第三节 预应力锚索的工程分类
目前在加固工程中使用的锚索种类繁多，按不同的分类方法可将锚索划分为不同的类型。
一、按自由段有无黏结分类
最为普遍的划分方法是按自由段有无黏结进行锚索类型的划分。
1.有黏结预应力锚索
张拉完成后，张拉段被充满锚索孔的黏结材料直接包裹而不能自由变形的预应力锚索，称为有黏结预应力锚索。通常先向内锚固端灌砂浆达到设计强度后，进行锚索张拉，再用水泥砂浆灌注自由端，这一类型锚索至今仍在我国绝大多数水利水电工程中应用。锚索体系由内锚固段、自由段和外锚固段组成。自由段的钢绞线用油脂保护，由于油脂保护的防锈可靠性较差，几乎所有的工程最后都通过灌浆将自由段封死，因而，此类锚索最终退化为有黏结无保护型。外锚固段由锚墩组成。
2.无黏结预应力锚索
张拉段经过特殊处理，张拉完成后张拉段不被黏结材料直接包裹而能自由变形的预应力锚索，此类锚索采用带有聚氯乙烯套管保护的钢绞线，内锚固段和自由段一次灌浆，同时，内锚固段还用波纹套管保护，以达到全程防水效果，图2-12为韩国三友公司（SAM-WOO）使用的波纹套管。中国小浪底工程是第一个大量使用这一型式的水利工程，图2-13为小浪底工程采用的锚索的设计详图。需要强调的是，内锚固段的防水波纹套管是一种专用产品，它既要具备与内锚固端紧密结合以达到充分防水的作用，又必须具备足够的柔性，可以将锚固力传给岩体。我国目前无定型产品，小浪底工程的波纹套管是从国外进口的。
图2-12 双层保护无黏结锚索的防水波纹套管
3.压缩型、分散型无黏结锚索
研究表明，锚索的内锚头在受拉时将在某一段产生应力集中，同时内锚头在拔出时产生的剪胀导致锚索砂浆固结段开裂。采用压缩型、分散型内锚头可以改善内锚头的应力分布，提高内锚头的可靠性，从而为减少内锚头的长度创造条件。图2-14为成勘院准达公司生产的锚索结构，韩国三友公司生产的锚索如图2-15所示的压缩型锚具有结构紧凑、全程防水防锈的特点。图2-16是当代压缩分散型锚中较为先进的一种。
图2-13 小浪底工程采用的双层保护无黏结锚索
图2-14 成勘院准达公司曾开发的压缩型锚索体系
图2-15 韩国三友公司生产的锚索
4.日本SEC方法
在各种新型锚索体系中，日本SEC方法是从传统的众多锚索体系脱颖而出形成的一种全新的锚索体系。该锚索体系使用桥梁工程中的预锚钢绞线，经工厂加工，成为一个钢套型的内锚头，如图2-17所示。这一体系的钢绞线与聚氯乙烯保护层被凝固成一个整体，不再有现场穿索的工艺。由于结构紧凑，故可减少钻孔直径。
图2-16 压力分散型锚索
图2-17 日本SEC方法
二、按锚固段的结构形式划分
预应力锚索采用的型式有端头锚和对穿锚两种。
（1）端头锚：无黏结端头锚主要由外锚头、张拉段、内锚固段构成。外锚头由工作锚板、夹片、承压板、混凝土垫座及保护系统5部分组成；张拉段采用无黏结钢绞线，其间有水泥浆胶结体；内锚固段由钢绞线、导向帽、隔离架及水泥浆胶结体构成。在有防腐要求时，应沿锚索全长设置聚乙烯波纹管。有无黏结端头锚与沿全长有黏结端头锚两种类型。
（2）对穿锚：则是锚索的两端均为外锚固段，无内锚固段。三峡永久船闸的直立坡部位（锚索长35～45m），中隔墩部位（锚索长36～55m）采用了无黏结钢绞线，外涂一层专用建筑树脂后，包一层约1mm厚的高密度聚乙烯的对穿锚。锚索一般为水平布置，均为直径165mm的锚索孔，锚墩混凝土强度为C35。
就对穿锚索而言，由于需要具备后期补偿张拉条件，常采用无黏结锚索，对钢绞线与浆体的黏结力没有很高的要求，降低了不可靠因素，可以提供更大的锚固力。注浆工序一次完成，不需要区分内锚固段和张拉自由段，减少了施工工序，有利于缩短施工工期，可用于一些抢险工程。
三、按锚索受力形式划分
按锚固段结构受力状态分为拉力型、压力型、荷载分散型。
1.拉力型锚索
