（岩土工程专业论文）自锁型预应力锚索试验研究及设计.pdf

原创性声明 本人郑重声明： 本人所呈交麓学位论文，楚在导帮的籀导下，独立进行研究王 乍 所取得的成果。除文中已注明的内容外，本文不含其它任何个人或集 馋已经发表或撰麓麴作品或成果。对本文熙磅究骰爨重要贡麸豹个入 和集体，均在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：层文1 ； 日期：删年6 月j g 曰 铁道科学研究院硕士学位论文 摘要 预应力锚索锚固技术是现代锚固工程采用的重要技术手段之一，本文对当前普 遍应用的预应力锚索结构进行了综合研究，分析了其锚固特性、适用范围和存在的 问题，在此基础上，提出了自锁型预应力锚索的结构形式、白锁器的制作以及其自 锁原理。 合理力学模型验证现场试验是解决结构设计是否合理最好研究方法，锚固力学 模型是否合理将直接影响锚固长度的确定，进而影响到工程造价。通过自锁器的室 内自锁试验分析，得到自锁器的合理结构尺寸和自锁效果；现场试验数据的分析， 明确了自锁器自锁荷载与外施加荷载之间的关系、自锁荷载在注浆体中产生的压应 力影响范围以及注浆体与岩( 土) 体界面粘结应力分布形式。在试验基础上，建立 自锁锚固段应力控制局部变形的力学模型，结合测试分析自锁型预应力锚索的自锁 锚固段特征、自锁锚固力和自锁器的自锁锚固长度。 基于试验和理论的分析，提出了自锁型预应力锚索的经验设计法和自锁锚固段 应力控制局部变形法的设计程序。 关键词：自锁型预应力锚索，自锁器，自锁荷载，锚固长度，应力控制局部变形， 设计方法。 铁道科学研究院硕士学位论文 s e l f - a n c h o r e d p r e s t r e s s i n g c a h i e s e x p e r i m e n t r e s e a r c ha n d d e s i g n a 器s 玎陵f 蛇t i nm o d e ma n c h o re n g i n e e r i n g ，t h ep r e s t r e s s i n gc a b l e sa r ea d o p to fo n e o ft h ei m p o r t a n tt e c h n i q u em e a n s ，t h i sp a p p e rc o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e s0 n s 姚c t u r e so ft h ep r e s t r e s s i n gc a b l e st h a ta r ew i d e s p r e a d l ya p p l i e dr e c e n t l y , a n da n a l y s e st h e i rc h a r a c t e r i s t i c ，t h es c o p eo fa p p l i c a t i o na n de x i s t e n t p r o b l e m s o nt h e s ef o u n d a t i o n s ，s 拄鞋c so f t h es e l f - a n c h o r e dp r e s t r e s s i n g c a b l e s t h es e l f - a n c h o r e dm a c h i n ea n dt h es e l f - a n c h o r e dp r i n c i p l ea d e s i g n e d t h a tt h es p o te x p e r i m e n tv a l i d a t e st h em e c h a n i c sm o d e li sb e t t e r m e t h o dt os o l v et h e8 缸u c t u r ed e s i g nw h e t h e ri sr e a s o n a b l e ，a n c h o r m e c h a n i c sm o d e lw h e t h e ri sr e a s o n a b l ew i l li n f l u e n c et h ea n c h o rl e n g t h d i r e c t l ya n dt h ee n g i n e e r i n gb u d g e t t h r o u g ht h es e l f - a n c h o rm e r c h i n eo f i n d o o re x p e r i m e n ta n a l y s i s ，i tg e tr e a s o n a b l es t r u c t u r es i z ea n dt h ee f f e c to f t h es e l f - a n c h o rm a c h i n e t h ea n a l y s i so ft h es p o te x p e r i m e n t sd a t a ，e x p l i c i t l y f i n dt h er