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浅谈预应力锚索张拉验收及其张拉伸长量的控制

前 言
本文以宁德沈海复线柘荣至福安段高速公路A10合同段YK83+420～+YK83+600段右边坡为例，该边坡最高约为38.1米，边坡设计最高为5级，为类土质边坡：上部坡积粉质粘土，厚度约2.1米；其下为厚10.2米全风化石英二长斑岩；砂土状强风化石英二长斑岩，厚度约0～9米，碎块状强风化石英二长斑岩，厚度约7米；下伏中～微风化石英二长斑岩。边坡设预应力锚固工程，并结合TBS植草或液压客土喷播植草灌防护处理。
该边坡锚固工程为：在边坡第二、三阶均设置交错预应力锚索框架，其中边坡第二阶上排锚索长30m，下排锚索长22m，锚固段均为10m，单孔锚杆设计张拉力为700KN；边坡第三级上排锚索长34m，下排锚索长32m，锚固段均为10m，单孔锚索设计张拉力为700KN；
本次选取3孔试验点进行验收试验，及张拉应力的有效控制，具体及锚索长度详见附表01。
附表01 试验锚索基本参数
位置
孔号
孔径（mm）
自由段长度（m）
锚固段长度（m）
岩层类别
设计荷载（KN）
YK83+500
2-S-3
150
20
10
微风化石英二长斑岩
700
YK83+520
2-S-12
150
20
10
微风化石英二长斑岩
700
YK83+540
2-S-17
150
20
10
微风化石英二长斑岩
700
一、验收试验目的
锚固工程验收试验目的是在于检验该锚固工程的施工质量是否达到设计要求，以确保边坡的安全。通过验收试验，可以获知锚杆受力大于设计荷载时的短期锚固性能，以及满足设计条件时锚杆的安全系数，验收试验完成并证明合格后，方能进行该边坡其他工程孔的锁定施工。
二、验收试验依据
1、《锚杆喷射混凝土支护技术规程》（GB50086-2001）；
2、福建省《不良地质路段路堑边坡防护加固工程施工实施细则》
（试行）；
3、福建省《高速公路边坡锚固工程施工技术暂行规定》。
4、《沈海公路复线柘荣至福安段高速公路工程两阶段施工设计图》第二册第二分册特殊路基设计图。
三、验收试验方案
1、试验孔的钻造与锚杆制安
为确保锚固工程不至于恶化边坡岩土工程条件和保证孔壁的粘结性能，钻孔采用无水干钻。钻进过程中对每个孔的地层变化、钻进状态（钻压、钻速）、地下水及一些特殊情况做了现场施工记录，锚孔钻造达到设计深度后，稳钻2分钟，防止孔底尖灭。在钻孔完成后，使用高压空气将孔内岩粉及水体清出孔外，以免降低水泥浆体与孔壁土体的粘结强度。
锚索采用6根φ15.24mm低松弛无黏结钢铰线，强度级别为1860Mpa 。锚索编束前，确保每根钢铰线顺直，不扭不叉，排列均匀，严格按设计尺寸制作。钢铰线采用机械切割。锚索顶端接装导向帽，以便下锚顺利。
锚索体每1.0m设置一个对中支架。注浆管捆扎在锚索体中间，直到导向帽位置。
锚索注浆采用福建“福源鑫”牌P.O42.5普通硅酸盐水泥,配合比为1：0.46(水泥：水)的纯水泥浆,锚孔注浆采用孔底反浆法注浆,现场作好施工记录。
采用压力分散型锚索,锚索编束由多单元锚索组成，每个单元锚索分别由两根等长无黏结钢铰线内锚于钢质承载体组成，钢铰线通过特制的挤压套和挤压簧对称的锚固于钢质承载体上，单根的连接强度大于200KN。钢质承载体采用45号钢材加工制作，其厚度不小于20mm 。对于压力分散型锚索的锚固段，不设紧箍环。每单元钢铰线用不同颜色做标记。
反力装置采用钢筋混凝土“＃”字型框架梁（C25）。
