自锁型预应力锚索设计原理及试验研究.docx
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自锁型预应力锚索设计原理及试验研究
自锁型预应力锚索设计原理及试验研究
自锁型预应力锚索设计原理及试验研究
吴志刚,刘庆元,王建松,高和斌
(中铁西北科学研究院,兰州730000)
【摘要】提出了自锁型预应力锚索锚固设计原理及进行试验验证.通过室内试验确定自锁器的结构
设计和现场试验来检验自锁效果,保证自锁型预应力锚索自锁器的自锁性能.
【关键词】预应力锚索;自锁器;荷载
【中图分类号】TU942
目前应用的预应力锚索尽管结构型式多样,但其反力结
构的应力场却基本都是以集中力的形式作用在坡面的反力
结构上.没利用岩(土)体的自身强度.为了克服这些锚索结
构缺点.笔者在类似于承载体工艺基础上自行设计了自锁
型预应力锚索.
1自锁型预应力锚索自锁原理
在锚索自由段错开设置自锁器作为反力承载体,通过锚
索的张拉力,自由段内部进行锁定,从而达到分级张拉,降低
反力结构标准或取消反力结构的目的.即千斤顶卸荷后,通
过自锁器的自锁作用,锚索的拉力由承载体转化为对灌浆体
的压力,并将压力传递给钻孔周围岩(土)体.自锁型预应力
锚索结构实质上为双锚固段受力模式.
预应力锚索锚固原理如图1.锚固力通过自锁器的传递
的作用,依靠自由段钻孔周围岩(土)体提供预应力锚索的锚
固抗力,充分发挥岩(土)体自身强度,降低或消除反力结构
的锚固抗力,从而减小或去掉坡面反力结构.锚固抗力通过
岩(土)体利用此应力场来锚固不稳定的岩(土)体,既避免
应力集中所引起岩(土)体强度不够,又降低反力结构要求或
直接取消反力结构,达到降低施工难度,加快工程进度,减少
工程造价和利于环保的目的.
图1自锁型预应力锚索锚固原理
2自锁型预应力锚索设计
对于自锁型预应力锚索的结构设计主要包括:
自锁锚固
段自锁器,锚固段设计和外锚头及结构形式设计.本文主要
是利用岩土(体)自身强度特性来设计机械式自锁器结构.
2.1自锁型预应力锚索自锁器结构
自锁锚固段自锁器由导向钢管,钢管扣帽,承载钢板,限
【文献标识码】B
位钢板,连接螺栓,反顶帽和补浆管组成(图2).反顶帽主
要用于夹片反向位移限制.
图2机械式自锁器示意
2.2室内试验及自锁器尺寸确定
自锁器试验需要达到的效果:
从正向张拉试验来看,只
要锚具夹片能与钢绞线紧密接触就能实现自锁,钢绞线不会
出现位移;在反向张拉时,只要保证夹片不和钢绞线一起移
动就可以了.直接通过螺杆的压力,利用反顶钢板将夹片压
人锥形孔内,使其与钢绞线紧密接触,既能保证钢绞线在反
向张拉时减少钢绞线损伤,又能实现自锁.
为了确定自锁器的自锁效果,笔者进行了室内试验.根
据试验结果,改进自锁器尺寸为承载钢板的锥形孔最大直径
30nllTl,夹片刚好外露11"I11/i,直接拧紧1O的螺杆使反顶钢
板受力将夹片压人锥形孔内,保证钢绞线与夹片接触紧密.
试验结果反顶荷载为80kN,正向锁定试验,钢绞线在自锁器
中能实现自锁,且不出现滑动或只有微小的移动现象;反向
张拉试验钢绞线能够自由移动,且损伤微小,张拉完毕后预
应力损失很小.
2.3自锁型预应力锚索结构形式
由于水泥注浆体是脆性材料,其变形与钢材极不匹配:
在较完整的岩体中,拉力型锚索的锚固段与张拉段的交界处
容易产生裂缝甚至破裂.在软岩,破碎岩和土体中,锚固段
水泥柱体甚至将被拉断,在钢绞线上形成不连续的短柱体.
无论何种情况,锚索将可能会在关键部位失去防护而影响使
这种锚索的典型结构,锚索体的钢绞线主要由无粘结钢绞
线,承载体及自锁器等组成.
自锁型预应力锚索是通过自由段锚索的拉力被自锁器
的承载钢板及内锚固段承载体传递到注浆体上,水泥柱与孔
[收稿日期]2009—03—26
四川建筑第29卷4期2009.087l
辩莓地穗1.