e l a t i o ns e l f - a n c h o rl o a da n de x e r tl o a d ，g e tt oi n f l u e n c es c o p eo f t h e p r e s ss t r e s si nt h ec e m e n ts l u r r yp i l l a ra n d t h ei n t e r f a c ec o h e s i v ed i s t r i b u t i o n o ft h ec e m e n ts l u r r yp i l l a ra n dr o c k ( s o i l ) m a s s e s i ne x p e r i m e n tf o u n d a t i o n ， e s t a b l i s ht h em e c h a n i c sm o d e lo f t h es e g m e n td i s t r i b u t i o no f s t r e s sc o n t r o li n t h es e l f - a n c h o rl e n g t h ，a n dc o m b i n ea n a l y s i so ft h et e s t i n ga n da t t a i nt o c h a r a c t e r i s t i co f s e l f - a n c h o rl e n g t h , s e l f - a n c h o rf o r c ea n ds e l f - a n c h o rl e n g t h 。 b a s e do na n a l y s i so fe x p e r i m e n ta n dt h e o r y , t h ep r o c e d u r eo ft h e e x p e r i e n t i a ld e s i g nm e t h o da n dt h es e g m e n td i s t r i b u t i o no f s t r e s sc o n t r o li n t h es e l f - a n c h o rl e n g t ha b o u tt h es e l f - a n c h o r e dp r e s t r e s s i n gc a b l ea r ep u t f o r w a r d k e yw o r d s ：s e l f - a n c h o r e dp r e s t r e s s i n gc a b l e s ；s e l f - a n c h o rm a c h i n e ； s e l f - a n c h o rl o a d ；a n c h o rl e n g t h ；s e g m e n td i s t r i b u t i o no fs t r e s sc o n t r 0 1 6 铁道科学研究院硕士学位论文 第一章概述 1 1 预应力锚索锚固技术现状与发展 1 1 1 预应力锚固技术发展现状 早在1 8 9 0 年，在北威尔士的煤矿加固工程中采用了钢筋锚固岩层的措施；1 9 1 1 年，美国首先用岩石锚杆支护矿山巷道：1 9 3 4 年，在阿尔及利亚切尔伐斯坝的加高 工程中，首先使用承载力为1 0 0 0 0 k n 的预应力岩石锚杆来保持加高后坝体的稳定， 在稍后的时间里，印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利 的斯布列希坝也同样采取了预应力锚杆加固；1 9 5 7 年法国b a u e r 公司采用土层锚杆； 1 9 7 4 年，纽约世贸中心深开挖工程采用了锚圃技术：为了保证9 5 0 m 长，0 9 m 厚的 地下连续墙穿过有机质粉土、砂和硬土层直达基岩的安全，开挖从地面以下到2 1 m 深，采用6 排锚杆背拉，锚固倾角4 5 。，工作荷载3 0 0 0 k n 。 我国举世闻名的三峡水利枢纽工程，为了保证船闸的安全，采用4 0 0 0 余根长 2 1 6 1 m 的预应力锚索，其承载力为3 0 0 0 l 【n ( 部分1 0 0 0 】( n ) ，和近1 0 0 0 0 0 根8 1 4 m 的高强锚杆作系统加固和局部加固。它对阻止船闸不稳定块体的塌滑，改善边坡应 力状态，抑制塑性区的扩展，提高边坡的整体稳定性发挥了重要作用。 随着锚固技术应用的发展，对锚固机理和锚固方法的研究也得到很快发展。研 究表明，拉力型锚( 杆) 索在受荷时，不能将荷载均匀分布于锚固段长度上，会产生 严重的应力集中现象。由于粘结剪应力分布的不均匀性，随着锚( 杆) 索上荷载的增 大，在荷载传至锚固段底端之前，( 杆) 索和注浆体或注浆体与岩土体界面就会发生 粘结效应逐渐弱化或脱开现象。为了从根本改善拉力型锚固方法的弊端，国内外已 成功研究了单孔复合锚固方法。该方法是在同一钻孔中安装几个单元锚( 杆) 索，而 每个单元锚( 杆) 索都有自己的杆体、自由段长度和锚固段长度，而且施加荷载也是 通过各自张拉千斤顶来完成的，并通过预先补偿张拉，达到有单元锚( 杆) 索承受相 同的荷载。