2、试验张拉设备采用YCW100B型千斤顶、编号1＃，压力表型号：0911596和ZB2×2-500B型高压电动油泵，编号1＃、与千斤顶配套的油表编号为L03-1741，最大量程60Mpa；该设备由国家认可的福建省计量科学研究所在2013年12月24日鉴定合格，标定曲线为：Y=0.0514X+0.62。
3、锚头位移采用游标卡尺（量程200mm），结合百分表（量程30mm）测量框架反力构件位移。
4、根据试验要求，最大试验荷载为锚索设计荷载的1.5倍，验收试验应分级加荷，起始荷载为锚索设计荷载的30%，分级加荷值分别为设计荷载的0.5、0.75、1.0、1.2、1.33、1.5倍。整个试验连续进行逐级加载，前一级荷载稳定后，方可施加下一级荷载，直到最大试验荷载为止。每级观测时间为10min，在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移项目累计变位量不大于0.1mm 方可施加下一级荷载。否则延长观测时间，最后一级试验荷载也应维持10min,如果在历时10min内位移量超过1mm，则该荷载再维持50min并在15、20、25、30、45和60min时记录其伸长量，锚索加荷等级与观测时间见锚索试验记录表（附后）。对已预张拉的锚杆进行验收试验时，应先卸荷后按以上规定分级加荷试验。
四、验收标准
㈠、本试验各项技术指标及规程以中国建设标准化协会标准《土层锚杆设计与施工规范》（CECS2L：90）为准，参考《不良地质路段路堑边坡防护加固工程施工实施细则》（试行）、《高速公路边坡锚固工程施工技术暂行规定》。
1、验收试验中，从50%设计荷载到最大试验荷载之间所测得的总位移量，应当超过该荷载范围内锚筋自由段长度预应力筋理论弹性伸长量的80%，且小于自由段与1/2锚固段长度之和的预应力筋的理论弹性伸长值。且锚筋实测伸长量与理论计算伸长量的误差不大于理论计算伸长量的±6%。
2、在最后一级荷载作用下的位移观测期内，锚头位移稳定
即在10min内位移不超过1mm，或者2h内蠕变量不大于2mm。
3、如果试验结果同时满足上述1、2两款条件，则认为验收试验锚索合格；如果发现有试验锚杆不能同时满足上述1、2两款条件，则需增加抽样三孔锚杆进行验收试验。直至验收试验锚索全部同时满足上述1、2两款条件，方可认为验收试验锚杆合格。
㈡、理论伸长量计算：本次验收试验理论弹性伸长量计算式，依据“公路桥涵施工技术规范JTJ041-200.12.8.3”条规定计算。
L=PpL/ApEp
式中：Pp——预应力筋的平均张拉力（N）；
L——预应力筋的长度（mm）；
Ap——预应力筋的截面积（mm2）；
Ep——预应力筋的弹性模量（N/mm2）；
本次试验钢铰线：Ap取140 mm2，Ep取198 N/mm2。
以YK83+500孔号2-S-3分析计算理论应力
单根钢绞线受力为F=700÷6＝116.667KN,为了使每一根钢绞线受力均衡,考虑到每个单元的自由段长度不同,为了消除其影响,每个单元必须单独张拉,其张拉力由自由段差值与其总长度决定,
F1/=(L1÷L)×F=10/3÷（30-10/3）×700/6=14.583KN
其中: F1/为第一单元第一次张拉力;
F为每单元总张拉力;F=116.667KN×2=233.334KN
当第二次张拉时,第一、第二单元同时张拉，其张拉力的分布情况如下：
F2/=（10/3÷70/3）×F=16.665KN
其中：（F1/1＋F2/）的分布系数为：
（F1/1＋F2/）=（10/3÷80/3＋10/3÷70/3）×F＝14.583+16.665=21.248KN
可知,张拉结束时一单元受力为14.5836+14.583=29.166KN,二单元受力为16.665KN。
当第三次张拉时,第一、第二、第三单元同时张拉，其张拉力的分布情况如下表：

