1、预应力锚索技术与设计 中铁二院 蒋忠信 1 2 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： 能充分发挥高强钢材、钢丝、钢绞线等材料的良好 性能； 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； 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； 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。 3 近年国内外预应力锚固技术主要成就： 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； 新结构、新工艺不断涌现，适用于各种复杂受力条 件； 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； 开发了新的锚固材料，极大地改善了锚固工
2、作性能 ； 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。 4 （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。 5 （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
3、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。 6 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。 7 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，
4、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。 8 （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
5、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。 9 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，
6、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。 10 （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。 11 （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
7、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。 12 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
8、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。 13 （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
9、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=Pntan+Pr=Ptsin(+)tan+cos(+) （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。 14 （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
10、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。 15 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N1 Nl = Al l = L / LEy （2） （2）张拉系统摩阻所致预应力损失N2 PX = P0e - (+ 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。 16 （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20d4mon内可趋
11、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。 17 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。 18 用三参数的高斯曲来描述固段剪力分布曲 切。即： （4） 式中：L从与自由段交点起算的固段的度； a、b、d待求的曲参数，b 。 有： 剪力
12、的极大： max = a （5） 极的固段的度： Lmax = d （6） 剪力曲拐点的横坐： （7） 19 B = -b, 固段的剪力（固力）之和F： （8） 剪力的平均与峰之比k： k = F / a c （9） 各例的k0.62-0.72，平均2/3， 固段的 安全系数打2/3折。例如，要求固段的安全达到 1.33，据平均粘强度算固段度所取安全系数 不小于2。 20 二 预应力锚索的主要设计原则 （一）加固滑坡的预应力锚索设计流程（下图） 确定滑北京常见园林观赏植物 小乔木及灌木 小乔木 白玉兰 落叶乔木，其树型魁伟， 高者可超过10米，树冠卵形。 花先叶开放，直立，直径12 -15厘米
13、。花被9片，钟状， 花香似兰，碧白色，有时基 部带红晕，花期早春3月。 又名“应春花”、“望春花”， 为庭园中名贵的观赏树，现 多见于园林、厂矿中孤植， 散植，或于道路两侧作行道 树。 小乔木 二乔玉兰 落叶小乔木，高6-10m， 花大而芳香，花瓣6，外面呈 淡紫红色，内面白色，花期4 月。 二乔玉兰花大色艳，观赏 价值很高，是城市绿化的极好 花木。广泛用于公园、绿地和 庭园等孤植观赏。 小乔木 樱花 落叶小乔木，少数为常绿 或灌木。花36朵成伞房状总 状花序，花序梗短；花先于叶 开放，初放时淡红色，后白色， 直径23厘米，花期3月底或4 月初。 我国园林常用晚樱品种， 樱花花色丰富，花期整齐
14、，常 常一夜之间就能繁花满枝，但 花期很短，大多数只能维持1 周左右。 小乔木 山桃 落叶小乔木，高可达10m， 干皮紫褐色，有光泽。先花后 叶，花淡粉红色或白色，花期 早春3月-4月。 园林中宜成片植于山坡并 以苍松翠柏为背景，方可充分 显示其娇艳之美。在庭院、草 坪、水际、林缘、建筑物前零 星栽植也很合适。 小乔木 小乔木 山杏 落叶小乔木，高可达8m， 花多两朵生于一芽，梗短或近 于无梗，单花直径约2.5厘米， 花粉白色，花期3月中旬。 园林中宜成片植于山坡并 以苍松翠柏为背景，方可充分 显示其娇艳之美。多用于山区 景观绿化。 小乔木 碧桃 落叶小乔木，高可达8米， 一般整形后控制在3-
15、4米，小枝 红褐色。花单生或两朵生于叶 腋，重瓣，粉红色。其它变种 有白色、深红、洒金（杂色） 等，花期4-5月。 园林中因花色艳丽，树形 较大，观赏效果好，为春季不 可缺少的观花树木。孤植、群 植、建筑附近均较适宜。 小乔木 红叶碧桃 落叶小乔木，高可达8米， 一般整形后控制在3-4米，小枝 红褐色。叶紫红色，花单生或 两朵生于叶腋，重瓣，粉红色。 花期4-5月。 在园林中因花色艳丽，树 形较大，观赏效果好，为春季 不可缺少的观花树木。孤植、 群植、建筑附近均较适宜。同 时也是良好的园林彩叶树种。 小乔木 紫叶李 落叶小乔木，高可达8米， 干皮紫灰色，小枝淡红褐色。 也色暗绿色或紫红，花单生
16、 或2朵簇生，白色，花叶同放， 花期4月。 紫叶李整个生长季节都为 紫红色，宜于建筑物前及园路 旁或草坪角隅处栽植，为须慎 选背景之色泽，方可充分存托 处他的色彩美。 小乔木 西府海棠 落叶小乔木，高可达8米， 花序近伞形，具花5-8朵；花 梗细，长2-3厘米，花直径4- 5厘米，花白色，初开放时粉 红色至红色，花期4-5月。果 实黄色，果期9月。 花色艳丽，一般多栽培于 庭园供绿化用，不论孤植、列 植、丛植均极为美观。最宜植 于水滨及小庭一隅。 小乔木 北京丁香 落叶小乔木或灌木，高可 达10m，树皮褐色或灰褐色， 花冠白色，花冠简短，花期5 -6月。 晚花丁香种，北京市少有 的观花乔木之一
17、。对城市环境 适应性较强，也可用作景观树 和行道树。 小乔木 鸡爪槭 落叶小乔木。树皮深灰色。小 枝细瘦；当年生枝紫色或淡紫绿色； 多年生枝淡灰紫色或深紫色。叶通 常7裂，裂片长圆卵形或披针形，秋 叶红色，花紫色，花期5月。 鸡爪槭叶形美观，入秋后转为鲜 红色，色艳如花，灿烂如霞，为优 良的观叶树种。无论栽植何处，无 不引人入胜。植于草坪、土丘、溪 边、池畔和路隅、墙边、亭廊、山石 间点缀，均十分得体，若以常绿树或 白粉墙作背景衬托，尤感美丽多姿。 制成盆景或盆栽用于室内美化也极雅 致。 小乔木 红枫 落叶小乔木。树姿开张，小 枝细长，单叶交互对生，叶掌状 深裂，春、秋季叶红色，夏季叶 紫红色
18、。嫩叶红色，老叶终年紫 红色，花期4-5月。 广泛用于园林绿地及庭院做 观赏树，以孤植、散植为主，常 用于高大建筑物前后、角隅等地， 红叶绿树相映成趣，也易于与景 石相伴，观赏效果佳。 小乔木 金银木 落叶性小乔木，常丛生成灌木 状，株形圆满，高可达6米，花开之 时初为白色，后变为黄色，故得名 “金银木”。浆果球形亮红色。花期5 月-6月，果熟期8月至10月 金银木花果并美，具有较高的 观赏价值。春天可赏花闻香，秋天 可观红果累累。春末夏初层层开花， 金银相映，远望整个植株如同一个 美丽的大花球。 灌木 紫叶矮樱 落叶灌木或小乔木，是紫叶 李和矮樱的杂交种。株高1.8米至 2.5米，冠幅1.5