这种新型的锚固体系，可将集中荷载分散为几个较小的荷载作用在锚固 段不同部位，使粘结剪应力峰值大大降低，因而单元锚( 杆) 索锚固段长度也变小， 不会发生粘结效应逐渐弱化，能使粘结应力均匀的分布在整个锚固段长度上如图 7 铁道科学研究院硕士学位论文 1 1 ，最大限度地调用了整个锚( 杆) 索的锚固段长度范围内岩( 土) 体强度，锚( 杆) 索承载力可随锚固段长度的增长而成比例的提高，与普通拉力型锚杆相比，承载力可 提高3 0 2 0 0 9 6 。 糟 埘 冀 瘟 为 稿簟宣力搬棚叠掌括斑由维盈童麓姐赞布 绷陡棚l 断 捌憎怕蕾埘f 图1 。1 单孔复合锚固型与普通拉力型锚杆的比较0 1 目前，单孔复合锚固已成功地应用于中国银行基坑支护工程、北京华澳中心基 坑工程、首都机场地下车库抗浮结构工程和北京虎峰山边坡工程。在中国银行大厦 基坑工程中使用的单孔复合锚固方法为一个钻孔内安放4 根单元锚杆，每根单元锚 杆的锚固长度为5 o m ，锚固段位于粉质粘土和中细砂层中，在1 5 0 0 k n 荷载作用下， 无异常变化。 瑞典和日本共同开发了在锚杆底端带有膨胀体的土中锚杆，在实际工程中也得 到应用。这种膨胀体的直径可达0 8 m ，它改变了摩擦作用的传力机制，大大缩短了 锚固段长度，具有多方面的优点。台湾在砂性土抗浮工程中，应用了底端扩成圆锥 体的锚杆，底端可形成直径为0 6 m 的锥体，当锚固长度为6 l o m 时，锚杆的极限 承载力达9 6 0 1 4 0 0 k n ，可比直径为1 2 c m 的圆柱形锚杆承载力提高2 3 倍。 随着锚固技术的应用和研究不断深入，我国相继颁布了水工预应力锚固设计 规范( s l 2 1 2 - 9 8 ) 、锚杆喷射混泥土支护技术规范( g b 5 0 0 8 6 2 0 0 1 ) 、建筑边坡 工程技术规范( g b 5 0 3 3 旷2 0 0 2 ) 和土层锚杆设计与施工规范( c e c s 2 2 9 0 ) 等技 术规范“”，为锚固技术的进一步研究和推广起到了积极推动作用。 1 1 2 预应力锚固技术存在的问蹶 随着我国基础建设规模的日益扩大，我国在铁路、公路、水利等方面都迎来空 前的建设期。特别是我国西部地区多为山区，在进行建设过程中，存在大量的地质 灾害问题，而预应力锚索作为一种重要的锚固支护技术，广泛地应用于地质灾害加 固的各个领域，部门涉及水利水电工程、铁路、公路、煤炭、工业与民用建设等， 它在改善岩( 土) 体应力状态，提高岩( 土) 体的整体性、承载力及稳定性等方面 铁道科学研究院硕士学位论文 已为大量的工程实践所证实。但由于预应力锚索作用机理十分复杂，影响因素众多， 目前关于预应力锚索作用机理的研究尚处于初步阶段，现阶段有关预应力锚索的设 计理论远远满足不了工程实践的需要，其主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 预应力锚索破坏特征及极限抗拔力问题旧 目前相关的设计理论简单地假设破裂面为直线型破裂面，采用基于m o r e - c o l u r b l e 准则的极限平衡原理进行极限抗拔力计算，而侧阻力则简单地取岩块无侧限抗压强 度的一定百分比或平均粘结应力来确定。事实上，自然界中存在的岩体普遍存有节 理裂隙、断层、层理等软弱面或不连续面，使得大部分岩体失去了连续性，同时岩 体受风化程度的影响各不相同，其强度参数常常表现出了很大的差异性。i t o e k - n v 哪 准则更加适合于描述岩体破坏特性，因为它能综合地考虑岩体类型、破坏程度、风 化程度以及无侧限抗压强度等多种因素的影响，以此为基础确定的锚固段极限粘结 应力更合理。而众多室内模型试验及原位试验表明：锚固段的破裂面是复合型破裂 面，它受多种因素的控制，破裂面形状直接决定了锚固段的极限抗拔力。因此建立 破裂面形状的合理形态，同时采用基于l t o e k - b r o m 准则的锚固段极限粘结应力计算方 法对于确定锚索极限抗拔力，进而计算锚索锚固段长度等都具有重要的工程意义。 ( 2 ) 锚索锚固段粘结应力分布规律问题 在锚索设计中假设锚索粘结应力沿锚固段均匀分布，但大量的实测结果表明； 锚固段侧阻力不是均匀分布的，而是在其前段形成峰值，然后逐步向末端减少并最 终趋近于零。按照均匀分布模式计算是不合理的，有时甚至是不安全的。因此，合 理地确定锚索锚固段的粘结应力分布特征，建立正确的力学模型，对于正确认识预 应力锚索作用机理具有重要意义。 ( 3 ) 施工工艺问题 岩土锚固工程的施工工艺大致分五个部分：钻孔、锚索制安、注浆、反力结构 和张拉封锚。现有的预应力锚索结构各种类型，主要区别在于锚索制安工艺上，张 拉工艺上存在一定差异，但由于反力结构的施工基本一致，不仅施工难度大，又使 工程工期长，同时在特种抢险工程中还极不安全，在现场工程实践中急需改进。 ( 4 ) 应力场分布问题 目前工程实践中预应力锚索结构类型的区别主要体现在锚固段的受力方式上， 而反力装置基本上都呈集中力的分布方式。当锚固工程浅表层的岩( 土) 层性质比 堡堕型堂婴壅堕堡主堂堡垒壅 较松散时，为了保证锚固效果，只有降低单元锚固荷载或提高反力结构基础的强度 指标。因此，目前应用的锚固结构型式仍存在局限性。 ( 5 ) 工程整体效果 目前应用的锚固结构形式，表观工程( 即反力装置) 人文成分太多，有时甚至 存在缺陷( 例如：反力结构的外观效果影响整体工程效果；内嵌式反力结构增大工 程开挖量，影响周围岩层稳定性；外露式反力结构在下部岩层开挖爆破时容易受到 破坏等) ，直接影响了锚固工程的整体效果。 ( 6 ) 经济效益 目前工程实践中的锚固结构形式，反力结构的严格要求导致工程造价增高，施 工难度增大，工期延长，安全隐患增多，而且不利于文明环保，所以其综合经济效 益指标仍值得提高，探索更具有实用性、安全性和经济性的锚固结构形式更有必要。 1 2 选题依据及研究意义 由于目前应用的预应力锚索尽管结构形式多样，锚固段的应力场分布也不尽相 同，但其反力结构的应力场却基本一致。本课题根据对已有预应力锚索破坏特征及 极限抗拔力和锚索锚固段粘结应力分布规律资料的研究和总结，提出自锁型预应力 锚索新型结构。新结构主要在反力结构上进行改进，通过改进锚索结构形式，充分 发挥自由段岩( 土) 体的强度，依靠自由段孔周围岩( 土) 体提供预应力锚索的锚 固抗力，从而降低或抵消反力结构所承担的锚固抗力，即使预应力锚索的整体应力 场更趋均匀分布，避免应力集中所引起的安全隐患，降低对反力结构的强度要求或 直接取消反力结构，达到降低施工难度、增强安全稳定性、加快工程进度、减少工 程造价和利于文明环保的目的。 1 3 选题研究主要工作 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 2 1 ) 自锁型预应力锚索的自锁单元锚固段传力机理； ( 2 ) 反力结构上的荷载与自锁荷载之间的传递规律； ( 3 ) 自锁器的结构设计方案； 1 4 本文研究关键技术及技术路线 1 4 1 本文研究关键技术 1 0 壁鎏跫兰墅塞堕黧生堂垒鲨奎 羧器本竣硬究王终熬要求羧薅决鑫镂垄鼗瘫力锤素螽下关键菝零： ( 1 )自锁黧预应力锚索的自锁器自锁效率，自锁锚固段注浆体和岩( 土) 体 界面粘结应力分布情况； ( 2 ) 魏嚣糕惩密( 主) 傣黪毪帮注浆挂瓣寒设诗鑫锬灌羧壅为镄襄舞铰器夔长 度和承载力； ( 3 ) 根据试骏中自锁型预殿力锚索外加荷载和自锁荷载变化关系，旗定自锁型 预瘦秀潼素懿鑫镁麓羧纛鑫铰效袋熬将莲； ( 4 ) 根据试黢研究建立自锁型预应力锚索的力学计算模型，并与熟试验拟合比 较分析； ( ) 撵塞设诗鑫镆鍪羲& 力镶索貔撬疆、稷数、长度及疆蠢段长发戆方法。 t 4 2 本文研究技术路线 荫先建立自锁溅预应力锚索的自锁锚固段力学模型，邋过现场试骏，测试取得 禳关参数，逶窍壤谂分褥，探谬鑫镀墼羲痿方镰索在工终凌态下懿痘秀分衣薄嚣， 提出单根自锁型预威力锚索的设计方法。其中关键是自锁器的设计，自锁器锚固性 能为自锁型预应力锚索的承载力、自锁锚圃段的受力状态、自锁型预威力锚索的设 诗及藤工工艺器供搽_ l 菱。麦了逮受蠢镬墼赣蔽力锈索试验缭杀毒磊较大鹣离数洼， 在同一地层中采用了参数( 承载体间距、自锁器间距、锚索单元长度、钻孑【直径) 均 相同的三个自锁器单元进行现场试验。 ( 1 ) 瑗弱试验骥笼 1 、自锁型预应力锚索这种新挺结构形式黼要解决的问题是自锁器的自锁效率以 及自锁嚣自锁锚固性能，自锁即将锚索的拉力转化为对注浆体的压力，i 鼹过注浆体 与装( ) 俸器瑟耘结应秀传递绘岩体，实瑷自锬器鸯镁镶弱者( 主) 热嚣戆。在 借签蹦内外相关装鬻与锚具配件的基础上，独立研制和设计了自锁器的结构和相关 配套拇件。 2 、出于啻锁攒鞭摩力锚素奎簧应建予务癸装体孛，镭索在不霞毅爰褥薮下耨表 现出的自锁荷载特性是反映其锚固性能的一项重要指标，因此对锚索：i 邑行了循环加 载试验，观测锚索煦墟加荷载一自锬器自锁葡羧变化关系，进而了解自锁型预应力 锫索农不磊荷载条传下黪垂铰黪谯。试验不傻梭验了自镁嚣蠡每效莱、缡褥形式懿合 理性殿自锁型预应力锚索的承载熊力，而且墩验证了锚索构件( 特别是融锁器) 、张 壁遵型堂竺壅堕堡主堂壁垒壅 弦设餐、跨护系统、镬索缀装及麓王工艺貔逶溪毪； 3 、通过在自锁单元注浆体中的应力计来测量注浆体威力，测量各自锁单元锚固 段在自锁荷载作用下注浆体内的轴向应力分布，借以探索囱锁型预应力锚索的传力 疆麓霸注浆薅与爨( ) 嚣器甏凝结应力豹分奄，搽讨鑫谈壅羲应力镪索嚣垂铰镬 固效果，并根据力学平衡原理，通过注浆体的应力推导出自锁单元注浆体与岩( 土) 体界黼粘结应力分布。 4 、禳蕹瘦力测试缝暴，探涎锈素篱垂铰綮载在自镂镶骥段注浆薅内戆应力及影 响范豳，为自锁单冗锚固长度及自锁器个数的设计提供分析依据。 ( 2 ) 自锁器的囱锁锚固段粘绪应力分布分析 镶索褡与注浆髂：赛覆获及淫浆褡与表( 主) 俸器霭耘镶应力分毒一塞是辖关磅 究者十分关注的研究课题，对探索预应力锚索的锚固机璎及其锚固性能有重要的作 用，对自锁型预应力锚索也是如此。自锁型预应力锚索由笼粘结钢绞线组成，锚索 俸与矮蠢注浆嚣楚予不靛结获态，哭在注浆体每岩( 主) 髂赛嚣上骞鞑络应秀努毒。 本文分别采用了弹性力学和局部变形假定( 即凛于w i n k l e r 假设) ，对锚索自锁器的 自锬搿载与注浆体截面应力及耢( 土) 体粘络应力分布情况进行了分析，探讨自锁 鍪预寂力锤索戆囊铰经震，荠镑瓣岩( ) 髂性爱熬交识瓣其蕤蘩瘦力努毒豹彰壤 进行初步探讨。 ( 3 ) 提出自锁溅颥应力锚索的基本设计方法 纛参考謦蠹岁 耀关研究及设诗或栗垂孽基懿上，并绩翕瓒场试验臻究残莱，挺壅 了单根自锁型预应力锚索的经验设计方法及旗子应力控制局部变形设计方法。 1 2 铁道科学研究院硕士学位论文 第二章自锁型预应力锚索结构设计 2 1常用预应力锚索的结构形式及其特点 随着岩土锚固工程深入发展，最近涌现出许多新型锚索结构，这无疑绘岩土锚 固工程提供了更多选择。在工程锚固设计选用锚固手段时，既要了解各种锚索的共 性，更要了解它们的特性。锚索共性可概括为主动加固、超前支护、可以控制深层 岩体滑动、能随机补强、灵活支护。凡锚索都可以控制岩( 土) 体的变形，改善岩 ( 土) 体的受力状态、提高岩( 土) 体的强度，促进岩( 土) 体的稳定性。但是由 于锚索结构的不同，加固岩( 土) 体的效果就不同，适应岩土周围环境的能力也有 差异。为了更好地发挥锚索在岩( 士) 体锚固中的作用，很有必要了解各种锚索特 性和其适用条件，下面是常用的预应力锚索进行系统的介绍。 2 。1 1 全长粘结型预应力锚索 全长粘结型锚索的典型结构如图2 1 所示。这种锚索在我国及世界上应用得最 早、最多、最广，至今仍在许多大型边坡锚固工程中应用。这种锚索锚固段处于岩 ( 土) 体深部相对完整、稳定的岩体中，张拉时注浆体受拉，归类于“拉力型锚索”。 锚固段有两种组装形式：图2 1 a 所示为直线型( 整根钢绞线无弯曲) ，图2 1 b 为枣 核型( 钢绞线编织为枣核型) 。实践证明，同样长度的锚固段，枣核型受力更合理、 锚固力更大，目前工程应用较普遍。 6 锚头防腐件7 锚墩8 锚垫板9 注浆体 圈2 1 a直线型全长牯结锚索结 铁道科学研究院硕士学位论文 6 锚头防腐件7 锚墩8 锚垫板 9 注浆体 图2 伯枣核塑全长轱结锚索结构 全长粘结型锚索具有控制岩体变形能力：锚索体与岩( 土) 体是两种力学性质 差别很大的材料，注浆体作为中间介质把两者粘结起来，共同工作、协调变形，依 赖锚索体的拉力来控制岩( 土) 体的变形。如果锚索穿过的滑动面产生了滑动，锚 索将调动锚索设计的安全储备，在限制岩( 土) 体滑动的情况下，局部应力提高， 直至储备应力耗尽。如果设计安全系数为2 ，这时的抗滑力相当于安装锚索时抗滑 力的一倍。在破碎块状岩体中，粗看起来注浆体只能把锚索附近的岩块粘结起来， 然而岩块之间有一种相互咬合的镶嵌作用，这种相互咬合的岩块与其粘结在一起的 锚索体作坚固支撑，共同形成一定支护作用的“结构”，维持岩体稳定。 全长粘结型锚索受力的局部完整性：法国联邦预应力协会( f e d e r a t i o ni n t e r r a t i c n a l e d e l a 阡e 0 0 n t r a j n t e ) 收集了3 5 例锚索破坏实例，几乎全部是非粘结型锚索。这并 不说明全长粘结锚索没有破坏的，只是由于这种锚索受力的局部完整无从知晓。无 论什么原因造成锚索在某处断裂，钢绞线和岩( 土) 体被注浆体粘结为一体，锚索 对岩( 土) 体的锚固作用仅影响断裂面附近的较短长度范围内( 影响的距离与岩体 强度有关) ，其余的锚索长度仍正常工作，并不受局部锚索断裂的影响。根据受力局 部性特点，全长粘结预应力锚索的外锚具可以去掉( 土和强风化岩除外) 。实际上， 工业与民用建筑中许多预应力钢筋混凝土根本不用外锚具，例如预应力混凝土屋面 板的所有预应力钢丝都不安装锚具，很多先张法预应力混凝士构件甚至桥梁也不安 装锚具，也能保证锚固效果。 2 1 2 压力分散型锚索 水泥注浆体是脆性材料，其变形与锚( 杆) 索极其不匹配，在岩( 土) 体中， 拉力型锚索在锚固段与张拉段的交界处容易产生裂缝甚至破裂，而压力分散型锚索 丛数望堡塞堕堡圭黧堡笙兰 是获镭氛痰帮善入，窳淀注浆钵焱蹙歪力，不套产生裂缝或殍爱。簌镶索防护霜度 看，压力型锚索是一种比较合理的锚索结构。 由予压力型锚索的拉力是通过承压板挤压淀浆体，注浆体的受力面积( 与钻孔 瑟获穗镣) 帮强凌决定了锚索设谤渡力静犬夺、经济往巍霉搽终往。在镳琵嚣积不 可能无限大，注浆体强度不可能溅限增大时，对大吨位荷载的作用，锚索设计的拉 力较大时，为防止浆体压碎，保诚钻孑l 的经济憔，目前工程营遍采厨压力矜散型锚 索。葭2 + 2 是典鍪瓣趱力分散墼镰索结稳，镰：黎髂圭无藉缭键绞线、承载髂稼镭头 等组成。这种锚索是把压在一个淀浆体上的集中力压在2 段涟浆体上，以使减小承 压板对淡浆体的压力，把压强限制程注浆体的挽压强度允许髓鼠之内。设计分级单 元个数濑锈索设诗羧力豹大小、滚浆体静莸嚣强度帮岩( ) 俸淫霞决定簸。锈索 施工规范仍要求无粘络锚索的钻孔内注满水泥浆。这时注浆体作用：一怒作为把钢 绞线的搬力传递给钻犹周围岩( 士) 体的中间介质；二是对隰离层起保护嗣增强作 用。 6 锚头防商件7 锚墩锚蛰板9 注浆体1 0 承载体 望乞2 盛力努教塑无皴缱镪素结构 6 压力型锚索特点：锚固段注浆体受压，受力照合理，锚索的拉力经由孔底的承 压扳转换为对钻孔注浆体的压力，注浆体豹受力状态是剪压，不会出现按裂缝，有 秘手锚索防腐。在鹾力作用下注浆髂淘周嗣的变形被链琵张爨鞭髓，其强发实际上 是有侧限的抗压强度，尽管侧限力的大小无法预估，抗压强度的提高值秃法计算， 毕竟锚阑单元受压，冀受力更合理。 