预应力锚杆与锚索支护技术

5预应力锚杆与锚索支护技术5预应力锚杆与锚索支护技术5.1概述5.1.1预应力锚杆和锚索的概念5.1.2预应力锚索的分类与锚索基本结构5.2预应力锚杆和锚索结构与材料5.2.1预应力锚索与普通锚杆的区别5.2.2索体材料与结构5.2.3其它构配件5.3预应力锚索支护参数设计5.3.1锚索作用的基本原理及其破坏形式5.3.2锚索设计5.4预应力锚杆和锚索施工及其施工机具5.4.1预应力锚索施工程序5.4.2预应力锚索施工中的一些技术问题5.4.3预应力锚索施工机具5.1.1预应力锚杆和锚索的概念（1）基本概念预应力锚杆就是施加有预应力的锚杆。如采用钢绞线、钢丝等线材作锚杆材料，并施加预应力，则被称为锚索。预应力锚固是预应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称，是在预应力混凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求的方向、大小及锚固深度，预先对基岩或建筑物施加主动的预压应力，从而达到加固或改善其受力条件的目的。所谓主动的预应力，就是在基岩或建筑物产生变形之前，就已在发挥作用的锚固力。预应力锚固的结构型式各异，但均由锚孔、锚束两个部分组成。锚孔是设置锚束的钻孔，锚束是施加预应力的主体。锚束由锚头（又称外锚头）、锚束体（即锚束的自由段）及锚固段（又称锚根或内锚头)等三个部分组成。锚固段是预应力锚索的根基，是锚固在锚孔底部的非张拉段；锚头位于锚孔孔口以外，是张拉与锁定预应力的支撑部分，属非张拉段；自由段是联接锚头与锚固段的部分，承受预应力张拉所施加的全部荷载。5.1.1预应力锚杆和锚索的概念（2）锚索技术的历史最早是在20世纪初期（1918年）用于西里西安矿山。30年代（1934年）阿尔及利亚工程师将预应力岩石锚杆技术用于舍尔法水坝。70年代，预应力锚固技术的应用已经相当普遍，有了专门的理论、设计方法和施工设备机具。应用范围：在工业与民用建筑、桥梁、矿山、高陡边坡、地下洞室、坝基、水闸墩基工程以及建筑物的维护与补强等方面已成为一种常用的经济有效的手段，其理论与技术、工程规模都相对成熟。我国起始于20世纪60年代，70年代后被广泛推广应用。当前，随岩土工程规模的越来越大，国内的预应力锚固技术也达到了较高水平。5.1.1预应力锚杆和锚索的概念（3）预应力锚索的特点1）在高边坡基础开挖与隧洞洞脸开挖中，可增加边坡稳定，减少开挖工程量，提前进洞，大大缩短开挖工期。2）在坝基、岸坡抗滑稳定加固中，可在不扰动基岩，不影响水库运行的前提下，提供可靠的抗滑力。3）在大坝加高、加固中，可在不放空水库、不影响坝区已有布置及水电站运行的情况下，达到加高、加固坝体，改善坝体应力的目的。4）可较好地修补混凝土的裂缝或缺陷，可将过大的集中荷载分散到较大的范围内。5）可不增加自重而提高坝体或其他建筑物的抗震、抗冲击性能。预应力坝还可以用预应力锚索代替部分混凝土压重，减少混凝土数量，改善坝体结构型式及施工条件，从而缩短工期、降低造价，使设计断面更加合理。6）在大型洞室的支护中，既可以改善洞室围岩的受力条件，又能加固洞室、治理边坡、处理坍方、优化设计、方便施工，因此，在大型洞室喷锚支护中占有越来越重要的位置。总之，预应力锚索具有设计合理、施工简便、效益显著、经济可行等优点，这些独特的优点，使其在国内外都得到广泛的应用。5.1.2预应力锚索的分类与锚索基本结构可根据锚索锚固部分的受力状态将预应力锚索分为：张拉型（拉力型）、压力型、载荷分散型等3类。（1）张拉型锚索张拉型锚索的锚固类似于普通端头锚固锚杆。它有两种锚固形式，即水泥浆液、水泥砂浆或树脂的粘结式锚固与机械式锚固。所谓张拉型锚索，就是锚索体所施加的预应力对砂浆、水泥浆或树脂固结体产生张拉力作用，从而对围岩实施主动支护作用。张拉型锚索根据张拉段是否粘结分为全长粘结式和自由式。但全长锚结是经过端头锚固、张拉和二次注浆的过程。