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【摘要】为了进一步完善锚索桩的计算理论和设计，节约工程投资，准确的确定锚索预应力值和锚索桩设计的计算控制条件，以及分段式的计算方法以及地基系数方法等理论。
【关键词】锚索桩；锚索预应力；嵌入段；锚索倾角
中图分类号： F407.3文献标识码：A 文章编号：
【引言】
预应力锚索桩作为应用前景非常广阔的新型支挡抗滑结构，其应用始于上世纪的80年代中期。预应力锚索桩能够约束桩的变形，很好的改善了传统的悬臂式推力桩受力情况，在减少桩截面尺寸以及掩埋深度方面效果明显，因此在治理路堑边坡以及滑坡工程中发挥了很好的作用。
目前，锚索桩的设计计算方式以及理论研究尚未完全成熟，需要进一步的完善以及工程验证。本文将根据工程中采用的分段计算法和地基系数法，考察锚索桩的变形以及预应力的损失，更好的控制锚索桩固定面的变形，改善锚索桩内力分布，并设计计算出新型的预应力锚索桩。
1.预应力锚索桩相关原理
1.1 设计计算原理
锚索桩是有预应力锚索同抗滑桩相互结合在一起的结构物，预应力锚索以及抗滑桩成为变形的协调体，依靠锚固段地基中的侧向约束以及预应力锚索来使作用力得到平衡。抗滑桩内力能够在锚索的约束之下得到提升，并且改善抗滑桩的截面尺寸，使桩的长度得到改善，受力趋于合理。预应力锚索桩的设计具有如下优点：
能够利用锚索的抗拉性来抵抗巨大的外力作用；
能够利用锚索侧向约束作用，使锚固段的长度和总桩长度减少，可以有效的避免由于桩长过长所引发的施工困难。
锚索桩嵌入段计算方式可分为两种模型来进行：弹性桩与刚性桩两种模型。并且这两种模型计算方式均采用了弹性 Winkler 地基梁假定与桩周横向抗力[1]。
Winkler 地基梁假定：桩锚固段上的任一点对地基岩土的作用力，能够在该点引起适当的压缩，其作用力大小同各地级在该点上压缩变形形成正比。公式为：PY=K·XY。在这一公式中，PY指桩到地基岩土y地侧向作用力；K指地基系数，XX-Y 处地基岩土的压缩变形。按照牛顿第一定律的要求，在文克尔假定的条件下，地基岩土可以对桩形成的的反力为：AY=K·XY.从而可以得出，地基对锚固面段上的任一点地基反作用力同相对应具体位置的压缩变形是成正比的，并且还与地基岩土体物理力学的性质有很强的关联。
1.2 刚/弹性桩的算法在力学内涵上的统一性
上段提到了弹性Winkler 地基梁假定的算法，这里有必要对其与刚性桩算法內涵的一致性作出一定的论证。这两种模型有着不一样的计算公式，二者的出发点以及推导式在形式上看起来不一致。但根据力学观点来说，二者都是依据弹性 Winkler 地基梁假定与桩周横向抗力的原理进行公式推导求解，刚性桩模型的结算结论能够从弹性桩模型中直接得到。下面将用三角图示的M法和常数法来进行讨论和测算[2]。
采用M法和常数时，需要先定义一下桩变形系数 α和β。根据其他一些常数，计算公式如下所示：
1.3锚索预应力值
（1）岩石地基系数由岩石的抗压强度极值确定，不会受岩层面埋藏深浅影响。
（2）若锚索桩锚固段地层为岩层时，则通过调整锚索的拉力、锚索的自由段长度、桩锚固段长度以及桩截面，使得桩锚固段的正负弯矩基本一致，若水平移动值不超过相应范围则最为经济合理。
（3）若锚索桩的桩锚固段地层属于破碎岩层时，可以调整锚索拉力、桩截面、锚索自由段以及桩锚固段的长度使桩锚固面水平位移得以控制在一定的范围内，并考察锚桩与岩石土层之间的摩擦力、锚索竖向力以及桩底反力，测算出桩底的地基应力是否合格。
（4）根据施工经验，锚索预应力的损失一百在15%到20%之间，土层则在20%到30%之间。因此在设计时需要考虑到这些影响，同时锚索预应力值设定公式为：N3J=K1·K1(NJ-N1J)。
1.4 桩的配筋
根据锚索桩内力的测算，应该按照上面配筋原理进行操作首先要测算出锚索水平力和桩的最大剪应力以及弯矩；其次在根据弯矩和剪应力来测算锚固段弯矩和剪应力。预应力的锚索桩设计可以参照《水工预应力锚固段设计规范》或者《土层锚杆设计与施工规范》[3]。
2. 预应力锚索桩相关设计出现的两个问题