镭豢承载体分散受力：锚索的羧力被位于赣魏不同深度靛氏个承载傣黎黼承疆， 不仅大大减小了注浆体的压力，也大大减小了浪浆体与孔壁闷的剪力集中，这种锚 壁望型兰堡窒堕堡主兰垡丝苎 索特别有利于抗剪强度不高的软弱岩体和某些土层的锚固，使得注浆体与岩( 土) 体界面粘结应力得到充分利用。 锚索预应力的可调性：非粘结预应力锚索都能够调节预应力大小，但是正常调节 预应力方法不是把夹片从锚头中拔出，而是用螺帽法或者用调整垫片法整体调整张 拉段长度，达到调整锚索预应力的目的。对于压力分散型锚索，由于自由段长度不 等，只能按锚索的张拉程序，依照自由段长度进行分组，用超张拉的方法把锚片从 锚头中拔出，更换锚片在钢绞线上的咬合位置，调整张拉段的长度，达到调整锚索 拉力的目的。 2 1 3 拉力型非粘结锚索 典型的永久性拉力型非粘结锚索的结构与拉力型锚索相似，锚固段都是由钢绞 线与注浆体粘结应力提供，不同之处在于拉力型非粘结锚索有由无粘结钢绞线组成 的自由段，不同于粘结型锚索全长粘结。对于永久性拉力型非粘结锚索的结构一般 至少有两层隔离防护措施：在张拉段和自由段由波纹管和p e 套管组成，在锚固段钢 绞线的p e 管已剥去，组成锚索锚固段的隔离防护层由外面的波纹管和钢绞线上的环 氧涂层组成。如果锚固段钢绞线不涂环氧涂层，则锚索锚固段必须再加一层波纹管， 两层波纹管组成的锚固段双层隔离防护。拉力集中型无粘结预应力锚索，锚具的有 效使用期与锚索及锚固工程相同，并且要求抗震、抗疲劳。锚具的破坏就意味着锚 索失效，直接威胁工程的安全，因此使用期要对锚具妥善保护。 鉴于锚具对无粘结锚索的重要性，对于特别重要的工程需要采取特殊施工措施， 如三峡水电站对3 0 0 0 k n 无粘结锚索采取在组装锚索时将张拉段钢绞线上的p e 套管 多剥除3 m ，并洗净油脂，锚索组装不变，施工工艺不变，在锚索注浆时分两次进行， 第一次仅注距孔口3 m 以内的部分，待锚索张拉和预应力调整后，再将钻孔其余部分 注满。锚索孔口附近3 m 的粘结长度的粘结段能大大改善锚具长期工作的受力状态， 滑移面在岩体深部，孔口3 m 的粘结长度也不影响整体锚索自由伸缩性，只是自由段 减少3 m 而已。 对于岩( 土) 体的微小变形可通过锚索自由段调整应力，无论锚索的拉力如何 变化，始终保证锚索的所有钢绞线的拉应力大致相等。当岩体变形较大时可根据需 要随时调整锚索拉应力大小，调整锚索拉应力时可以采用垫片法或螺纹法，无需改 变夹片对钢绞线的咬合位置，不会增大钢绞线的损伤。 1 6 壁堕登兰堕壅堕堡主堂垡堡壅 2 1 4 拉力分敢型臻应力锚索 拉力分散型锚索属于无粘结锚索的一种，与拉力集中型非粘结锚索相似，只是 增加了多个不同的粘结单元，锚固段结构如图2 3 所示，也是近几年出现的新型锚 索结构。拉力分散型锚索主要是减小锚固段注浆体的拉应力集中，避免注浆体产生 拉裂缝。但这种锚索锚固段受力状态与二次灌浆锚索不同，二次注浆，先注锚固段 浆体，受力最大的地方是注浆体自由面，张拉时注浆体无约束，易产生裂缝；拉力 分散型锚索是钻孔全长一次注浆，张拉锚索时受拉的注浆体没有自由面，因而也没 有浆体开裂空间，锚固段的破坏最可能是钢绞线从注浆体中拔出，由于滑动前要使 得水泥浆体产生剪胀，水泥浆体处于三向受力状态，其锚固效果要比二次注浆拉力 型锚索好得多。 、 ，一。， ， ， ，。户， 、 8 譬s h 】利llilll 1 ? 11 弋2 1 3 1 7 、l4 1、 围 、 、可 ， 图2 3 拉力塑无粘缩锚索结构 拉力分散型锚索的特点：与压力分散型锚索比较，结构和施工都相对简单，没 有承压板和挤压套；与拉力集中型锚索比较，把注浆体的拉力分散到处于钻孔不同 深度的若干注浆体上，既减小了注浆体上的拉力，也提高了锚固段利用率。由于注 浆体与孔壁问岩( 土) 体界面粘结应力传递长度是有限的，因而拉力集中型锚索主 要依赖加长注浆体长度来平衡锚索拉力，不可避免的存在不受力的无效锚固段，远 不如把拉力分散到几段注浆体上。特别在在软岩、破碎岩体和土体中，注浆体与孔 壁岩( 土) 体界蕊粘结应力控制锚固段的设计长度，锚索拉力的分散可将注浆体和 孔壁接触面积大大增加，降低了接触面上粘结应力。 在设计中应该注意由于拉力分散型锚索属于无粘结锚索，对锚具要有抗震、抗 疲劳和长期使用工程中妥善保护的要求。长期使用也会出现各钢绞线受力不一致的 现象，调整锚索拉力时同样可以采用更换夹片夹持钢绞线位置的方法，只是钢绞线 】7 堡堂型堂堑塞堕堡主堂垡笙塞 损伤程度有所加大。 2 1 5 拉压复合型预应力锚索 拉压复合型预应力锚索也是近几年出现的一种新型的锚索结构，承压板与可移 动挤压套共同构成压力型锚固部分，承压板以内的裸露钢绞线构成锚索的拉力型锚 固部分。拉力锚固段可以组装成直列型，也可以组装成枣核状。当作用力相同时， 承压板压缩注浆体的压缩变形要小于钢绞线从注浆体拔出来的拉伸变形。所以压力 锚固部分与压力型锚索不同，挤压套可以移动，张拉锚索时，首先是拉力部分受力， 当挤压套产生一定位移后承压板才受力，挤压套移动的距离决定压力部分和拉力部 分分别承担锚索拉力的比例。 拉压复合型预应力锚索的特点：锚固段的受力合理，无论拉力型锚索和压力型 锚索注浆体与孔壁甸粘结应力分布都不均匀，而且传递粘结应力长度也不大，岩( 土) 体强度越大表现越突出，因此锚索的锚固段有相当长的区段是不受力的，称为无效 锚固段。