拉力型锚索主要依靠内锚固段提供足够的抗拔力，因此，钢绞线与注浆体间的黏结力、孔壁与注浆体间的黏结力应同时满足设计要求，以保证预应力的正常工作。
内锚固段的形式有两种：一种是采用水泥浆或水泥砂浆将锚固段部分的锚索体固结在假想滑动面以内的稳定岩体部分；另一种是采用机械式内锚固段，如涨壳式内锚头。由于机械式内锚头适应性差，加工量大，现已很少使用。
采用水泥浆或水泥砂浆固结的拉力型锚索，锚固段先注浆，钢绞线与注浆体、注浆体与孔壁完全黏结，当注浆体强度达到设计要求时进行张拉，张拉后进行自由段的注浆。根据其张拉段是否黏结又可分为全长黏结式和自由式，即二次注浆锚索和自由式锚索。二次注浆锚索的特点是如果锚头失效也能保持预应力。自由锚索的特点是局部岩体变形引起的局部应力能分布在整个张拉段上。
拉力型锚索结构简单，施工方便，造价较低，其结构如图2-18及图2-19所示。这种锚索内锚固段底部的岩体产生拉应力，且应力较集中，使内锚固段上部产生较大的拉力，易把浆体拉裂，影响抗拔力和锚索的永久性。
图2-18 拉力型锚索结构示意图
1—锚具；2—结构；3—油脂；4—注浆体；5—套管；6—锚索体；7—裂纹；8—对中支架
图2-19 永久性拉力型锚索结构
1—锚具；2—垫座；3—钢绞线；4—套管；5—隔离架；6—无包裹钢绞线；7—波形套管；8—钻孔；9—注浆管；10—保护罩；11—光滑套管与波形套管搭接处（长度不小于200mm）
2.压力型锚索
压力型锚索与拉力型锚索的受力机理不同，其结构原理和结构示意图如图2-20与图2-21所示。通常采用无黏结钢绞线，钢绞线与注浆体无黏结，而注浆体与孔壁全长黏结。在无黏结钢绞线的内端固定一个金属圆盘，作用在钢绞线上的拉力通过圆盘转换为压力。注浆体呈受压状态，而注浆体侧面与孔壁间产生剪应力。压力型锚索荷载分布的特点是：①在锚索的根部荷载大，靠近孔口方向荷载明显变小，有利于将不稳定体锚定在地层的深部，充分利用有效锚固段，从而可缩短锚索长度；②浆体受压，被锚固体受压范围更大，可提供更大锚固力；③压力型锚索的锚索体采用无黏结钢绞线，因而多一层防护措施，如果采用镀锌或环氧喷涂钢绞线外再包裹一层或二层高密度聚乙烯（PE）套管，就具有更高防护性能；④下锚索后可一次性全孔注浆，这样不仅减少注浆工序，而且即使没施加预应力，靠浆体和土体的黏结力也能起到一定的作用，这对于正在滑动的滑坡体加固是很有必要的。
图2-20 压力型锚索结构原理
图2-21 压力型锚索结构示意图
1—锚具；2—结构；3—油脂；4—注浆体；5—套管；6—锚索体；7—对中支架；8—波纹管；9—端部压板
3.荷载分散型锚索
上述拉力型和压力型锚索，都将预应力过于集中地传递给锚固段的局部部位，从而可能导致浆体拉裂。荷载分散型锚索，是将施加的预应力分散在整个锚固段上，使应力应变分散、减小，从而确保锚固体不受破坏。这类锚索多种多样，可分为拉力分散型、压力分散型、剪力型锚索和拉压分散型。
（1）拉力分散型锚索的锚索体均采用无黏结钢绞线，将处于锚固段中不同长度的无黏结钢绞线末端按一定长度剥除高密度聚乙烯（PE）套管（视土体承载力，一般剥除2~3m），即变为黏结段，当注浆固结后，锚索预应力通过钢绞线与浆体的黏结力传递给被加固体，从而提供锚固力，如图2-22所示。永久性拉力分散型锚索结构见图2-23。
图2-22 拉力分散型锚索结构示意图
图2-23 永久性拉力分散型锚索结构
1—锚具；2—垫座；3—涂塑钢绞线；4—光滑套管；5—隔离架；6—无包裹钢绞线；7—波形套管；8—钻孔；9—注浆管；10—保护罩；11—光滑套管与波形套管搭接处（长度不小于200mm）；
L1、L2、L3—1、2、3单元锚索的锚固段长度；Li—3单元锚索的自由段长度