19、米至2.8米，枝条 幼时紫褐色，老枝有皮孔。花单 生，中等偏小，淡粉红色，花瓣 5片，花期4-5月。 紫叶矮樱观赏效果好，生长 快、繁殖简便、耐修剪，适应性 强，是城市园林绿化中优良的彩 叶配置树种。 灌木 花石榴 落叶灌木或小乔木，株高只有 50-70厘米，却枝繁叶茂，花大果 多。春天播种，当年夏天即开花， 秋天就结果，并且结果时树上仍花 开不断。花火红色，艳丽怒放，花 朵多，花期长，花期5-7月。 花石榴既可观花又可观果，小 盆盆栽供窗台、阳台和居室摆设， 大盆盆栽可布置公共场所和会场， 地栽石榴适于风景区的绿化配置。 灌木 木槿 落叶灌木或小乔木，株高3 6米，茎直立，多分枝花形有单瓣、
20、 重瓣之分，花色有浅蓝紫色、粉红 色或白色之别，花期69月。 木槿花色艳丽，是北方园林中 优秀的春夏季观花树种，宜植于公 园草地、路边，或庭园中的墙角、 池畔等。 灌木 丁香 落叶灌木或小乔木，株高2-8m， 叶对生，全缘或有时具裂，顶生或 侧生的圆锥花序。花色紫、淡紫或 蓝紫，也有白色紫红及蓝紫色，以 白色和紫色为居多，花期4-5月。 丁香因其有独特的芳香、硕大 繁茂的花序、优雅而调和的花色、 丰满而秀丽的姿态，在观赏花木中 早已享有盛名，已成为国内外园林 中不可缺少的花木。可丛植于路边、 草坪或向阳坡地，或与其他花木搭 配栽植在林缘，也可在庭前、窗外 孤植，或将各种丁香穿插配植，布 置成丁
21、香专类园。 灌木 紫薇 落叶灌木或小乔木，树皮易脱落， 树干光滑。幼枝略呈四棱形，稍成翅 状。叶互生或对生，圆锥花序顶生， 长420厘米；花径2.53厘米，花 红色或粉红色，花期极长，由6月可 开至9 月，故有“百日红”之称。 紫薇树姿优美，树干光滑洁净， 花色艳丽，紫薇枯峰式盆景，虽桩头 朽枯，而枝繁 叶茂，色艳而穗繁， 如火如荼，令人精神振奋，常植于建 筑物前、院落内、池畔、河边、草坪 旁及公园中小径两旁均很相宜。也是 做盆景的好材料。 灌木 流苏 落叶小乔木或灌木，小枝灰黄色， 密生绒毛。叶对生，革质，椭圆形或 倒狂卵状椭圆形，全缘。雌雄异株， 复聚伞花序顶生，花萼4裂，花冠4深 裂，裂
22、片线形白色。花期4月-5月。 流苏树枝叶繁茂，花期如雪压树， 且花形纤细，秀丽可爱，是优美的园 林观赏树种，不论点缀、群植均具很 好的观赏效果。于草坪中数株丛植， 也宜于路旁、水池旁、建筑物周围散 植。 紫玉兰 落叶小乔木或灌木，高达3米， 常丛生，树皮灰褐色，小枝绿紫色 或淡褐紫色。叶椭圆状倒卵形或倒 卵形。花单生于枝顶，紫色或紫红 色，春季先花后叶或花叶同放。 紫玉兰是著名的早春观赏花木， 早春开花时，满树紫红色花朵，幽 姿淑态，别具风情，适用于古典园 林中厅前院后配植，也可孤植或散 植于小庭院内。 灌木 暴马丁香 落叶大灌木,高可达； 树皮紫灰色或紫灰黑色,粗糙,具 细裂纹,常不开裂;枝
23、条带紫色,有 光泽，花白色,较小常侧生，花 期6月。喜温暖湿润气候,耐严寒 ,对土壤要求不严。 树姿美观，花香浓郁，可做 蜜源植物和提取芳香油，是公园、 庭院及行道较好的绿化观赏树种。 暴马丁香在我国西部青海为佛教 圣树,佛教徒常常朝着暴马丁香树 双手合十向树祈拜。 灌木 灌木 黄栌 落叶灌木，高3-5米。叶倒卵 形或卵圆形，黄栌叶子秋季变红， 色泽鲜艳，黄栌开花后淡紫色羽 毛状的花梗也非常漂亮，花期4 -5月。 黄栌为重要的观赏红叶树种， 叶片秋季变红，鲜艳夺目，在园 林中适宜丛植于草坪、土丘或山 坡，亦可混植于其它树群尤其是 常绿树群中，能为园林增添秋色。 灌木 连翘 落叶灌木，基部丛生，
24、枝条 拱形下垂，小枝褐色，稍有棱， 花金黄色，先叶开放。花期4月。 连翘早春先叶开花，满枝金 黄，艳丽可爱，是早春优良观花 灌木。适宜于宅旁、亭阶、墙隅、 篱下与路边配置，也宜于溪边、 池畔、岩石、假山下栽种。因根 系发达，可作花蓠或护堤树栽植。 灌木 迎春 落叶灌木，枝条细长，呈拱 形下垂生长，长可达2m以上。侧 枝健壮，四棱形，绿色，花冠高 脚杯状，鲜黄色，花期3-4月，可 持续50天之久 。 迎春枝条披垂，冬末至早春 先花后叶，花色金黄，叶丛翠绿， 园林中宜配置在湖边、溪畔、桥 头、墙隅或在草坪、林缘、坡地。 房周围也可栽植，可供早春观花。 灌木 扶芳藤 常绿或半常绿灌木，匍匐或攀援， 高约1.5米。枝上通常生长细根并具小 瘤状突起。叶对生，广椭圆形或椭圆 状卵形以至长椭圆状倒卵形。花瓣4， 绿白色，花期67月，果期910月。 扶芳藤生长旺盛，终年常绿，其 叶入秋变红，是庭院中常见地面覆盖 植物，点缀墙角、山石、老树等，都 极为出色。其攀援