对于同样的锚索设计承载力、同样的锚固长度来说，锚固段注浆体分为拉、 压两部分，既提高了锚固段利用率，又降低了注浆体和孔壁间的粘结应力峰值。 拉压复合型锚索的受力特点与拉力集中型无粘结锚索相同，调整锚索拉力方便， 适应岩体变形能力强，长期工作状态不会出现各根钢绞线受力不均匀问题，特别适 用于观测锚索锚固力变化及大变形岩体加固。当承压板的压强超过注浆体抗压强度 时，就要选择分散拉压复合型锚索。 当锚固段采用分散拉压复合型时，除了锚固段利用率高、粘结应力峰值降低外， 锚索的拉力分配到钻孔的不同长度上，在软岩、破碎岩和土体中也增大锚索的设计 拉力，同时产生了与压力分散型锚索相似的弱点，调整预应力时容易产生对锚索的 损伤。 拉压复合型锚索的关键是可移动挤压套移动量的设计，它决定钢绞线拉力在锚 圃段拉压部分的分配比例，如果挤压套不能移动，锚索的拉力绝大部分由承压板对 注浆体的压力承担，拉力部分只承担很小的力；相反，如果挤压套移动量过大，承 压板受力很小，甚至成为拉力型锚索。因此，必须在有代表性的岩( 土) 体内作出 锚固段拉力一位移曲线，由于锚固段的拉伸变形和压缩变形一般情况下是不同的， 所以还必须作出锚固段的压力一位移曲线。根据这两条曲线设计可移动挤压套的允 许位移，达到锚固段拉压部分合理分担锚索拉力的目的。 铁道科学研究院硕士学位论文 结应力分布如图24 所不： 圈2 4 各种嘲l 索锗圄段粘缩应力分布，侈| 式 拉力集中犁和压力集中型的锚索锚周段粘结应力分布很集中，受力不合理；拉 力分散型和压力分散型的锚索锚固段粘结应力分布相对较均匀，受力趋于合理；而 拉压复合型锚索受力就变得合理了，但结构较复杂。因此，需要改进常用的锚索结 构，开发新型锚索结构，使得锚索受力合理，结构简单，便于施工是很必要的。 2 2 自锁器设计的基本原理和室内试验 目前应用的预戍力锚索尽管结构型式多样，锚圃段的应力场分布也4 i 尽相同， 但其反力结构的应力场却基本一致，都是由坡丽作反力结构。根据常用的预麻力铺 索结构形式，本课题在类似于承载体l - z 基础上自行设计了白锁器结构。 基本设计原理：在自由段错i ：j 1 = 设置自锁器的反力承载体并提高其强度标准( 同 时保汪能挤进夹片) ，在反力胆载体j ：预先安装夹片，并采用钢质限位片防止张拉过 程中夹片脱落和从承载体中拉出，从而达到分级张拉、自由段内部锁定、降低反力 结构标准或取消反力结构的目的。首先将自锁器夹片安装到位并固定，从而保证张 拉过程中钢绞线的申向位移，实现臼锁，伸入端部的注浆管在钢管内开厂】，l 刊时将 注浆管的端部用胶带封住，预应力锚索注浆完毕后，立即刘补浆管进行补浆，补浆 压力大于注浆压力约0 2 m p a 。通过分单元张拉，使自锁器内的夹h 发挥自锁作用( 根 据地层情况及反力结构情况，可一次张拉或分单元张拉) ，张拉加压过程中，反顶帽 通过后端浆液凝固体提供反力，千斤顶卸荷后通过自锁器的自锁作用，锚索的拉儿 璧孽型堂婴窒堕堡主鲎堡堡苎 出承载体转纯为对事嚣餐承泥柱压力，并将压力传递绘钴孔爝围岩( ) 髂。自锬型 预应力镭索结构实质上为双锚圈段受力模式，虽其工艺简单，施工便捷。 图2 5 自锁型预应力锚索锚圃原理 臻纛力锤索键霆琢淫懿銎2 5 ，与其蘧镶索赡秘摇毙，褒镁型预应力键索主要杰 反力结构上进行改进，增了加自锁器，通过自锁器岩( 土) 体充分发挥自身的强度， 依靠自融段钻孔周围岩( 土) 体撮供预应力锚索的铺同抗力，降低或消除反力结构 鹳链戮拣力，技露瀛小凌去莓皱繇反力续魏。镶霉挠力遥过老( ) 薅鹃扩鼗俸爱， 预应力锚索对岩( 土) 体的应力场趋于均匀分布，利用此应力场来锚圃不稳定的岩 ( 土) 体，既避免应力集中所引起的岩( 土) 体强度不够，又降低反力结构要求或 壹搂取瀵反力蘩稳，达委降糕藏王避度、鸯羹抉互程速度、减少工程造价帮穗子环保 的目的。 2 。3 内镀型预废力锚索细都构件设计 对予宦镇壅亍委瘦力锚索静结橇设诗主要毽禚：蠡镁锚霞黢塞锁器、镶黼段设诗 和外锚头及结构形式设计。本文主鼹是利用岩土( 体) 自身强度特性来设计机械武 自锁器结构。 2 3 自锁型预寂力镟索自锁器缩稀设计 自锁型预应力锚索自锁器铺因段结构：机械式自锁器见网2 6 。 圈2 。6疆撼式自镂攥示蠢蠢 自锁锚固段自锁器设计的材料选取及确定： 铁道利学研究院硕士学位论文 导向钢管；6 = 5 m m 厚钢管，管径根据钻孔孔径确定，= 办1 一2 0 。钢管内壁 车丝，前端加工成楔形状，后端距离端部6 c m 处加工成小台阶，台阶错台高约3 r a m ， 并在台阶至端部的表面加j ：成螺旋反丝。 钢管扣帽：6 = 5 m m ，与钢管配套，底板中部穿孔与架线环相同，帽壁内侧加工 成与钢管前端衔接的喇叭f 1 状。 承载钢板：类似于锚具，中间穿孔方式与架线环相同，另加一个补浆管孔，同 时沿着周边设置3 个中5 r a m 螺栓孔，而且中间有两个对称i l 加工成梯形( 与锚具孔 眼相同) ，钢板厚约5 c m ，钢板外径与钢管后端内径相同。 限位钢板：厚约1 0 m m ，孔眼布置方式与承载钢板相同，同时将与承载钢板上 梯形孔对应的孔改为普通孔。 