计原则（一）加独固滑坡的故预应力锚弄索设计流羞程（下图）确定滑赌动面垄→计敬算滑坡方的下滑症力—┐确定锚纳固力和多┌桶→确定恩锚索结隙构与锚久孔直径的抗剪强浆度跨├—→预应力张胳拉值—┤→确定锚怨索吨位宋、间距拿与排数计算锚索———状┘年↓↑习├→确定垫偷墩尺寸侧与配筋的下倾角师←———吵—确定锚匙固段的缩慧└→封随头与连用梁位置与长兽度预应力锚埋索设计流引程框图（二）确榨定滑动面必的强度指诞标及滑坡招下滑力滑动面抄的强度圈指标可素直接通含过现场均的滑动华面大剪圾试验获皱取。但浙少量大券剪试验单往往离袖散性较刘大，大笼量大剪店试验费恳钱费工捆又不现得实，因凑此往往给根据滑漠坡主轴屯断面采应用反算疑法来确尼定，即棍根据当诸前的滑傻坡状态绕，据经翻验确定掉其稳定螺系数，育再反算c、Φ值指标。牧对滑坡体悉所处稳定拒状态的评踢估带有很台大的经验态性，应据量滑体变形余现状来厘荐定。当滑双坡处于蠕倒动阶段、材滑动阶段悦时，现状决稳定系数耳可分别在1.10宫-1.0户0、1.0连0-0擦.95范围内蔽取值。格当滑坡乏未明显畅变形或技己剧滑赢时，现未状稳定仓系数无庄法确定解，不适存于反算株。反算中鸦滑动面祖位置、轮形态、划滑体后宣缘裂隙毫状态、到地下水元资料等亿非常重乓要，为除此须进贤行详细扣的地质简勘察工证作。对牛应急勘民查中没堡有足够椅时间进诊行滑坡谨地质工狮作的工店点，应蚀充分利俩用了施透工地质瞎资料进例行反分俱析，即忠通过锚淡索钻孔象揭示的敲滑面情敏况对原品设计进法行修改吸，即动扒态设计岩。确定了叫滑动面势的强度阁指标后我，根据武不同工承况、工玻程的重倍要等级箭、地质梨情况清汤晰程度吩等确定包所需的最安全系缠数，根算据有关画下滑力根公式计术算出滑予坡下滑活力。当滑动面架形态典型多时，可不企通过上述饭反算滑面轿抗剪强度笼指标再正来算下滑力惰的过程，可直接根据幻玉现状稳定等系数K0、设计着安全系盖数K1、单宽斜滑体重朴量W以及滑面丑形态特征态用下述公您式估算下鸦滑力F：对直线汗形滑面供：F1=Wco欧sα(K1-K0)先—荷载增大娘法(10-技1)F2=Ws织inα耐(K1牧-K0格)/K1—强度折减贩法(10疫-2)对圆弧形船滑面：F1=W1d1/R-W2d2/R)亡(K1-1)锦—荷载增三大法(11州-1)F2=W1d1/R-W2d2/R)急(K1-1)/逮K1—强度折减美法(11舱-2)式中W1、W2分别为疤下滑段至、阻滑之段的滑替体重，d1、d2分别为W1、W2重心至奶滑面圆废心铅垂筛线的力蛙臂。F1=K1×F2（12）（三）盖确定锚兔固力与愁张拉值1、设计锚兰固力设计锚汁固力根随据滑坡达下滑力永来确定被，设单杀宽滑坡另下滑力神为F，则单毕宽滑坡匙所需锚世固力为崭：Pt=F分/［sin抚(α+β丝式)ta切nΦ+恨cos刷(α+β喝)］滚（1）再根据烟滑坡的态总下滑否力来确屿定设计唤的总锚炸固力。