锚索工程自1950首次在安徽梅山水库中应用以来,经过几十年的快速发展,在我国工程建设中具有不可替代的作用,与抗滑桩、挡墙一起,成为工程加固中的王牌主力。几十年来,锚索工程家庭形成了多种受力形式的系统结构,如锚索家庭的长子-普通拉力型锚索,以及后来的新贵-压力型锚索、压力分散型锚索、拉力分散型、拉压分散型、自锁型等,共同组成了纷繁多样的锚索工程大家庭。而这些新成员中尤以压力分散型风头最劲,甚至是1990s年代,在我国刮过一阵席卷全国岩土工程界的强劲风潮。在如此的大潮中,笔者也曾在其中奋勇冲浪,享受着压力分散锚索带来的快感。在坡体锚索工程使用中,由于普通拉力型锚索在预应力施加时造成锚固体,即注浆的砂浆或水泥浆等材料处于拉应力状态,造成普通拉力锚索的短板完全暴露,尤其拉力型锚索在自由段与锚固段交界部位的高应力集中状态,成为最有可能在高度集中的拉应力作用下导致锚固段浆体开裂薄弱部位,从而可能导致锚索的防腐能力和锚固强度下降。此外,由于拉力型锚索在自由段与锚固段交界部位的高应力状态,往往导致锚固力不能有效在整个锚索的锚固段合理分配,往往造成锚固段前部分应力非常集中,而后部分却无法有效提供锚固力而在战斗在最激烈的时刻悠闲的睡着大觉。因此,工程界一般情况下在钻孔孔径小于150mm时,往往要求锚索的锚固段长度不宜大于10m,以免造成偷懒、吃“大锅饭”的锚固段太多。
图1 普通拉力型锚索锚固段轴力与孔壁剪应力分布示意图
压力分散型锚索的出现,让人们看到了解决问题的“曙光”。由于压力分散型锚索将预应力通过对注浆体受压的形式进行提供,有效利用圬工的抗压性远高于抗拉性的特点,大大减小了锚固段在高应力状态下易于开裂的问题。尤其是压力分散型锚索实行的“按劳分配”,将预应力分为几部分由不同部位的承载板承担,有效调动了全长锚固段的锚固能力。因此,压力分散型锚索能通过不断的增加压力单元而不断的提高锚索预应力,理论上是多少预应力都可以提供。压力分散型锚索这种通过内锚头各个分散的承载体,在受压时对注浆体产生微压缩膨胀、压缩变形,继而将应力最终传到孔壁附近的岩土体上,使岩土体最终承受剪力。这对于地层软弱、抗剪强度较低的岩土体在理论有着非常好的应用前景。当然,每个压力单元在钻孔孔径小于150mm时,其长度仍不宜大于10m。
图2 压力分散型锚索锚固段轴力与孔壁剪应力分布示意图因此,1990s年代压力分散型锚索的大潮来临时,势不可挡。但在工程应用中,人们逐渐发现压力分散锚索存在一些难以调和,甚至是无法调和的问题,形成了典型的“理想很丰满,现实很骨感”的真实写真。导致其犹如闪电或流星一般以耀眼的光芒闯入人们的视线,但也快速的消失在茫茫太空中。至今应用于临时性工程中,而永久工程中如若没有特殊要求,往往很少在边坡、滑坡等工程治理中应用。这是因为压力分散型锚索施工较为复杂,控制因素较多 ,这非常不利于我国以农民工为主体的施工人员应用。甚至一些技术人员也对压力分散锚索的受力机制存在模糊理念,导致管理、施工、养护等各个方面受到了极大的限制。首先,压力分散型锚索由于存在多个承载板,导致锚索下孔往往将渣体推入,可能造成锚索下孔困难,甚至无法到位。施工人员素质较高时,可将锚索抽出后重新“扫孔”后再次下孔。施工人员素质较低时,往往将锚索割断而导致锚索长度无法满足设计要求,也就失去了对潜在滑面的加固可能。其次,承载板后部聚集的渣体严重影响锚固段的注浆效果,从而导致注浆密实度较差而造成锚索防腐效果大幅下降,也造成锚固段的锚固能力出现不同程度不同的下降。再次,由于压力分散型锚索的自由段长度各异,因此,在锚索张拉时必须要求采用分段张拉,即先对自由段长度较大的钢绞线按要求进行张拉,然后再与其它较长短钢绞线一起按要求同时张拉,依此类推,最后与自由段最短的钢绞线一起对全部钢绞线同时进行持续张拉,从而最终达到锚索中各个钢绞线预应力相同的情况。各单元体的张拉公式如下
Pn-1=((n-1)/L1+ ((n-2)/L2+…+1/Ln-1)×P/n×△L
n为单元个数; △L为承载体间距;Ln为各承载单元长度;Pn为各承载单元补偿荷载;P为设计荷载。
因此,工程施工时必须先对压力分散型锚索在下索以前,应对不同长度的单元体采用不同颜色进行区别,以利于后续张拉工作的顺利进行。否则锚索下索后无法依据不同长度的钢绞线进行合理有序张拉。但在工程施工时,由于施工人员往往存在同时对所有钢绞线进行张拉,导致锚索中的各个钢绞线拉力严重不匹配,有的都快“累死崩断”了,有的却只在肩膀上扛了二两盐。
最后,最为致命的是,由于压力分散型锚索自由段长度不一致,这在锚索张拉切割封锚后,就再也无法知晓哪些钢绞线的自由段长短,这将直接导致在锚索后期养护进行补偿张拉时,由于无法区别不同钢绞线的自由段长短而无法补偿预应力。以上这些因素,直接导致了工程实践中压力分散型锚索的失败案例以远高于普通拉力型锚索而闻名,事故率居高不小,因此,国内在永久工程中对压力分散型锚索的应用有了很大限制应用。尤其是随着拉力型锚索知耻而后勇的发展,相继而发应用了扩大头、二次注浆工艺等,尤其是随着简单易于操作,且工程造价低廉二次注浆工艺成熟,大大拓展了拉力型锚索的应用范围,从而给予了压力分散型锚索最致命的一击,也就造成压力分散锚索在国内的应用严重萎缩。综上,锚索工艺的应用效果如何,不取决于其理论上的“丰满”,而取决于现实中的应用“骨感”。