图2 7 承载钢板图2 8 限位钢板 连接螺栓：螺杆直径巾5 m m ，长1 0 c m ，用于连接固定承载钢板和限位钢板。 反顶帽：与钢管后端联结，并紧贴承载钢板，6 = s m m ，帽壁高约5 5 r a m ，底板 中部穿孔与架线环相同，另加一个补浆管孔和3 个螺杆穿出孔，帽壁内侧加工成与 钢管前端衔接的螺旋正丝。主要用于夹片反向位移限制。 补浆管：穿过反顶帽和承载钢板进入钢管内部，孔径中2 5 m m 。 为了确定自锁器的自锁效果，在福建1 2 1 煤田地质大队进行了第一次试验： ( 1 ) 加工锥形孔顶端最大外径为中2 9 m m ，自锁器夹片为0 v m 锚具夹片； ( 2 ) 首先将千斤顶伸长一定行程，目的是以便卸锚。在安装好承载钢板夹片后， 直接用于斤顶张拉，达到夹片刚好与承载钢板相平，停止千斤顶的张拉，此时油压 表读数为5 5 7 d p a ，即可以认为是反顶压力。卸锚后，在承载体夹片后安装反顶钢板， 同时反向加载至最大荷载5 n a 时，钢绞线刚出现较大位移时，千斤顶的行程为 铁道科学研究院硕士学位论文 1 0 2 r a m ，原始千斤顶的行程为8 4 r a m ，因此确定了反张拉钢绞线刚好通过夹片的拉力 为5 m p a 。打开反项钢板发现，钢绞线出现较大损伤如图2 9 和2 i o ； ( 3 ) 在同一位置进行第二次试验，油表读数为4 4 m p a ，夹片开始向孔内沉陷， 停止张拉。但反张拉时，发现油表读数在3 m p a 左右摆动，而钢绞线一直伸长，打开 反顶钢板，发现钢绞线滑痕更严重，并且夹片中出现粉状钢屑； ( 4 ) 在进行第三次试验，加大荷载至5 8 m p a ，承载钢板的夹片沉陷进入l m m 停i 上，安装反顶钢板后，反张拉加载至2 8 m p a ，钢绞线外伸位移增大，初始千斤顶 的行程为9 2 m m ，钢绞线刚出现较大位移时，千斤顶的行程为1 0 3 5 m m 。继续加载时， 荷载达到2 m p a 左右，钢绞线出现滑动。打开反顶钢板发现明显滑痕，夹片内有更多 残存的钢屑粉。 图2 9 钢绞线损伤前图2 1 0 钢绞线损伤后 从试验可以得到以下结论： ( 1 ) 承载钢板的锥形孔需要增大，确定具体尺寸； ( 2 ) 重复张拉效果刁i 好，容易使钢绞线严重损伤，特别是反顶荷载较大时，钢 绞线损伤更加严重，锚具的夹片内的钢屑粉也影响锚同效果。因此，最好是确定合 适的反顶荷载，进行一次性张拉； ( 3 ) 在进行重复正向张拉，总能使钢绞线锁紧，但是在实际钻孔中张拉后，自 锁效果如何，有待进一步验证。 从以上试验和分析，提出以下的试验改进方案： 从正向张拉试验来看，只要锚具夹片能与钢绞线紧密接触就能实现自锁，而且钢 绞线不出现滑动或有很微小的位移：在反向张拉时，只要保证夹片不能和钢绞线一 起移动就可以实现锚具夹片与钢绞线紧密接触。直接通过螺杆的压力，利用反顶钢 2 2 铁道科学研究院硕士学位论文 板将夹片压入锥形7 l 内，使其与钢绞线紧密接触，既能保证钢绞线在反向张拉时减 少钢绞线损伤，又能实现自锁。 改进自锁器的尺寸：改变承载钢板的锥形孔最大直径，扩大为3 0 r a m ，夹片刚好 外露l m m ，直接拧紧巾1 0 的螺杆使反顶钢板受力将夹片压入锥形孑l 内，保证钢绞线 与夹片接触紧密。进行正向锁定试验，钢绞线在自锁器中能实现自锁，且不出现滑 动或只有微小的移动现象。反向张拉试验钢绞线能够自由移动，且损伤微小，使得 张拉完毕后预应力损失很小，试验结果反顶荷载为8 0 k n 。 通过自锁器效果试验可知：要达到良好的自锁效果，必须使得钢绞线与夹片接 触良好，保证正向锁定不滑动，又能够在反向张拉不损伤钢绞线或损伤很微小。现 场试验采用由1 5 2 4 强度级别1 8 6 0 n m m 2 无粘结低松弛高强钢绞线，结果表明，自锁 器的承载钢板锥形孔口最大直径3 0 m m ，反顶荷载为8 0 k n 左右。 由于水泥注浆体是脆性材料，其变形与钢材极其不匹配：在较完整的岩体中， 拉力型锚索的锚固段与张拉段的交界处容易产生裂缝甚至破裂，在软岩、破碎岩和 土体中，锚固段水泥柱体甚至将被拉断，在钢绞线上形成不连续的短柱体。无论哪 种情况，锚索将可能会在关键部位失去防护而影响使用寿命。自锁型预应力锚索结 构能克服以上缺陷，图2 1 1 是这种锚索的典型结构，锚索体的钢绞线主要由无粘结 钢绞线、承载体及自锁器等组成。 1 导向帽2 支架3 无粘结钢绞线4 ：l 壁5 锚头6 锚头防腐件 7 锚墩8 锚垫板9 自锁锚头1 0 注浆体1 1 ，自锁器 1 2 承载板 图2 自锁型预应力锚索结构 自锁型预应力锚索是通过自由段锚索的拉力被自锁器的承载钢板及内锚固段承 铁道辩学研究硫酸：t 学谴论文 载体传递到注浆体上，承混柱与孔壁岩( 土) 体界颓糙缝廒力再把注浆体的压力健 递赛 器 蒋土，岩( ) 体毒予受蓟该应力媛作孀楚予爨送状态，有剥予岩( ) 体的稳定，从丽达le j r i 固岩( 土) 体的目的。与普通预应力锚索来比较，普通预威 力 赫索鼹坡覆集中力出叁领整该威力镬素翁多个盘镢器分段转往为对浅鼷岩( 土) 体懿孤力，宠分零簿了坡嚣蠢主体的强度，减少或去薄坡箍戆大量稼护= ：稷。 漶浆体的受力筒积( 与钴孑l 诫积相等) 芹玎强度决定了锚索设计拉力的大小、缀 济鳇鞍霹搡箨蛙，健实嚣；王程中锚巍薤获不可畿太大，