张拉型锚索结构简单，造价低。12345678锚头张拉段锚固段图5-1张拉型锚索结构1-锚具；2-垫墩；3-面层结构；4-油脂；5-套管；6-锚索体；7-注浆体；8-对中架5.1.2预应力锚索的分类与锚索基本结构张拉型锚索靠锚索体对固结体的张拉作用实现锚固，因此，容易在自由段与粘结段界面出现应力集中使锚索与固结材料发生开裂（剪裂缝一般在粘结段1m范围内出现，张拉裂缝会在1~3m的范围出现），甚至会由此而导致整体锚索失效。（2）压力型锚索压力型与拉力型锚索在结构上存在明显的区别，一方面压力型锚索的拉力是通过锚索底部的端部压板对浆液固结体的压力实现预应力，从而产生对围岩的约束作用；另一方面，压力型锚索的自由段套管一直沿伸到端部压板附近。由于浆液固结体的抗压性能要比抗拉和抗剪性能好得多，且受力范围也更大，因此压力型锚索的受力状况要比拉力型更好，工作更可靠。同时，这种结构可以一次完成全部长度的灌浆工作。12345图5-2压力型锚索结构1-对中架，2-注浆体，3-套管，4-端部压板，5-锚索体5.1.2预应力锚索的分类与锚索基本结构（3）载荷分散型锚索预应力作用的过分集中对固结体以及岩土体受力不利，采用在锚索孔长度上将锚索预应力分散，这样就形成了荷载分散型锚索结构。该法对裂隙发育或土质松软的地层非常有利，可避免固结体及岩土体强度不足而造成的破裂，同时，可减小加固范围内的岩土体因受预应力作用而引起的不均匀变形。荷载分散型锚索可分为压力分散和拉力分散与拉压分散型等几种。拉力分散型锚索只是将几根长短不等的锚索体，采用和拉力型锚索的结构一样，锚固在锚孔中的不同长度位置上，使预应力分散作用于不同深度的岩土体上。压力分散型锚索有相同的概念，将锚索的端部压板固定在长度不同的锚索体上，在实现压力传递预应力过程中起分散载荷的作用。剪力分散型锚索结构是在无粘结钢绞线末端用环氧树脂粘结，然后固结在水泥砂浆或水泥浆中。拉压交叉分散型锚索是在一根钢绞线的端部，做成拉力式锚固结构，而在其余部分设置套管，并在套管端部位置安设承压板。锚索孔中长短不同的锚索体采用相同结构，形成拉压分散型结构。5.1.2预应力锚索的分类与锚索基本结构（b）（a）（a）不同结构锚索长度上的应力分布是不同的。其中拉力式锚索在受到预应力时的应力集中最为不利；压力式锚索的最大载荷与其比值约为2/3，分散式锚索的内部载荷分布较之更有所改善。5.2.1预应力锚索与普通锚杆的区别1）锚索要施加高预应力，在全长范围内要区分锚固段和自由段。锚固段是锚索受力的根基，同时也是能承受预应力的基本条件；自由段是预应力作用的工作段。2）锚索承受更大的载荷，锚索体通常采用高强高性能材料；对锚固力的要求也高，一般锚固段较长，且通常是全长灌浆。3）锚索加固工程一般规模相对较大，服务寿命也相对较长，因此要求考虑锚索的防腐蚀问题。4）为了向岩土体内传递比较高的载荷作用，在锚头部位一般设有专门的墩座。5）为保证锚索或预应力锚杆在锚孔中受力合理，要使其在长度范围内能对中就位，因此在锚索上设有对中支架。6）由于锚索的施工规模相对较大，预应力和承载能力高，预应力施加要求严格，因此施工机具和施工质量都要求有比较可靠的保证。5.2.2索体材料与结构（1）对索体材料一般要求应根据材料自身特点、载荷大小和特性、加固规模、施工场地等因素选择。常用的索体材料有高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝、精轧螺纹钢筋和无粘结预应力筋等，要求具有强度高、柔性好、延伸率低等特性。精轧螺纹钢筋属刚性预应力锚杆，由40Si2MnV或45SiMnV高强度钢材制作，钢筋全长轧有完整的外螺纹，可用联接套管接长，端部用垫板和螺母锁定，施工方便。一般在设计锚固力600kN以下，杆长小于20m的工程中使用。预应力锚索常用钢铰线的规格是Φ12.70mm和Φ15.24mm。高强预应力钢丝一般在混凝土工程中应用较多，它是以优质高碳钢园盘条经等温淬火并拔制而成。