预应力锚索粘结性能的探讨

预应力锚索粘结性能的探讨锚索施工近年来在建筑工程中，特别是岩土加固工程应用越来越广泛。随着锚索的运用，由于锚索的失事、断裂带来的加固工程安全事故也随之越来越多。而通过对失事锚索的调查发现锚索是否有全张拉粘结性能有很大的关系，全长粘结预应力锚索比无粘结预应力锚索安全性能高得多。通过对我国许多重点工程的锚索支护安全性能调查，在100多例案例中，有90%多失事及腐蚀的锚索是无粘结锚索引起的。而全长有粘结锚索一般剥开后还是颜色鲜亮，即使40年以上仍然没有收到破坏。即使全长有粘结锚索遭到破坏，剥开受到破坏的钢绞线发现很多是由于钢绞线外的水泥浆体保护层与岩体发生摩擦遇到破坏引起的。下面我们通过一个案例对此进行详细的解析。该案例位于云南漫湾水电站的坝顶，对一根全长预应力粘结锚索采用小型机械进行开挖来查看锚索的情况。该锚索由8根长25米，孔径①115mm的钢绞线组成。钢绞线自由段18.5米，锚固段6・5米，自由段注425号水泥浆,锚固段425号水泥砂浆，自由段水灰比0.4,锚固段水灰比为1。钢绞线标号GB224-85,强度级别1470mm/mm2。该水电站一期工程装机容量125万kW于1986年开工建设，1995年建成投入使用。本案例就是采用的一期工程施工的一根全长预应力粘结锚索进行查看。从2009年11月25日开始开挖，直到2010年1月10日为止，锚索距离施工日期大约有20多年。开挖期间云南发生了大旱，未下雨，开挖区域坚硬岩体，pH纸检测区域内pH=11，地层腐蚀弱。试验通过以下三个方面进行结论：一、通过钢绞线剥出量与缩进量关系分析验证水泥粘结作用是将钢绞线变形均匀锁定到锚索自由段，进而推断全长粘结锚索有受力的局部性。通过钢绞线剥出量与缩进量关系分析：2009年12月12日到2010年1月4日在4~6m段每隔0・5m设一个钢绞线缩进量监测点，共5个监测点。开始锚索剥出长度7m，边开挖边剥钢绞线，开挖结束时剥出长度18・5m,—直剥到到内锚固段，用游标卡尺测量缩进量随着时间延长，从0—直到30・90mm缩进，稳定增长。据此计算钢绞线（7〜18.5mm）自由段预应力，由胡克定理公式F=E*A*AL/L得到：E=198GPa,A=9.0432e4m2,L=115mm,AL=30.90mm,F=470KN。假设锚索应力均匀分布，整根锚索拉力为756KN。上述的应力值由于锚索长期运行中的预应力损失以及锚索监测过程中部分钢绞线被砂浆包裹影响预应力导致锚索拉力偏小。根据上述钢绞线剥出量与缩进量关系分析以及钢绞线自由段预应力计算得到结论全长粘结锚索有受力的局部性，即水泥砂浆粘结作用对钢绞线的锁定性，把变形锁定在自由点。这样不管什么原因造成锚索某处断裂，因为锚索和围岩被水泥砂浆粘结为一体锚索，锚索对围岩加固作用只影响断裂面附近有限距离。也就是说粘结锚索一处断裂不会引起整个锚索遭到破坏，全长粘结工艺能有效阻止失效锚索的扩展，延缓整条锚索失效的功能。二、验证全长粘结预应力锚索水泥砂浆的防腐效果。在锚索剥落后观察锚索的颜色，颜色为黑色，越往锚索深部越是鲜亮，有金属光泽。但是在一处靠近岩壁的局部位置6.5〜9m处发现明显的黄色小锈斑点，追查原因在该处附近锚索有明显的贴壁现象，水泥握裹处很薄，有些细微处出现了破损。这种现象表明了水泥砂浆对锚索的防锈保护作用的重要性，只要有水泥砂浆包裹好的，锚索经过了30年，仍然完好；但当水泥砂浆不能保护，甚至出现破损，会腐蚀。我们就此来说明全长粘结预应力锚索在无腐蚀地层中防锈蚀的原因和条件。有研究发现钢铁在pH>ll的碱性条件下，钢铁氧化后在钢铁表面形成三氧化二铁的保护膜，也就是钝化膜，厚度100mm,结构形式r—FeO，它能保护钢铁不被锈蚀，且使钢铁保持光鲜的亮度。而r—FeO钝化膜形成必须保证pH>11的碱性条件，以及钝化膜不被破坏。用硅酸盐水泥拌制的混凝土和浆液pH>11，同时由于氯离子和硫酸离子会破坏钝化膜，因此混凝土或浆液用硅酸盐水泥拌制，但要限制氯离子和硫酸离子含量。三、验证全长粘结预应力锚索锚固段调动岩体的自承能力，即对岩体的互相咬合作用。