2.1 预应力锚索对锚索桩设计造成的影响
通常，锚索桩设计会采用平衡理论设计。首先，锚索桩的桩身正负弯矩基本上相等，这就使得桩截面的尺寸达到最小水平；第二，锚索桩的各排锚索拉力能够基本达到设计值，可以保证各排锚索发挥其受拉特性，减少浪费。
如果没有预应力，仅靠外力作用、锚索、桩体的自然变形，则此时桩身的正弯矩会大于负弯矩。另外，如果施加的预应力过大则会造成负弯矩大于正弯矩。因此，在工程施工时需要对各排锚索施加合适的预应力，才能保证桩身正负弯矩值趋于一致。在施加合适的预应力之前，还需调整各排的预应力，对锚索的伸长量进行控制，使各排的锚索拉力达到抗拉强度。
在施工过程中，还会出现应力松弛的现象，这一问题在施工角度上还未得到完满的解决。所以在设计上需要把这一问题考虑进去，控制好松弛度，通常锚索的松弛度应为锚索抗拉强度的15%~20%，在超过张拉时负弯矩须控制在比平衡值稍大，正弯矩就会减少，在锚索应力松弛之后，负弯矩趋于低值，正弯矩在增大后即会达到一个最终的平衡值。
通过这些办法的应用，可以有效的解决应力松弛以及抗拉强度降低对桩身的影响。
2.2最小锚固深度确定
普通的抗滑桩锚固深度同锚固体地基强度以及外力相关，外力增大则锚固深度加深。
预应力的锚索桩锚固深度，除了跟锚固段的地基强度以及外力有关之外，锚索对其还有影响。通常，锚索的排数多则锚固段浅。根据施工经验，锚索桩的最小锚固的深度通常是桩长的1/4，经过的硬质岩层则较小。
【结语】
根据以上叙述的计算理论和设计参数，预应力锚索桩能够得到更好的利用并发挥出理想的效果，根据施工反馈说明，现场的实际操作情况与设计比较吻合，基本达到设计值。这样还能节约20%左右的费用，实现经济效益和工程质量的统一。
【参考文献】
[1] 周德培, 王建松. 预应力锚索桩内力的一种计算方法[J].岩石力学与工程学报, 2002, 21(2): 247－250.
[2] 李海光. 新型支挡结构设计与工程实例[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004: 336－340, 249－257.
[3] SL212一1998，水工预应力锚固设计规范[S]
【关键词】锚索桩；锚索预应力；嵌入段；锚索倾角
中图分类号： F407.3文献标识码：A 文章编号：
【引言】
预应力锚索桩作为应用前景非常广阔的新型支挡抗滑结构，其应用始于上世纪的80年代中期。预应力锚索桩能够约束桩的变形，很好的改善了传统的悬臂式推力桩受力情况，在减少桩截面尺寸以及掩埋深度方面效果明显，因此在治理路堑边坡以及滑坡工程中发挥了很好的作用。
目前，锚索桩的设计计算方式以及理论研究尚未完全成熟，需要进一步的完善以及工程验证。本文将根据工程中采用的分段计算法和地基系数法，考察锚索桩的变形以及预应力的损失，更好的控制锚索桩固定面的变形，改善锚索桩内力分布，并设计计算出新型的预应力锚索桩。
1.预应力锚索桩相关原理
1.1 设计计算原理
锚索桩是有预应力锚索同抗滑桩相互结合在一起的结构物，预应力锚索以及抗滑桩成为变形的协调体，依靠锚固段地基中的侧向约束以及预应力锚索来使作用力得到平衡。抗滑桩内力能够在锚索的约束之下得到提升，并且改善抗滑桩的截面尺寸，使桩的长度得到改善，受力趋于合理。预应力锚索桩的设计具有如下优点：
能够利用锚索的抗拉性来抵抗巨大的外力作用；
能够利用锚索侧向约束作用，使锚固段的长度和总桩长度减少，可以有效的避免由于桩长过长所引发的施工困难。
锚索桩嵌入段计算方式可分为两种模型来进行：弹性桩与刚性桩两种模型。并且这两种模型计算方式均采用了弹性 Winkler 地基梁假定与桩周横向抗力[1]。
Winkler 地基梁假定：桩锚固段上的任一点对地基岩土的作用力，能够在该点引起适当的压缩，其作用力大小同各地级在该点上压缩变形形成正比。公式为：PY=K·XY。在这一公式中，PY指桩到地基岩土y地侧向作用力；K指地基系数，XX-Y 处地基岩土的压缩变形。按照牛顿第一定律的要求，在文克尔假定的条件下，地基岩土可以对桩形成的的反力为：AY=K·XY.从而可以得出，地基对锚固面段上的任一点地基反作用力同相对应具体位置的压缩变形是成正比的，并且还与地基岩土体物理力学的性质有很强的关联。