无粘结预应力筋由预应力钢绞线、防腐油脂涂料层和聚乙烯或聚丙烯外包层组成，具有优异的防腐、抗震和锚固性能，适用于各种先张和后张锚固。锚索材料及其施工质量的好坏直接关系到锚索加固工程的质量、效果和寿命。因此，锚索材料不仅要合理选择，而且从开始进场就应该有严格的管理和验收制度，并确保合理维护和正确施工。5.2.2索体材料与结构（2）常用索体材料性能参数高强精轧螺纹钢筋的力学指标见表5-1；普通预应力钢绞线规格和力学指标参数见表5-2；低松弛预应力钢铰线规格和力学指标参数见表5-3；预应力钢丝规格和力学指标参数见表5-4和表5-5。表5-3低松弛预应力钢铰线技术参数级别公称直径（mm）允许误差（mm）截面积（mm2）每理论重量（kN/1000m）破断力（kN）1%伸长最小荷载（kN）伸长率（%）松弛值70％80％2509.53±0.4151.6140589.080.13.52.53.511.11±0.4169.68548120.1108.13.52.53.512.70±0.4192.90730160.1144.13.52.53.515.24±0.41139.351094240.2216.23.52.53.52709.53+0.66，-0.1554.84432102.392.13.52.53.511.11+0.66，-0.1574.19582137.9124.13.52.53.512.70+0.66，-0.1598.71775183.7165.33.52.53.515.24+0.66，-0.15140.001102260.7234.63.52.53.55.2.2索体材料与结构（3）索体的制作钢绞线或钢筋的制作内容主要是根据长度要求截断，然后在自由段套上套管，并在其内注入油脂。如是用厂家提供的带套管钢绞线时，则要求在锚固段和锚头长度范围内剥除套管，以便于注浆固结。对锚固段需根据设计安装和固定好隔离支架，以形成串状糖葫芦结构，可有助于提高锚固强度和锚固力。在张拉段可设置对中支架，保证钢绞线沿全长在一条线上。高强钢丝的制作多一道编制的工序。即在下料后需要将设计的若干钢丝分别穿过带孔（槽）的金属板（隔离架）使其定位。然后每隔1m左右用铁丝或束线环将钢丝绑扎固定在一起；在张拉段要设置对中支架，且要求绑扎在一起的钢丝长度应彼此一致，否则会造成受力不均匀，从而降低整个锚索的支护效果。5.2.2索体材料与结构（4）张拉与锁定准备工作：为张拉需要，在垫墩和外锚头底面间留置千斤顶空间，并用临时支座支撑。支撑外安置垫平钢板和注浆套管以及外锚头。张拉与锁定工作：应在孔内胶结材料和垫墩混凝土有足够强度以后再进行。因为张拉力一般为极限锚固力的40~70%，而混凝土中加入早强剂以后可以在10天左右达到80%设计强度，因此，通常在注浆后8~10天可以进行张拉。正式张拉前应先用10~20%的张拉力进行两次预张拉。使锚索各部件紧密接触、杆体平直，消除隐蔽的变形量。张拉应按规定分级进行。荷载加到最终值时（1.1~1.2倍的设计值），保持规定时间间隔，压力无变化、位移不超量，方可锁定。5.2.3其它构配件（1）导向帽、隔离支架、束线环、对中架导向帽用于钢绞线、高强钢丝锚索锚固端的顶部，将钢绞线或钢丝与导向帽组合在一起并有一定刚度，可便于将锚索送入锚孔底部。一般采用钢板或钢管制作。隔离支架用于钢绞线的相互分离，使钢绞线分布均匀，并有混凝土包裹。注意隔离支架不能影响注浆时浆液流通。束线环配合隔离支架使用，用束线环将钢绞线束成环，可避免隔离架和钢绞线的脱落。对中架用于锚索的张拉段，套在锚索上支撑在孔壁上使索体对中，并保证有一定浆液包裹。对中架应根据锚索自身的刚度来设置，一般间隔为1~3m。5.2.3其它构配件（2）锚具包括夹具、锚锁等。预应力锚索采用的锚夹具以夹片式为主，常用的锚具为OVM型、QM型、XM型等。因锚具规格要按钢绞线来选取，因此，在使用中应按所用钢绞线规格选取相应的锚具，以保证锚具夹片与钢绞线之间有良好的匹配关系。（3）混凝土垫墩锚索头部一般有台座、承