全 文 ：　第 4卷　第 5期 　　地 下 空 间 与 工 程 学 报 Vol.4　　
2008年 10月 　　ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering Oct.2008　
压花锚在岩土锚固工程中的应用＊
赵向阳
(重庆高速公路发展有限公司东南分公司 ,重庆　400060)
摘　要:普通预应力锚索的常见破坏模式是钢绞线与注浆体脱粘 ,为防止该类破坏模式的
发生并增强内锚固段的承载强度 ,将结构工程的压花锚进行改进并应用到岩土锚固工程 ,设计
了 8种不同配合比的水泥基注浆体 ,将普通锚 、压花锚锚固在中风化砂岩中 ,通过抗拔试验获
得了岩锚的荷载 ～位移全过程曲线 。结果表明:压花结构在注浆体里产生楔形效应 ,导致压花
锚的荷载传递机理与普通锚明显不同 ,其承载强度显著高于对应的普通锚 ,降低了岩锚承载强
度对内锚固段长度及注浆体力学性能改变的敏感性。压花锚的上述特性有利于减少锚固工程
的用锚数量 ,节约工程造价 ,提高安全可靠度 ,值得推广应用 。
关键词:压花锚;普通锚;岩土锚固;承载强度
中图分类号:TU753.8　　文献标识码:A　　 文章编号:1673-0836(2008)05-0932-05
ApplicationofBulbAnchortoGeotechnicalAnchorageEngineering
ZHAOXiang-yang
(TheSoutheastBranch, ChongqingExpreswayDevelopmentCompanyLtd, Chongqing400060, P.R.China)
Abstract:Debondingofinterfacebetweensteelstrandandgroutisthedominantfailuremodeofconventional
prestressedanchorcable, inordertoavoidthisfailuremode, thebulbanchorofstructuralengineeringismodifiedand
usedforgeotechnicalanchorageprojecttoenhancethebearingstrengthofembeddedsection.Thispaperpresents
eightcement-basedgroutswithdifferentmixtureproportion, theconventionalanchorsandbulbanchorsaregrouted
inmedium-weatheredsandstonebythesecement-basedgrouts, theload-displacementcurvesoftheserockcable
boltshavebeenobtainedfromlaboratorypul-outtests.Theresultsoftestsindicatethatload-transfermechanism
ofconventionalanchorandbulbanchorisobviouslydifferentduetowedgingeffectofbulbstructure, thebearing
strengthofbulbanchorismarkedlyhigherthanthatofconventionalanchor, thebulbstructuredecreasessensibilityof
thebearingstrengthofrockcablebolttoembedmentlengthandmechanicalperformanceofcement-basedgrout.
Thesecharacteristicsofbulbanchorcanreducemagnitudeofanchorinanchorageengineering, economizetheproject
costandenhancesecurityandreliability, itisworthyofapplyingpopularlybulbanchortogeotechnicalanchoragepro-