6铺头防碍件7铺墩8.锚扳9n锁铺头
10.注浆体11rl锁器I2承救l饭
图3自锁型预应力锚索结构
壁岩(土)体界面粘结应力再把注浆体的压力传递到岩(土)
体上,岩(土)体由于受到该应力场作用处于受压状态,有利
于岩(土)体的稳定,从而达到加固岩(土)体的目的.
3自锁型预应力锚索的自锁器性能
3.1加载方案
为了方便分析,对试验锚索自锁器单元分别进行r编
号,锚固段位于坡面较远处(远端)的自锁器单元编号为
MS1,锚固段位于坡面次近处(中问)的自锁器单元编号为
MS2,锚固段位于坡面近处(近端)的自锁器单元编号为
MS3.为了评估加载时相邻锚固段的相互影响,加载过程中,
首先加载自锁器单元MS1,锁定后再对自锁器单元MS2加
载,接着加载自锁器单元MS3(即从底面向坡面顺序加载).
为l『测试锚索自锁性能以及应力变化情况以及可比性,
分别对锚索的三个单元MS1,MS2和MS3采用了相同循环张
拉方法,试验最大设计荷载为300kN.张拉程序为:
lO0kN一150kN一200kN一250kN一300kN一250kN一
200kN-*l50kN—l00kN一0kN一3()0kN一0kN;锁定,测试应
力,自锁荷载数据.
3.2自锁器反顶试验及反顶荷载的确定
为了确定在自锁器上的施加荷载P必须测出锚索通过
自锁器的最大反顶荷载Pn,因此在千斤顶的张拉力作用下
P,自锁器的施加荷载尸
P=P一Po
本次试验得到最大反顶荷载:
MS1单元为8OkN,锚索
MS2单元为85kN,MS3单元为80kN.MS2单元由于锥形孔
直径误差偏大,导致拧紧反定螺丝后,反顶荷载稍大.
3.3自锁器自锁荷载的测试与分析
现场试验对各单元分别进行分级张拉,测量三个自锁单
元自锁器后面的测力计随自锁器施加的荷载变化情况.根
据测力计和张拉千斤顶的计算公式可以得到自锁器的自锁
荷载和自锁器上的施加荷载.MSI单元第一次张拉计算:
自锁器的自锁荷载P
P=F—Fo=一Kxf+A0一(一毛+A0):
一
0.4983X(2236—2271)=17.4kN;
式中:
F为锚索拉力,kN;为锚索测力计标定系数;厂为
测量频率,H;A.为标定常数,kN.
施加外部荷载lO0kN,千斤顶的读数:
P=0.0374X100
+0.02=3.94MPa:
自锁器上的施加荷载P:
P=P一P0=100—80=
72
20kN.其它计算依次类推.
通过对MS1,MS2,MS3单元的分级加,卸载,得到各自锁
器的自锁荷载,以及MS1,MS2和MS3单元在加,卸载时的彼
此影响,见图4~图6.
160
l40
120
1(w】
80
60
40
20
0
I60
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80
60
40
20
0
图4MS2自锁单元施加荷栽与自锁荷载关系
斤顶拉力(kN)
图5MSI自锁单元施加荷载与自锁荷栽关系
图6MS3自锁单元施加荷载与自锁荷载关系
从图4~图6可以看出,自锁型预应力锚索的自锁器的
自锁荷载有如下特征:
(1)从上三幅图可以看出:
施加在自锁器上的荷载P与
自锁器的自锁荷载P成近似的线性关系.施加在自锁器的
荷载P.,较小时,自锁器的自锁荷载P增幅较小;施加在自
锁器的荷载P,较大时,自锁器的自锁荷载尸增幅较大.主
要原因是当先期施加在自锁器上的荷载P较小,而克服的
不利的力较大,因此自锁荷载P增加较小,当施加在自锁器
上的荷载P.,较大,由于有先期张拉,故克服的不利因素的力
较小,因此自锁器的自锁荷载P增幅较大;
(2)从自锁器的自锁效果来看:
自锁器的自锁荷载利用
率(P/P.,),MSI为71.6%,Ms2为74.7%,Ms3为72.5%.
