预应力锚索抗震性能研究

预应力锚索抗震性能研究

王晓平

枣庄市公路和地方铁路事业发展中心 山东 枣庄 277800

摘 要：预应力锚索维系着边坡工程的安全稳定性，在重大边坡工程或强震区的边坡工程加固设计、施工过程中必须考虑地震动荷载的作用；研究其抗震性能并在此基础上提出有效的抗震措施，可为设计、施工提供科学指导。

关键词：预应力锚索；抗震

1意义和必要性

预应力锚索以其施工方便快速、锚固效率高、造价低、适用范围广、极少破坏原状岩土体等诸多优点，广泛应用于公路边坡加固工程中。目前,在公路高边坡使用的预应力锚索除很少一部分采用全长粘结锚索外,更多地采用拉力、压力型、分散型或者拉压分散型预应力锚索。^[1]

预应力锚索维系着边坡的安全稳定性。采用预应力锚索主动加固的边坡，一般较高较陡，锚索作为永久性工程和隐蔽工程，边坡的安全稳定性在很大程度上依赖于锚索的加固作用。

国内外的研究人员对预应力锚索加固性能，在静荷载条件下已经进行了比较系统的研究，如采用现场拉拔实验，室内模型试验和数值仿真模拟等方法，相关成果也得到了广泛应用。这些研究都是基于静态条件而展开的，而在地震、爆破和冲击载等动荷载作用下锚固性能的研究并不多见。 ^[2]汶川大地震的发生，使结构抗震研究的重要性突显出来，因此在西部山区公路建设中，对预应力锚索的抗震性能进行研究，具有十分重要的现实意义和重大的实用价值。

2锚索抗震性能研究

锚索是一种主要承受拉力的杆状构件,它是通过钻孔将钢绞线或高强钢丝固定于深部稳定的地层中,并在被加固体表面通过张拉产生预应力,从而达到使被加固体稳定和限制其变形的目的。锚索结构一般由内锚头(又称锚固段或锚根)、张拉段(又称自由段)、外锚头三部分组成。预应力锚索的破坏失效总结为以下几类：

(1)外锚头破坏失效。主要是缺乏防腐措施或工作期间保护剂充填不完全或塌落。

(2)钢绞线的“应力腐蚀”。由于锚索钢绞线缺陷或钢绞线性能不能满足规范规定要求,在长时间应力作用下,产生应力脆断,导致锚索锚固失效。这种现象在一些学术术语中称为应力腐蚀。

(3)锚索与胶结体间的结合面破坏,导致锚索锚固失效。

(4)胶结体内部破坏。在较长时间受拉应力和剪应力作用下,胶结体内部可能发生拉裂及剪切的复杂应力破坏,导致锚索锚固失效;

(5)胶结体与岩体之间的结合面破坏。爆破、重型机械和地震力发生的冲击会引起预应力损失，且该损失量较之长期静荷载作用引起的预应力损失量大得多。研究表明，当在距锚索3 m以内进行爆破时，锚索预应力有明显损失，其预应力损失量比锚索在相似时间受静载作用发生的损失量大36倍左右，但在5 m以外，普通爆破的影响就不太显著了。冲击作用不仅使预应力产生损失，而且还会使锚固段的锚固力发生变化，尤其对破碎松散岩体会产生较大的影响。

杨苏杭,夏元友等采用抗爆模型试验的方法，进行预应力锚索对洞室的抗爆加固效应的模型试验研究，探讨试验中爆炸引起的锚索预应力变化特点，得出不同锚索加固洞室的预应力变化特性和一些规律性的认识。对试验内容进行相应的动力数值计算，并提出合理的锚固工程抗爆加固设计建议。^{[3] [4]}

苏华友,张继春根据紫坪铺工程引水发电洞进水口高陡边坡在施工开挖期岩石开挖爆破引发的爆破振动对预应力锚索的影响，分析了多点位移计测得的位移与时间过程的曲线，得到了边坡下部岩石开挖爆破振动效应与边坡上部预应力锚索拉固作用之间的关系。^[5]