ject.
Keywords:bulbanchor;conventionalanchor;geotechnicalanchorage;bearingstrength
1　引言
在西部大开发的公路建设中 ,高填深挖路段
多 ,高危边坡的加固 、环境地质灾害的整治成了工
程建设中的重要组成部分 ,在处治该类工程问题的
所有措施中 ,锚固作为一种高效经济且实用的技
术 ,得到了岩土工程界的普遍重视 。
在公路边坡锚固工程中 ,用作普通预应力锚索
的锚筋材料通常是抗拉强度标准值 fptk=1860MPa
的 1×7 -Ф15.24mm低松弛预应力钢绞线 ,它是
＊ 收稿日期:2008-03-20(修改稿)
作者简介:赵向阳(1966-), 男 ,高级工程师 , 湖南大学城市道路与桥梁工程专业毕业 , 主要从事公路工程的管理工
作。 E-mail:z x y9332@sina.com
采用 1根中心钢丝与 6根外围钢丝呈螺旋状捻制
而成。由于其特殊的结构和表面形态 ,普通预应力
锚索在工程中的主要失效破坏模式是钢绞线从注
浆体中旋转滑出[ 1] 。因此 ,有必要采取经济实惠
的工程措施 ,增强钢绞线与注浆体粘结界面的承载
强度。通过改变钢绞线的表面形态来达到上述目
的不失为一种简便易行 、且不增加工程造价的有效
方法。
图 1　结构工程的标准压花锚
Fig.1　Standardbulbanchorinstructuralengineering
图 2　改进型压花锚
Fig.2　Modifiedbulbanchor
压花锚在结构工程中主要用于后张法预应力
混凝土结构的预应力锚固体系 ,属于粘结式锚具 ,
其基本构造形式是将钢绞线端头用液压压花机墩
成如同梨形的一个压花(如图 1)[ 2] ,通过将其浇注
在混凝土中 ,以此实现对预应力钢绞线的锚固 ,
它具有构造简单 ,施工方便 ,价格低廉等突出优
点[ 3] ,尤其适合在锚固力吨位较低的情况下使用 。
鉴于此 ,本文将其引入到岩土锚固工程中 ,并根据
岩锚的荷载传递特性 ,对压花结构进行改进 ,将压
花设置在内锚固段中部(如图 2),通过抗拔试验研
究压花锚的锚固性能 ,为提高岩锚的锚固性能指出
了一条经济实用的发展方向。
2　试验方案设计
2.1　原材料的选取及其物理力学性能
钢绞线:结构为 1 ×7 -Ф4.8mm, 屈服强度
1125MPa,屈服荷载 15.79 kN,极限强度 1326MPa,
极限荷载 18.62kN, 屈强比 0.85, 破断伸长率
1.5%;岩石:中风化砂岩 ,天然单轴抗压强度 70.4
MPa;水泥:P.O.42.5普通硅酸盐水泥;砂:渠河
砂 ,晒干后过孔径 2.0mm的圆孔筛去除大粒径的
集料 ,细度模数 μf=1.5;水:生活饮用水。由于注
浆体的物理力学性能试验无专用规范 ,因此该部分
试验主要参照砂浆 、混凝土 、岩石相关规范执
行[ 4 ～ 6] ,注浆体的流动度采用倒锥法测定 , CG6过
稠 ,从倒锥内未能流出 , CG7在 35s之内未流完 ,流
出部分的浆液占倒锥内起初总浆量的质量百分比
为 45.3%。本研究采用的 8种不同配合比的注浆
体的物理力学指标列于表 1。
表 1　8种不同配合比的注浆体的物理力学指标
Table1　Thephysical＆mechanicalindexesofeightcement-basedgroutingmaterialswithdifferentmixproportions
注浆体编号 配合比(水:砂:灰)
抗压强度
fm, cu/MPa
抗拉强度
fts/MPa
弹性模量
Ee/MPa
弹性
泊松比 μe
流动度
t/s
CG1 0.6:1:1 39.0 2.60 21072 0.21 13.25
CG2 0.6:0.5:1 39.8 2.58 17031 0.20 11.00
CG3 0.5:1:1 45.1 2.89 21897 0.17 27.75
CG4 0.5:0.5:1 47.0 2.76 17942 0.21 14.53
CG5 0.5:0:1 35.2 2.13 13783 0.21 11.06
CG6 0.4:1:1 53.5 3.35 23406 0.20 ∞