说明自锁器的自锁效率较高,都达到70%以上,达到自锁器
设计的目的;
(3)自锁器的反顶荷载P的影响:
如果自锁效率要高
自锁器的反顶荷载尸n越大,自锁器的自锁效果越好.但
是并不是一味的追求反顶荷载Pn要大,因为存在自锁夹片
对钢绞线的损伤问题,将严重影响钢绞线的承载力.笔者建
议反顶荷载,)n为80kN左右即可;
(4)分级张拉对自锁单元的影响:
在对各单元的分级张
拉与一次张拉到位相比较,一次张拉到位效果更好,因此在
实际工程最好进行一次性的超张拉.在分(下转第75页)
四川I建筑第29卷4期2009.08
量将大于5mSv,属放射性场所监督区,隧道洞身需加强
防护,同时隧道弃碴(主要为砂泥岩)需妥善处理并做好防
护,弃碴不适合利用为混凝土骨料与路基填料.
3.4地温
测区内历年平均气温15.5℃,按公式T=t+(H—h)g'
计算隧道最大埋深处的地温.
将以上参数代入计算式,隧道最大埋深处的温度为:
T=15.5+(955—60)X1.5/10029℃
根据《铁路隧道施工规范》(TBJ204—
规定,"隧道内气温不得超过28~C",反推算超过28~C地温的
隧道埋深深度为:
T:
t+f一h)g'
28=15.5+(H一60)X1.5
一890(m)
该隧道埋深超过890m地段地温可能超过28~C,最大埋
深955m地温约为29~C,属低高温区,隧道施工需加强防范.
以上为理论计算.根据D1Z一大柱山一04,D1Z一大柱
山~O5钻孔测试分析,孔底温度已超过28~C,据此分析,隧
道洞身地段D2K117+000~D2K119+000洞内温度将超过
28℃,最高可达到33.6~C,属低高温区.隧道施工需对地温
属低高温区加强超前地质预报与地温监测,并采取相应的降
温措施,确保施工安全.
4小结
4.1工程地质条件评价
本隧道构造发育,岩体完整性差,断层破碎带结构松散,
易产生突水,涌泥及塌方;隧道可溶岩比例高,岩溶发育,含
丰富地下水;部分地层含炭质泥页岩,具有产生瓦斯的条件;
隧道埋深大,地应力高,硬质岩可能发生岩爆;隧道洞身侵入
体发育,侵人体与母岩接触带围岩较差.总体上本隧道工程
地质条件差.
4.2工程措施建议
(1)隧道最大埋深955m,属高地应力场地,硬质岩段有可
能产生岩爆,应对隧道内岩爆及有害气体进行超前地质预报.
(2)隧道出口段含炭质页岩,具有产生瓦斯的条件,隧道
开挖需加强通风及超前预测预报,防止可能的瓦斯事故.其
地下水对混凝土具弱硫酸型酸性侵蚀及弱溶出型侵蚀,应采
用抗侵蚀性混凝土.其余地段水质对混凝土无侵蚀性,建议
施工阶段取水进行核查,并对核查结果采取相应的措施.
(3)隧道位于碳酸盐岩出露的地段,岩溶中等发育,隧道
施工可能揭示隐伏的岩溶形态,且雨季施工易发生突水,突
泥的等灾害,尤其是在可溶岩与非可溶岩的接触部位,断层
带附近等薄弱地带.施工中应加强施工地质工作和超前地
质预测,预报,同时加强支护及堵排水措施.隧道施工应克
服岩溶地段反坡排水问题,避免出现岩溶突水,突泥等灾难
性的地质灾害问题.
(4)隧道开挖中,可能遇到大面积的辉绿岩侵入体,应注
意接触带附近围岩变化情况,采取相应的加固处理措施;同
时接触带附近有涌水可能,应加强防排水措施及超前预报,
加强防护.隧道施工宜采用"短进尺,快循环,弱爆破,少扰
动,紧封闭"的掘进方法,防止塌顶,并作好超前地质预测预
报,以防止和减轻因突水,坍塌所造成的灾害.
(5)隧道穿越灰岩地段及金家山,青石岩向斜,核部富
水,局部可能出现岩溶水及暗河,应作好超前地质预报,作好
防堵及排水设施,防止突水对工程造成危害.
(6)洞身浅埋段,施工开挖应加强防护并及时衬砌.
(上接第72页)级卸载过程中,卸载较小时,自锁荷载几乎
不变,当快完全卸载,自锁荷载迅速增大,最大自锁荷载几乎
不变.建议在张拉过程中采用一次性张拉快速锁定,以提高
自锁器的自锁效果;
(6)单元之间的荷载
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- 预应力 设计 原理 试验 研究