（2）压力分散型锚索的锚索体也是采用无黏结钢绞线，较简单的压力分散型锚索结构是，在不同长度的无黏结钢绞线末端套以承载板和挤压套。当锚索体被浆体固结后，以一定荷载张拉对应于承载体的钢绞线时，设置在不同深度部位的数个承载体将压应力通过浆体传递给被加固体，这样对在锚固段范围内的被加固体提供被分散的锚固力，见图2-24。永久性压力分散型锚索结构见图2-25。
图2-24 压力分散型锚索结构图
（3）剪力型锚索也是荷载分散型的一种，它的结构是在不同长度的无黏结钢绞线末端用环氧砂浆黏结，靠剪力和压力将预应力分散作用于锚固段。
（4）拉压分散型锚索是在两根无黏结钢绞线下部剥除1~3m的PE套管，变成拉力型锚固段；在无黏结段上部安装可移动挤压套和承载板，变成压力型锚固段；在另外两根或四根或六根无黏结钢绞线上也按上两根那样处置，然后将它们编制在一起，编索时，无黏结段呈台阶状布置，可以提供比拉力分散、压力分散更为均匀的锚固力。
四、按外锚具的结构型式划分
（1）墩头锚：墩头锚是以高强钢丝作为预应力锚索材料的一种，属支撑式墩头的张锚体系。它依靠钢丝端部的墩头，支承于筛状孔的钢质锚具上，用油压千斤顶整束张拉，见图2-26。
图2-25 永久性压力分散型锚索结构
1—锚具；2—垫座；3—钻孔；4—隔离架；5—无黏结钢绞线；6—承载体；7—水泥浆体；8—注浆管；9—保护罩；
L1、L2、L3、L4—1、2、3、4单元锚索的锚固段长度；Li—4单元锚索的自由段长度
（2）OVM锚：OVM锚固体系由圆锥形夹片组、锚板、锚垫板、螺旋筋4部分组成，是目前用得较多的一种锚具，适用于钢绞线的根数为1、3、4、5、6、7、9、12、19、27、31、37、43、55，OVM锚固体系锚具的锚固效率系数高，锚固性能非常稳定、可靠，适应范围广泛，一般情况下一套锚具可锚固1~55根钢绞线，最多锚固钢绞线的根数已达到109根。可锚固直径分别为12.7mm、12.9mm、15.2mm、15.7mm、17.8mm、21.8mm、28.6mm的钢绞线。对应的千斤顶为YCW型。
（3）QM锚：QM型锚具是由锚板、夹片、锚垫板和螺旋筋组成，锚板由优质碳素钢制成，锚孔是直孔，夹片由合金结构钢制成，为三片直开式，铸铁锚垫板和螺旋筋与OVM相同，QM或GYM锚具的锚固原理、主要性能、特点与XM锚具基本相同，实属同一类锚具，见图2-27。近年来在水电工程中开始应用，最高单索吨位已达6000kN级。
图2-26 墩头锚具结构
1—底孔钢管；2—高强钢丝；3—钢垫板；4—铜垫片；5—锚环；6—钢丝墩头；7—锚环
图2-27 QM锚具组装图
1—钢绞线；2—夹片；3—锚板；4—喇叭管；5—螺旋筋；6—波纹管；7—灌浆管
（4）XM锚：XM锚具由锚板、夹片、锚垫板、喇叭管和螺旋筋组成，锚孔中心线的倾角为1∶20，锚板的顶面与中心孔垂直，夹片由合金结构钢制成，它是被铣成与钢绞线捻向成相反方向斜开的三片式尖片。XM型锚具由于锚固性能好、锚固效率高、张拉吨位可大可小，以及可以逐根张拉或分束、整体张拉等优点，在大坝锚固、岩质边坡锚固、预应力闸墩等方面广泛应用，目前单索吨位已达6000kN级（图2-28）。
（5）YM锚：该锚固体系（图2-29）由张拉端锚具（YM15/13锚具，BM15、BM13扁锚）、固定端锚具（H型、P型）、连接器（YML15/13）和波纹管组成。该锚固体系具有如下优点：应用范围广，可锚固标准强度为2000MPa及其以下级别的φ12.7、φ15.24钢绞线和标准强度为1670MPa的φ5、φ7高强钢丝束。可选择范围广，YM锚固体系适用于钢绞线根数范围为1~55根，在此基础上还可增加钢绞线根数，以满足设计要求。具有良好的放张自锚性能，夹片跟进平齐，夹持性能稳定，施工操作简便。锚固效率系数高，锚固性能稳定、可靠。
图2-28 XM锚
1—锚孔；2—夹片；3—锚环
图2-29 YM锚固体系
五、按锚索体种类划分
按锚索体种类分为钢绞线束锚索、高强钢丝束锚索和玻璃纤维锚索等。