CG7 0.4:0.5:1 52.5 2.94 19662 0.19 45.3%
CG8 0.4:0:1 46.9 3.05 17594 0.20 31.41
2.2　岩锚试件的准备
本研究以公路边坡岩土锚固中使用较为普遍
的 4Ф15.24mm或 6Ф15.24mm(锚孔直径 110mm
或 130mm)的锚束为原型进行缩尺试验 ,岩锚试件
的钢绞线横截面积占锚孔横截面积的百分率与实
际工程中的锚束的百分率相近。将岩石加工成横
截面为 30×30cm,长度为 80 ～ 120cm的条石 ,放置
于平地上 ,条石与条石之间行距 40cm,四周浇筑强
度等级为 C20的混凝土以稳固岩石 。待混凝土
14d龄期后使用冲击电锤在岩石上面垂直钻孔 ,孔
径 1.8cm,孔间距 40cm,使用压力为 0.7MPa的高
压空气对钻孔进行清孔 ,然后将注浆体倒入锚孔
内 ,用铁钎反复搅捣密实 ,将钢绞线对中插入 ,在自
然条件下进行 28d龄期的养生 ,岩锚在现场的布置
如图 3。为便于凸显压花锚的锚固性能 ,每一根压
花锚都成型了与之对应的普通锚索试件 。
2.3　岩锚抗拔试验
待注浆体达到龄期后 ,逐级给锚索施加轴向荷
9332008年第 5期　　　　　　　　　　　赵向阳 , 等:压花锚在岩土锚固工程中的应用
图 3　岩锚试件的布置
Fig.3　Arrangementofrockcablebolts
载 ,每级荷载施加后立即测读荷载和内锚固段外端
点位移的大小 ,稳定 1min后再测读一次 ,即可施加
下一级拉拔荷载 ,当拉拔位移明显增大时 ,适当减
小加荷速率 ,试验持续到锚完全破坏时停止 ,测得
岩锚抗拔全过程的荷载位移曲线。抗拔试验装置
如图 4所示 。
图 4　抗拔试验装置
Fig.4　Set-upofthepull-outtest
3　试验结果及分析
22根岩锚的抗拔全过程荷载位移曲线如图 5
(a)～ (h),显然 ,压花锚与普通锚的锚固性能迥然
不同 ,主要体现在以下 4方面:
(1)普通锚与压花锚的荷载 ～位移曲线形态
不同 。注浆体 CG5(图 5(e))锚固下的岩锚最具代
表性 ,普通锚的荷载 ～位移曲线基本上为一偏态的
单峰曲线 ,锚索在达到极限承载强度 P1点后 ,持荷
能力下降 ,进入塑性流动破坏阶段 P1F1 ,随着轴向
抗拔位移的不断增长 ,注浆体与锚筋或岩石的脱粘
段逐渐向内锚固段末端传递 ,锚固力主要由摩擦力
和机械咬合力共同承担 ,锚索进入残余强度阶段
F1R1。而压花锚在通过弹性极限点 E后 ,进入 “屈
服”阶段 EY,变形迅速发展 ,与此对应的是压花结
构靠张拉端一侧的钢绞线与注浆体脱粘 ,抗拔荷载
传递至压花部位 ,压花结构的楔形效应开始发挥 ,
锚进入 “强化 ”阶段 YS,如压花结构内部被强度
高 、抗变形能力强的注浆体充填密实 ,则钢绞线断
裂 ,反之则可能发生注浆体与钢绞线或者岩石的脱
粘破坏。
(2)压花锚的承载强度显著高于对应的普通
锚。从表 2可以看出 ,在 11根压花锚的抗拔试验
中 ,有 9根是因为钢绞线的断裂而失效 ,本文将岩
锚预应力筋材料强度利用系数为 0.60[ 7 ～ 11]时的荷
载(11.17kN)定义为压花锚发生钢绞线断裂失效
模式的极限承载荷载 ,普通锚以 P1点作为其极限
承载荷载。其中有 6根压花锚的承载强度是其普
通锚承载强度的 2倍以上 ,最为显著的是 CG3锚
固下的 10cm长岩锚 ,压花锚的承载强度是对应普
通锚承载强度的 3.87倍。对所有发生钢绞线断裂
的压花锚进行观察发现 ,其内锚固段并没有明显的
破坏迹象 ,这说明其内锚固段还有很大的受荷潜
力。压花锚的这一特性有利于在实际工程中减少
用锚数量 ,降低工程造价 ,提高锚筋材料的利用效
率。而且随着压花结构对岩锚承载强度的提高 ,岩
锚的破坏模式从普通锚的钢绞线与注浆体脱粘向
压花锚的钢绞线断裂转化 。
表 2　岩锚的失效破坏模式
Table2　Failuremodeofrockcablebolts
注浆体
锚类别
CG1
(25/10)
CG2
(25)
CG3
(25/10)
CG4
(25)
CG5
(25)
CG6
(25)
CG7
(25/10)
CG8
(25)