但爆破动力和地震动力有着很大的差别，地震发生时，自震源处向外辐射出的地震波，主要是纵波和横波，传播至地表时可经过波形转换而产生面波；而爆炸时从爆源发出的是高强度的冲击波和应力波，向外传播至一定距离后才衰减为弹性波。地震无论在时间和空间分布上都是不均匀的一种自然现象。相对于爆破和人工爆源来说，它的震源深、能量大、周期长、频率低。爆破作用则与此几乎完全相反。因此,两者是不能混为一谈的。地震应力的准确的定量的分布规律和有关的地震动力反映系数都没有弄清楚,目前的研究显然还只是处于起步阶段。大多数的岩体锚固性能研究资料偏重于讨论在爆破或冲击荷载作用下的现象和本质,但对地震动荷载下锚固性能问题则研究相对较少。

以甘肃安西榆林石窟的三个典型的工程段为例, 根据预应力锚索加固石窟岩体的特点,通过动力有限元的方法对地震荷载作用下预应力锚索加固石窟岩体的位移场、应力场的模拟计算,得出了其动态响应和变化规律。并通过对地震荷载的频谱特性分析,揭示了地震荷载的特征周期对锚索加固石窟围岩的动力响应结果的影响。

锚固系统抗震分析方法有两种，一种是按波动问题的动力分析，另一种是转化为静力问题的惯性力法；并从剪切作用、张拉作用、锚索刚度特性三方面分析了不同类型锚索对动荷载的反应，得出结论：从抗错动和避免产生较大的应力集中角度考虑问题，压力型锚索优越于拉力型锚索。

此外，在预应力锚具方面，作为预应力锚固系统的重要组件,其强度性能的好坏直接关系到预应力构件的安全性。对于承受动载荷的锚索,要注意锚具的疲劳和松动。可分别从有限元分析和静载锚固性能实验对预应力锚具进行了研究，但未能从抗震角度进一步分析，锚具对锚索锚固性能的影响还需要在这方面进行专门研究。

锚索锚固体系含拉力型、压力型、分散型等典型结构形式，通过对预应力锚索锚固体系的动力响应特征研究，包括索体（分散型锚索应注意到各段的长度不同），砂浆、承载板等的受力特征和应力分布。并找出动力作用下，不同锚索结构抗震性能的差异以及抗震薄弱环节（部位）。通过动力失效模式研究：分为外锚固段、内锚固段、自由段的破坏失效或损伤，以及动力破坏特征研究：如：破坏条件（不同工况下的地震参数的临界值）；不同锚索结构形式、部位、工况的破坏过程和特征等。通过以上研究最终为提高锚固体系抗震性能提供依据，从而根据不同锚索结构形式、部位、动力破坏特征、工况，找到可能的防震、抗震途径、方法。

总之，目前的锚固体系抗震研究并不多见，且只针对岩体、边坡体本身，尚未形成系统的研究成果和理论体系,在预应力锚索的抗震性能研究方面更是处于空白，为了更好地服务于工程实践，有必要作大量的和深入的研究。

3存在的问题和发展趋势

预应力锚索的抗震性能亟待改善。锚索的自由段具有很好的抗震性能，但是，从整个锚固体系看，预应力锚索的抗震性能又很差。如最常用的拉力型锚索，砂浆作为几乎不能承受拉力的脆性材料，在地震动荷载作用下或拉力过大时，极易开裂并往锚固段深处渐进破坏，导致锚索失效。随着对边坡加固抗震要求的提高，在预应力锚索设计、施工中引入抗震措施将是今后的发展趋势。

4应用前景

在西部山区修建公路面临着许多边坡加固问题，公路高边坡中大量使用预应力锚索，对其抗震性能进行深入研究并找到有效的抗震措施将会带来巨大的经济效益和社会效益，应用前景十分广阔。

参考文献

[1]屈国. 预应力锚索锚固效果影响因素分析[J]. 东北公路. 2003, (04) .

[2]洪海春,徐卫亚,. 地震作用下岩体锚固性能研究综述与展望[J]. 金属矿山,2006,(3).

[3]杨苏杭,梁斌,顾金才,沈俊,陈安敏,. 锚固洞室抗爆模型试验锚索预应力变化特性研究[J]. 岩石力学与工程学报,2006,(S2).

[4]夏元友,张亮亮,顾金才,. 预应力锚索抗爆洞室加固效果试验研究[J]. 工程爆破,2008,(3).

[5]苏华友,张继春. 紫坪铺进水口高陡边坡锚索抗爆破振动分析[J]. 岩石力学与工程学报,2003,(11).

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