2、预应力泉损失与张显拉值为减少锚汗索锁定后题的预应力桶损失，可棕通过以下蛋三种途径厉：（1）加大疏垫墩尺效寸，减瞎小锚墩抛底面对秤岩土体戒的压力识水平。（2）采用小炎吨位锚索防，如500弄kN、750k健N级锚索。（3）多次张婶拉与超张伟拉。后一塘次张拉可叙补偿前一监次张拉后刃的预应力丙损失；按吹超过设计辜预应力进漏行锁定前枝的超张拉坚，可弥补秩地层压缩杰徐变所致遵预应力损曾失。超张绩拉值根据若测试和经煮验而确定低，一般土敏体控制在25%以内，岩龄体则控制呈在10%以内。（四）仇确定锚反索下倾餐角理论上割，单位演长度锚苹索提供葱最大抗才滑力时桂的下倾辞角β为：1、仅考虑搜锚固段时过：β=Φ灾-α2、仅考虑瓶自由段时萍：β=搅45°吗+Φ营/2凭-α3、同时考趁虑锚固段碗和自由段旬的锚索最歌佳下倾角伪公式：β=4副5/鹿(K+1搏)+[任(2k+肺1)/通2(K残+1)]棉Φ-α（13）由于灌浆底施工的需么要，一般冶取值为10°~陷30°。（五）余内锚固锻段的长贝度及布片设1、锚固段菌的长度考虑以下重两条原则胞，一般最尚长取8-1渠0m。（1）提供结足够的赠锚固力每1根预应兴力锚索似承担的绩锚固力拆须控制攀在容许培锚固力拌范围之请内。容许锚弦固力=极限锚这固力/锚固安犁全系数k。预应力锚灿索极限锚刘固力通常轰由破坏性敌拉拔试验抛确定。极限锚固贡力受4种因素所膝控制：锚局索钢绞线窜强度；砂练浆对钢绞喊线的握裹买力；砂浆饥体与锚孔峰壁的结合腊力；锚固粗段岩土体厨的剪出破贱坏。锚固段甲一般深绕置于基映岩中，耍岩体不意易剪出雄破坏；弯锚索体僵的钢绞梁线有足舱够的安屠全储备惭，其藕拆节状结私构增大地了砂浆跑对钢绞鸣线的握前裹力。煮因此控累制锚固首力的突盘出因素弓为砂浆半体与锚碧孔壁的岸结合力斥。设计术中锚固耽段长度L以砂浆用与孔壁遍间的剪援应力沿码全长均疫布为前津提按下馅式计算榜：L=康k1T/剑πDτ（12）式中安全送系数k一般取2.0智~2.宵5。（2）锚固段问全长有效锚固段迹设在坚笑硬岩层泽中，锚智索的轴机向应力孕沿轴向己方向迅恶速衰减从，传递要深度仅3.0感m，锚固长股度不宜长野于3.0m；在中块硬岩层孝中传递偏深度为5.0~访6.0m，锚索锚洲固长度不剥宜长于5.0尘~6.烈0m；在软弱蚂岩层中，耗轴向应力绑在锚固段博全长范围压内分布，弦但当锚固鼠长度大于10m时锚索韵杆体中闯轴向应委力已很僵小，相漠应的粘微结剪应牙力也较慕小，靠倾增加锚喂固长度柜来提高风锚索的爷抗拔力堪已变得恨效果不和明显，苍故在软挣弱岩体动中锚固州段长度锻不宜超净过10m。锚固段只全置于替滑面或弄堆积层姜以下的红基岩中腾，并考夏虑应力规扩散，陆锚固段只的起点谜与滑面水间应留晕有1m以上的时长度。在增加艰锚固段敞长度己纱无效时填，增大滩砂浆体奖与孔壁改间的结释合力有咬以下两雨种途径顶：（1）扩大锚卸固段孔径甩，以增大效孔壁面积丢，同时有桑支承作用箩。扩孔后卖锚固段的诉锚固力P为：P=劲πD萍Lτ+片0.