1.2 刚/弹性桩的算法在力学内涵上的统一性
上段提到了弹性Winkler 地基梁假定的算法，这里有必要对其与刚性桩算法內涵的一致性作出一定的论证。这两种模型有着不一样的计算公式，二者的出发点以及推导式在形式上看起来不一致。但根据力学观点来说，二者都是依据弹性 Winkler 地基梁假定与桩周横向抗力的原理进行公式推导求解，刚性桩模型的结算结论能够从弹性桩模型中直接得到。下面将用三角图示的M法和常数法来进行讨论和测算[2]。
采用M法和常数时，需要先定义一下桩变形系数 α和β。根据其他一些常数，计算公式如下所示：
1.3锚索预应力值
（1）岩石地基系数由岩石的抗压强度极值确定，不会受岩层面埋藏深浅影响。
（2）若锚索桩锚固段地层为岩层时，则通过调整锚索的拉力、锚索的自由段长度、桩锚固段长度以及桩截面，使得桩锚固段的正负弯矩基本一致，若水平移动值不超过相应范围则最为经济合理。
（3）若锚索桩的桩锚固段地层属于破碎岩层时，可以调整锚索拉力、桩截面、锚索自由段以及桩锚固段的长度使桩锚固面水平位移得以控制在一定的范围内，并考察锚桩与岩石土层之间的摩擦力、锚索竖向力以及桩底反力，测算出桩底的地基应力是否合格。
（4）根据施工经验，锚索预应力的损失一百在15%到20%之间，土层则在20%到30%之间。因此在设计时需要考虑到这些影响，同时锚索预应力值设定公式为：N3J=K1·K1(NJ-N1J)。
1.4 桩的配筋
根据锚索桩内力的测算，应该按照上面配筋原理进行操作首先要测算出锚索水平力和桩的最大剪应力以及弯矩；其次在根据弯矩和剪应力来测算锚固段弯矩和剪应力。预应力的锚索桩设计可以参照《水工预应力锚固段设计规范》或者《土层锚杆设计与施工规范》[3]。
2. 预应力锚索桩相关设计出现的两个问题
2.1 预应力锚索对锚索桩设计造成的影响
通常，锚索桩设计会采用平衡理论设计。首先，锚索桩的桩身正负弯矩基本上相等，这就使得桩截面的尺寸达到最小水平；第二，锚索桩的各排锚索拉力能够基本达到设计值，可以保证各排锚索发挥其受拉特性，减少浪费。
如果没有预应力，仅靠外力作用、锚索、桩体的自然变形，则此时桩身的正弯矩会大于负弯矩。另外，如果施加的预应力过大则会造成负弯矩大于正弯矩。因此，在工程施工时需要对各排锚索施加合适的预应力，才能保证桩身正负弯矩值趋于一致。在施加合适的预应力之前，还需调整各排的预应力，对锚索的伸长量进行控制，使各排的锚索拉力达到抗拉强度。
在施工过程中，还会出现应力松弛的现象，这一问题在施工角度上还未得到完满的解决。所以在设计上需要把这一问题考虑进去，控制好松弛度，通常锚索的松弛度应为锚索抗拉强度的15%~20%，在超过张拉时负弯矩须控制在比平衡值稍大，正弯矩就会减少，在锚索应力松弛之后，负弯矩趋于低值，正弯矩在增大后即会达到一个最终的平衡值。
通过这些办法的应用，可以有效的解决应力松弛以及抗拉强度降低对桩身的影响。
2.2最小锚固深度确定
普通的抗滑桩锚固深度同锚固体地基强度以及外力相关，外力增大则锚固深度加深。
预应力的锚索桩锚固深度，除了跟锚固段的地基强度以及外力有关之外，锚索对其还有影响。通常，锚索的排数多则锚固段浅。根据施工经验，锚索桩的最小锚固的深度通常是桩长的1/4，经过的硬质岩层则较小。
【结语】
根据以上叙述的计算理论和设计参数，预应力锚索桩能够得到更好的利用并发挥出理想的效果，根据施工反馈说明，现场的实际操作情况与设计比较吻合，基本达到设计值。这样还能节约20%左右的费用，实现经济效益和工程质量的统一。
【参考文献】
[1] 周德培, 王建松. 预应力锚索桩内力的一种计算方法[J].岩石力学与工程学报, 2002, 21(2): 247－250.
[2] 李海光. 新型支挡结构设计与工程实例[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004: 336－340, 249－257.
[3] SL212一1998，水工预应力锚固设计规范[S]