有研究表明有粘结锚索比无粘结锚索的极限承载力能提高15%~30%，下面通过这个试验来验证锚固段的作用。从开挖锚索18.5处后就是总长6.5m的锚固段，开挖剥出后观察水泥砂浆浆体密实坚硬，比较完整，而且与周围岩石胶结良好，在锚固段范围内没有横向裂纹。由此可以看出全长粘结锚索有很好的锚固作用，能调动周围岩体作用，水泥浆体与岩石胶结摩擦力可提供张拉反力。从上述试验表明全长粘结锚索优点比较突出，从全国各地以及30、40年以来发生失效的锚索案例我们可以发现失效及遭到破坏的锚索基本是无粘结锚索引起的。但全长粘结锚索也有比较明显的缺点，比如（1）张拉段注浆前处于自由状态时拉力可调的，注浆后就不能调整了，锚索、泥浆、围岩结合为一体了。还有（2）张拉时锚固段注浆体容易开裂，因为张拉段回填灌浆的浆液不可能渗入所有裂缝。碰到这种情况，可以采用分次注浆分次张拉锚固的办法，每段张拉力取锚固段注浆体不开裂最大值，每段注浆体剪应力从零开始，逐渐增加锚索拉力。见下图表示：相比较全长粘结预应力锚索，无粘结锚索的特点刚好和全长粘结锚索相反，优点与缺点互换。我们讲讲无粘结锚索的特点。端盖垫墩/*■*WWXf7、」yXf777WW、S、」■•詁、端盖垫墩/*■*WWXf7、」yXf777WW、S、」■•詁、J、FHXf777\F7 、3777、rW7777w、£PXf777\f\■■<A.«■AA■*•■.AI--,A.■-.A.->.■■. ■■■■A.■-AA■■.a,*■■AAAA■».AAAAAA■■-,AAAA■■.-ha,*■■A.«■AAA»*■■图3:无粘结锚索结构上图为无粘结锚索的规范结构，这里主要讲解一下它的隔离防护功能。无粘结锚索通过锚索孔中注满饱满的注浆体，把钢绞线与外界隔离开，对锚索进行保护。注浆材料是化学性质稳定、耐腐蚀的水泥注浆体。当然只是保护作用，因水泥注浆体会漏水和透气，不能隔离，只是保护作用。同时隔离层为塑料制品，强度低，在制作和向锚索孔穿孔进入过程中不小心会受到破坏，而且锚索穿梭在锚孔中，是隐蔽工程，破坏了也不容易发现和修复，因此一般隔离层为双层隔离层，用以提高安全系数。一般在张拉段为波纹管和钢绞线上PE套管双层保护；锚固段由于钢绞线上PE套管要被剥去，由波纹管和钢绞线上的环氧涂脂涂层或双层波纹管进行双层保护，下图就是锚固段双层波纹管保护示意图。同时无粘结锚索有两个支架:对中支架和隔离支架起着很重要作用。波纹管外面的对中支架起着保护波纹管与孔壁的接触和摩擦，损坏波纹管的作用并且使锚索周围注浆体和厚度均匀。隔离支架位于波纹管内，在波纹管内起对中作用，使钢绞线在波纹管内对中，且隔开钢绞线。所以无粘结锚索隔离层的保护作用很重要。另外无粘结锚索另外一个突出优点就是能调整锚索拉力我们进行论述。对无粘结锚索的拉力调整通过防护帽中锚头装置来调节。即取下防护帽，张拉装置安装在锚头上，将锚板拉动后，旋转上面的螺帽，调整拉力。调整完后盖上防护帽后要往油脂孔内注油。即使不调整拉力，也要在平时按规定注防锈脂，防止油脂往周围空隙处渗漏。如下图所示：无粘结锚索能够迅速推广主要原因便捷性，就是只需要一次注浆，不象有粘结锚索那样需要二次注浆，而且二次注浆之间需要间隔很长时间，比较麻烦；同时适应性强，任何复杂环境可以适用。其最大优点如上图所述能对预应力拉力进行调整，不像有粘结锚索那样注浆了之后不能调整拉力了。我们在这里要提醒无粘结锚索和有粘结锚索相比的还不够的地方。其最大缺点是对岩体的支护只是依赖锚索的拉力，不像粘结锚索，除了锚索的拉力，还可以利用岩体的自承能力，水泥砂浆即对岩体的互相咬合作用。因此粘结锚索比无粘结锚索的极限承载力能提高15%~30%。而且长时间的高应力作用，锚具及钢绞线会慢慢产生徐变，其支护力也会变小，特别是夹片和咬合的这段钢绞线支护力变小会产生边坡工程失事。下面举例子来进行讲解。公路边坡往往采用无粘结锚索支护。其边坡表面很多是风化岩体，地耐力小，边坡表面做格子梁，在格子梁交叉点用锚索拉住。在南方一些地区由于多雨，雨水大，往往会将格子梁下的岩块浸泡、冲刷，使岩块松动，甚至冲走，这样一来会锚索就失去了作用，边坡会出现失事以至于坍塌的事故。无粘结锚索如上所述采用双层隔离防护以及