压花锚 AF/AF AG AF/AF AF AG AF AF/AF AF
普通锚 AG/AG AG AG/GR GR AG AG AG/AG AG
　　　注:AF表示钢绞线断裂;AG表示钢绞线与注浆体发生粘结破坏;GR表示注浆体与岩石发生粘结破坏。
934 地 下 空 间 与 工 程 学 报　　　　　　　　　　　　　　　　　第 4卷
图 5　岩锚的荷载 ～位移全过程曲线
Fig.5　Load-displacementcurvesofrockcablebolts
　　(3)普通锚的承载强度在很大程度上依赖于
内锚固段长度 ,而压花锚的承载强度主要取决于压
花楔形效应的有效发挥。对比注浆体 CG1、CG3及
CG7锚固下的岩锚 , 25cm与 10cm长普通锚的极
限承载荷载比分别为 2.67、2.95和 3.04,而压花
锚均发生钢绞线断裂失效 ,其承载强度大致相当。
从图 6可以看出 ,普通锚的荷载传递是靠内锚固段
的粘结界面来完成 ,钢绞线与注浆体之间的脱粘属
于剪切破坏 ,注浆体作为一种脆性材料 ,其剪切强
度约为抗压强度的十分之一左右 ,在一定长度的内
锚固段之内 ,锚的承载强度与锚长呈正相关关系 ,
导致锚的极限承载强度对锚长有很大程度的依赖
作用;而压花锚的引入 ,改变了普通预应力锚索的
荷载传递机理 ,尤其增强了锚筋材料与注浆体粘结
界面的受荷能力 ,变此界面上以往的剪切破坏为现
在的压剪破坏 ,由于注浆体是一种抗压性能优良的
材料 ,因此压花锚的极限承载能力得到显著加强 ,
只要压花部位被注浆体充填密实能保持花型稳定
9352008年第 5期　　　　　　　　　　　赵向阳 , 等:压花锚在岩土锚固工程中的应用
且承压区注浆体能受到外界的有利约束 ,整根锚索 的锚固力大部分均由压花部分集中承担 。
图 6　普通锚和压花锚的荷载传递机理简图
Fig.6.Sketchofload-transfermechanismofconventionalanchorandbulbanchor
　　(4)压花锚的承载强度对注浆体性能的改变
不如普通锚敏感 。以注浆体 CG6、CG7及 CG8锚
固下的岩锚为例 ,随着注浆体的砂灰比减小 ,注浆
体的抗压强度 、弹性模量降低 , CG6与 CG7锚固下
的 10cm长普通锚的极限承载强度比为 1.52, CG7
与 CG8锚固下的 25cm长普通锚的极限承载强度
比为 2.26 ,不同注浆体锚固下的普通锚的锚固性
能表现出极大的差异 ,而与之对应的 3根压花锚均
发生钢绞线断裂 ,注浆体的改变对压花锚的锚固性
能影响很小 。 CG5和 CG8作为水灰比为 0.5和
0.4的净浆 ,其普通锚的极限承载强度都较低 ,而压
花锚的承载强度却显著增强。这说明 ,针对压花锚
而言 ,用净浆作为注浆体同样可以使锚获得较高的
极限承载能力 ,不过要使用水灰比相对较低的净
浆 ,因为水灰比过高 ,净浆在锚孔内硬化容易发生
程度较大的干缩 [ 12] ,影响注浆体与孔壁的粘结效
果 ,降低注浆体与孔壁之间的粘结强度 ,同时压花
核心区注浆体也易于压碎 ,压花的花型不容易保持
稳定 ,导致锚的承载强度下降。
4　结论
本文通过对不同配合比注浆体锚固下的岩锚
抗拔试验 ,可得出以下结论:
(1)压花改变了普通锚的荷载 ～位移曲线形
态 。普通锚的荷载 ～位移曲线基本上为一偏态的
单峰曲线 ,而压花锚的荷载 ～位移曲线是由弹性
段 、屈服段 、强化段组成。
(2)压花锚能成倍提高岩锚的承载强度 ,增强
锚固工程的安全可靠度。将其用于实际工程中 ,可
以提高锚筋材料的利用效率 ,减少用锚数量 ,节约
工程造价。
(3)由于荷载传递机理不同 ,普通锚的极限承
载强度很大程度上依赖于内锚固段长度 ,对压花锚
而言 ,只要压花结构的楔形效应能够得到有效发
挥 ,内锚固段长度较短的锚同样可以获得很高的承
载强度。
(4)当注浆体力学性能发生改变时 ,普通锚的
承载强度受到很大影响 ,注浆体为净浆时 ,这种影
响尤为明显 ,而压花锚的锚固性能却较少受到注浆
体力学性能改变的影响 ,使用净浆同样可以获得良
好的锚固效果。
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