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预应力锚杆与锚索支护技术在大规模的岩土工程建设过程中，对岩土体的变形与稳定控制要求越来越高，从而在应用岩土锚固技术时，对其作用机制、控制效应、适应范围、应用结果上提出了更高的标准，从而促进了预应力锚固技术的形成与完善。预应力锚固技术应用范围越来越广范，如：大型坝基、隧道、边坡、基坑、矿山硐室、采场、大型基础等工程。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概述5.1.1预应力锚杆与锚索概念5.1.2预应力锚索分类与基本结构5.1.1预应力锚杆与锚索概念（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、钢丝等线材作杆体材料，并施加预应力，则被称为预应力锚索。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有害变形之前，就已在发挥作用的锚固力。5.1.1预应力锚杆与锚索概念（1）基本概念预应力锚固的结构型式各异，但均由锚孔、锚束两部分组成。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预应力锚杆与锚索概念（2）锚索技术的发展历史最早是在20世纪初期（1918年）用于西里西安矿山。20世纪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。至20世纪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和机具。5.1.1预应力锚杆与锚索概念应用范围：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预应力锚杆与锚索概念（3）预应力锚索的特点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。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。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。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。5.1.1预应力锚杆与锚索概念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。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预应力锚索分类与基本结构可根据锚索锚固部分的受力状态，可将预应力锚索分为三类，即：张拉型（拉力型）压力型载荷分散型5.1.2预应力锚索分类与基本结构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（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。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。5.1.2预应力锚索分类与基本结构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实现的。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。因张拉型锚索结构简单，造价低，所以应用极其广泛。5.1.2预应力锚索分类与基本结构（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。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。5.1.2预应力锚索分类与基本结构（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高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型和拉力分散型与拉压分散型等几种。5.1.2预应力锚索分类与基本结构（3）载荷分散型锚索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预应力锚索分类与基本结构（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预应力锚杆与锚索结构与材料5.2.1预应力锚索与普通锚杆区别5.2.2锚索索体材料与结构5.2.3锚索其它构配件5.2.1预应力锚索与普通锚杆区别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锚索索体材料与结构（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。现开发有：Φ17.78mm；Φ21.8mm；Φ28.6mm等。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。5.2.2锚索索体材料与结构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。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锚索索体材料与结构（2）常用索体材料性能参数——国标GB/T5224-2003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。预应力钢绞线相关知识定义分类规格含义制造方法性能特点应用各国标准预应力钢绞线定义：是由2、3、7或19根高强度钢丝构成的绞合钢缆，并经消除应力处理（稳定化处理），适合预应力混凝土或类似用途。预应力钢绞线分类：按照一根钢绞线中的钢丝数量可以分为2丝钢绞线、3丝钢绞线、7丝钢绞线及19丝钢绞线。按照表面形态可以分为光面钢绞线、刻痕钢绞线、模拔钢绞线、镀锌钢绞线、涂环氧树脂钢绞线等。还可以按照直径、强度级别、标准分类。预应力钢绞线规格含义：在说明和清单表中我们经看到，有15-7Φ5、12-7Φ5、9-7Φ5等型号规格的预应力钢绞线。以15-7Φ5为例说明：“5”表示公称直径5.0mm的钢丝；7Φ5表示7条这种钢丝组成一根钢绞线；而15表示15根这种钢绞线组成一束钢筋；总的含义就是“一束由15根7丝（每丝直径5mm）钢绞线组成的钢筋”。预应力钢绞线制造方法：采用高碳钢盘条，经过表面处理后冷拔成钢丝，然后按钢绞线结构将一定数量的钢丝绞合成股，再经过消除应力的稳定化处理过程而成。为延长耐久性，钢丝上可以有金属或非金属的镀层或涂层，如镀锌、涂环氧树脂等。为增加与混凝土的握裹力，表面可以有刻痕等。模拔的预应力钢绞线在绞合后经过一次模具压缩过程，结构更加密实，表层更加适合锚具抓握。无粘结预应力钢绞线（Unbondedsteelstrand）：采用普通的预应力钢绞线，涂防腐油脂或石蜡后包高密度聚乙烯（HDPE）就成。预应力钢绞线的主要性能特点：强度高和松弛性能好，另外展开时较挺直。常见抗拉强度等级为1860MPa.。还有1720Mpa，1770MPa，1960MPa，2000MPa，2100MPa等强度等级。这种钢材的屈服强度也较高。预应力钢绞线的应用：应用在多数后张预应力及先张预应力工程中。光面钢绞线是最广泛采用的预应力钢材。模拔钢绞线主要用于提升工程，也用于核电之类工程。镀锌钢绞线常用于桥梁系杆、拉索及体外预应力工程。涂环氧树脂的钢绞线用途和镀锌预应力钢绞线类似。预应力钢绞线各国标准：各国都有针对预应力钢绞线的标准。如：中国标准GB/T5224-2003美标ASTMA416英标BS5896日标JISG3536澳新标AS/NZS4672巴西标准NBR-74835.2.2锚索索体材料与结构（3）索体的制作钢绞线