F=700
F1/
F2/
45.83
14.583
16.665

F1
F2
F3
0.29
0.33
0.39
25%
F1/
F2/
F3/
51.40
59.42
49.73
50 %
F1/
F2/
F3/
101.27
117.34
117.11
75 %
F1/
F2/
F3/
151.15
175.27
184.48
100 %
F1/
F2/
F3/
201.02
233.19
251.86
130 %
F1/
F2/
F3/
201.02
233.19
332.71
150 %
F1/
F2/
F3/
300.77
349.04
386.61

3.2油表读数计算

伸长量的计算数据汇总
一次线性方程：Y=0.0514X+0.62 式中：L03-1741油表读数（MPa），x-压力机读数（KN)
备注
张拉力百分比
（%）
F1
F2
10%
50%
75%
100%
110%
130%
150%

张拉力x
(KN)
14.583
16.665
70
350
525
700
770
910
1050

压力表值y
(MPa)
1.37
1.48
4.22
18.61
27.61
36.60
40.20
47.39
54.59

根据<无黏结预应力钢绞线力学性能检验报告>,可得钢绞线弹性模量E=198GPa,单元面积为A=2.800cm2
由公式: 和 ，理论伸长量的计算如下表
名称
P张拉力
长度
截面面积A
惯性模量E
理论伸长值△L
只张拉F1
14.583
26.67
280
200000
6.90
只张拉F1、F2
16.665
23.33
280
200000
6.90
25%P
49.73
20.00
280
200000
17.80
50%P
117.11
20.00
280
200000
41.80
75%P
184.48
20.00
280
200000
65.90
100%P
251.86
20.00
280
200000
89.90
130%P
332.71
20.00
280
200000
118.80
150%P
386.61
20.00
280
200000
138.10
五、试验结果分析
1、本次试验，整个试验连续进行，逐级加载，前级荷载稳定后始可施加下一级荷载。直到最大试验荷载为止。在最后一级观测期内，锚头位移稳定。整个试验过程框架及坡面无异常现象。
根据验收试验标准试验结果见附表03。
附表03 试验结果汇总表
项
目
单
元
孔
号

理论伸长总值（mm）
实测总值（mm）
上限差值百分比（mm）
100%理论伸长值（mm）
50%-150%伸长值（mm ）
标准伸长值范围
最后一级观测值
说明
2-S-3
第一单元
151.9
156.4
3.0%
104.2
96.3
83.36~104.2
133.1
合格
第二单元
145.0
149.5
3.1%
第三单元
138.1
142.6
3.3%
2-S-12
第一单元
151.9
154.0
1.4%
104.2
96.3
83.36~104.2
127.3
合格
第二单元
145.0
147.1
1.4%
第三单元
138.1
140.2
1.5%
2-X-17
第一单元
151.9
156.0
2.7%
104.2
96.3
83.36~104.2
127.3
合格
第二单元
145.0
149.1
2.8%
第三单元
138.1
142.2
3%

六、试验资料及分析曲线
试验记录表中提供了试验荷载（吨位及油压表读数），相应荷载下的锚头位移读数。
根据记录表绘制的荷载Q（KN）-位移S（mm）曲线见附图，本次预应力锚杆验收试验充分验证本工点锚杆施工质量安全可靠、设计科学合理，达到边坡加固稳定的目的。

七、附件：
1、试验记录表
孔号
加荷等级
第一补偿
第二补偿
第一级
第二级
第三级
第四级
第五级
第六级
第七级
10%
50%
75%
100%
110%
130%
150%
2-S-3
油表读数（MPa）
1.37
1.48
4.22
18.61
27.61
36.60
40.20
47.39
54.59
伸长量（mm）
6.9
6.8
3.3
41
86
96
104
126.2
142.6
2-S-12
油表读数（MPa）
1.37
1.48
4.22
18.61
27.61
36.60
40.20
47.39
54.59
伸长量（mm）
6.9
6.9
3.2
40
81
91
105
121.8
140.2
2-S-17
油表读数（MPa）
1.37
1.48
4.22
18.61
27.61
36.60
40.20
47.39
54.59
伸长量（mm）
6.9
6.9
3.3
40
84
93
104
125.8
142.2
预应力锚索张拉抽检记录表