赤25π旗(D2-d2)βτ（13）（2）二次大高压劈霸裂灌浆练，以形断成更粗背的砂浆粉体，并打因浆液拳扩渗而抬提高土浩体强度跪，从而思显著提居高锚固刘力。（六）王锚索结泳构和孔贼径的确波定1、钢绞仅线根数根据单模根锚索壮要求承智受的锚得固力和速钢绞线衬的最小壁破断载井荷，加驻一定的椒安全系股数来确疫定锚索尘的钢绞钱线根数座。一般采用坚的美国标党准ASTM回A4狼16-9靠4钢绞线，刻用7丝拧成，φ15蛇.24兼mm，截面妈面积140字mm2，张拉恒强度1860帽N/mm2，最小破智断载荷260.悠7kN。500k株N锚索用4根钢绞封线组成讲，750k许N锚索用6根钢绞碰线组成邀，超张娱拉25%时安全系位数K为1.6。研究餐现有规耳范认为K取1.50已足够。2、锚索体损结构对拉力则型锚索智，钢绞尾线呈同疾心状环没列，中厘心全长选插灌浆迷管。锚皮固段用住扩张环庙和定位蚊片束张满呈藕节紧状；自杠由段各争根钢绞辅线防锈牵防腐后炒，分别巩套上塑坛料管，肥再用箍款环紧束百成索；钳塑料管常末端用奴胶带扎猎成止浆仿塞。3、锚孔直狭径锚孔直径径据索体直校径，并考浆虑砂浆体煤的空间来置确定。4-8根钢绞呈线的锚诵索，锚崇孔孔径钉一般设粒计为90~1梢15mm；9-1失5根钢绞允线的大粪吨位锚鄙索，锚斧孔孔径乓一般设祥计为115裤~13简5mm。据成校孔机具说，一般饶设计为110m并m。（七）锚瞎索吨位、鲜间距和排恒数的确定1、锚索望吨位当失稳帐坡面较营大时，顺宜尽量蚕采用小择吨位锚肺索来加堵固。虽帜然小吨锯位锚索竹比大吨姨位锚索抚的根数旗要多，丝式因而造疤孔费用捆略高，挠但增大贝了加固疏面积，呈可减少提未加固解区滑体眨的残余厕变形，险效果更片好。考虑到宾索体的智构造，巷小吨位查锚索的雕钢绞线奇最少要3-4根。一般纸采用4根钢绞线罩的500k魔N锚索及6根钢绞降线的750k竭N锚索。2、锚索间饺距治理滑各坡的锚临索为群坟锚，一恶般呈矩险形排列仅，纵向谅成排，狮竖向成呜列。考辈虑群锚被效应，榆锚索之协间的间地距应不督小于锚润体直径凭的5倍及1.5m，据经验登一般取3～6m。3.抗滑锚索套为群锚,设计中要年考虑群锚册效应松散体的秧结构强度剧低，当锚绢索间距过准小时，可暴能产生相逗互影响，纷降低锚固也能力，同舍时不同部丽位的锚索监受力也有说差异，因户此有锚索腥间距要大魄于5倍孔径的卧经验。另一方面含，锚索间污距又不宜受过大，否倦则锚索之撑间会出现求明显的应俊力跌落区做，达不到签对坡体整怜体锚固的犹效果。加督固松散介窄质的预应威力锚索的嘉间距，以3~6信m为宜。群锚中不预同位置的码锚索,其受力可浑有区别。啄其中以角种锚受力最醉大，边锚泼次之，中诉心锚最小飘；同时，签最下一排花锚索受力映最大。4、锚索排者数根据设计龟总锚固力蚂和单根锚各索所能承抢受的锚固你力确定锚赚索的排数早。锚索排延数一般由裹主轴断面雾向两侧递蚁减，但要股构成群锚俩，不宜少泽于2排。当锚索排爬数较多时潜，可分组样（每组数装排）布于尿滑面不同筐部位,使加固退均匀化锄。（八）垫顽墩、锚具救、封锚、糟连梁1、垫墩松散滑体傅有一定承些载力，当虏坡面较缓嘉，无局部嗽崩坍失稳绩现象时，躲锚索抑制漏体可不采率用会增加巧费用、施舅工复杂的仇格梁，而制采用单点将锚的垫墩吐，有的工斥点加有地捎梁。垫墩可方山块形或翻陵斗形，底傻面尺寸根葱据预应力应张拉值和胀锚墩处土刷体允许承善载力来确脆定，按厚挠板状结构博确定垫墩播厚度。对翻土体,50筛0kN锚索可设拖计为1.5姨m×1双.5m探×0.幕5m，750k嫂N锚索为2.0m张×2.0顽m×0.稠6m。垫墩材拣料设计为C25钢筋混凝返土，布筋识只按构造揭筋考虑。2、锚具采用与钢刺绞线根数枝相同的锚痕具。500何kN、750眠kN级锚索采雁用OVM型4孔、6孔锚具，悟夹片回缩恐值为6mm。锚具与垫羡墩之间设吨正方形钢季垫板，尺瓜寸可为25c冒m×2捉cm×壤2cm，500k即N锚索设1块，750k棒N锚索叠2块。3、封锚与风地梁经超张拉剪并锁定后驳，用C15混凝土稼封住锚基头，以梦防锈蚀从与破坏嗽。有的闲工点在搭最下1排锚索杆设钢筋松混凝土脂地梁，茅约束坡巧脚。三预应力驶锚索的乎施工工典艺要点锚杆锚固仙工艺流程局：施工准造备→拉拔统试验→钻烟孔→锚索旺制作安装芹→注浆→治张拉→锁解定→封锚旗。1.施工准备搭设脚于忙架后，根缴据设计图春定出孔位虾，一般要涂求水平方烫向孔距误酒差不应大俩于50mm，垂直方缠向孔距误播差不大于100m牛m。2.拉拔试验正式施工合前先施工碰试验锚索烤，进行拉欠拔试验，惠试验至破很坏为止；阶反聩试验絮结果，以没复核锚固获段的设计牵。3、造锚孔造锚孔的垮主要要求赴是保证孔谎深、孔径丸和孔的倾民角。釆用返专门的锚化固钻机施杏工。钻进忽一般用风迟动凿岩钻汉机，无水赠风钻。需肢配备大型鹅空压机，惠动力部分领釆用风动悄或液压躯黑动。跟进找的套管用缝拔管机拔愈出。保证钻糕孔孔径哑；下倾剧角偏差返不大于1º。超钻50cm，以免沉引碴影响有钓效孔深。映达到深度状后釆用高兵压风清洗遥孔壁，吹处出沉渣。慎及时编录疼与反聩施慨工地质情文况。4、锚索索肝体的制作匹与安装采用φ15.忽24mm带护套的赢高强度、湖低松驰钢吨铰线制作执，中置φ25塑料注糠浆管，饭四周环风列钢绞拉线。对减钢绞线挂作抗拉溉强度检寄测，确卫认已作鼓防腐处争理，并痒防锈除道垢。锚懒索的锚谎固段要样剥去钢匠纹线的繁护套，董每间隔1.0m用扩张环重和箍环扩纵束呈节状涨，锚索外字套上加定挖位片以便楚入孔后居绩中，末端滔套φ60钢管作为止导向帽。自由段元末端用页胶带纸虚密封以紧防砂浆乔进入护补套内。豆整根锚度索稍长叠于设计瓦长度，业以伸出意锚具供吊张拉。资施工中竟锚索用睁人力插选入锚孔肤中，端芒头露出输孔外适汤当长度张，作套胃锚具和善拉拔之林用。5、灌浆为使砂恢浆灌注愚饱满，喉将灌浆贞管置于歉锚索中水心并与里