（岩土工程专业论文）预应力锚索失效因素的试验和数值研究.pdf

中文摘要 摘要 锚( 索) 是一种应用广泛的岩土体工程加固措施。但是锚固工程作为一种隐蔽 性极强的工程，其营运期的安全性评价的无损检测技术至今没有得到有效的解决。 在工程建设中，锚固边坡失稳的事故却时有发生，锚固边坡一旦出现破坏，既给 国家和人民经济造成巨大损失，又严重阻塞交通、破坏环境景观和生态平衡。 本文通过现场调研和室内资料收集，统计了预应力锚索的失效模式和影响因 素，对部分主要影响因素进行了实验研究和数值分析，主要完成了以下工作： l 、对钢绞线、注浆体及岩石进行了基本物理力学性能指标研究，并将其作为 数值模拟和实验分析的依据。 2 、通过普通锚索的拔出试验，对影响普通锚索失效的部分影响因素如注浆体 配合比，锚长，岩石类型等进行了研究，得到了普通锚索失效的主要失效模式及 影响承载力的主要因素。 3 、引入并改进了桥梁结构中使用的压花锚索，通过拉拔试验对压花锚锚固机 理进行了研究，阐述了压花锚的锚固机理，并与普通锚力学机理进行了分析比较。 归纳出影响压花锚索失效的十二类因素，通过拉拔试验分别进行了研究，并得到 了压花锚失效的主要模式及影响承载能力的主要因素。 4 、在数值计算分析方面，使用a n s y s 软件对普通锚索和压花锚索的拉拔试 验分别进行了有限元模拟，获得了两者的应力分布情况。同时针对普通锚索和压 花锚索失效的主要影响因素进行了有限元分析，数值结论与试验结果较为符合。 关键词：锚固边坡，普通锚索，压花锚索，失效模式，承载力，数值模拟 英文摘要 a b s t r a c t c a b l e , o n el d n d o fr e i n f o r c e m e n tm p 。a s b r e 。i sw e l l a e c e p t e d i nr o c ka n d s o i l e n g i n e e r i n gp r a c t i c e b u ta n c h o r a g ew o r k sa s ah i g h l yc o n c e a l e dp r o j e c t , i t s o p e r a t i o np e r i o do ft h es a f e t y e v a l u a t i o no ft e s t i n gt e c h n o l o g yh a sn o ty e tb e e n e f f e c t i v e l ys o l v e d d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n , t h ea n c h o rs l o p ei n s t a b i l i t yi n c i d e n t sh a v e o c c u r r e d o n c ea n c h o r i n gs l o p ed e s t r o y e d ，t h ee c o n o m i cl o s s g si sh e a v i l y ，t h e e n v i r o n m e n ta n de c o l c i g i c a lb a l a n c ea l s od a m a g e d s t a t i s t i c so fp r e s t r e s s e dc a b l ef a i l u r em o d e sa n df a i l u r ef a c t o r so n 丘e l d i n v e s t i g a t i o na n dd a t ac o l l e c t i o n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a 矗o no t l s o m e m a j o rf a i l u r ef a c m r so fp r e s t r e s s e dc a b l e t h ep r i n c i p l ea c h i e v e m e n t si nt h e d i s s e r t a t i o ni s 嬲f o l l o w s ： f i r s t l y , e x p e r i m e n t a lr e s a r c ho nt h es t r a n d ，c e m e n tg r o u ta n dr o c kf o rt h eb a s i c p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f m a t e r i a la r eu s e di n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ia n a l y s i s s e c o n d l y , b yp u l lt e s td a t ao ft h ec o n v e n t i o n a lc a b l e ，s o m ef a i l u r ee f f e c tf a c t o ro f c o n v e n t i o n a lc a b l e ，s u c ha st h ec e m e n tg r o u tm i x t u r er a t i o ，a n c h o r a g el e n g t ha n dr o c k t y p ew e r es t u d i e d p u l lt e s tr e s u l t ss h o wt h em a j o rf a i l e dm o d ef o rc o n v e n t i o nc a b l eb o l t a n dt h et h em a j o re f f e c tf a c t o ro nb e a r i n gc a p a c i t yf o rc a b l eb o l t t h i r d l y , i n t r o d u c t i o na n di m p r o v et h eb u l bc a b l eu s e di nb r i d g es t r u c t u r e t h eb u l b c a b l ea n c h o r i n gm e c h a n i s mw e r es t u d i e db yp u l lt e s td a t a n er e s u l t ss h o w e dt h e c o m p a r i s i o nb e t w e e nc o n v e n t i o n a lc a b l eb o i ta n db u l bc a b l eb o i t 1 1 坞e f f e c tf a c t o r so n b e a r i n gc a p a c i t yw e r es t u d i e db yp u l lt e s t ，t h em a j o rf a i l e dm o d e a n de f f e c tf a c t o ro a n b eg e tf r o mt h er e s u l t f o u r t h l y , an o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o do f p u l lt e s ti sp r o p o s e db y u s e a n s y s ，a n dt h er e s u l t ss h o w e db o t hs t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o n v e n t i o n a lc a b l ea n db u l b c a b l e 1 1 l ee f f e c tf a c t o r so nb e a r i n gc a p a c i t yf o rc a b l ew e r es t u d i e db yp u l lt e s t ，a n dt h e a n a l y s i sf o rn u m e r i a ls i m u l a t i o nw a sc o n s i s t e n c ew i t hp u l lt e s tr e s u l l k e y w o r d s ：a n c h o r a g es l o p e , c o n v e n t i o n a lc a b l e ，b u l bc a b l e , f a i l e dm o d e ，c a p a c i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲名钏签字魄叩年钿，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 一虢力钏一引彬 签字日期：| 乏岬年髟月，日 签字日期：毋d 7 年月，日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的意义 国家实施西部大开发战略，对西部发展是一个难得的机遇。但开发大西部， 首先需要解决道路交通等基础设施问题。预计，国家将投入7 0 0 0 亿元，用2 0 年 左右的时间，使西部地区公路交通的面貌发生根本变化，基本建成一个“省际畅通、 通江达海、连接周边”的高级公路网络，以满足社会经济发展要求。西部的1 2 个 省级行政区域，占地6 7 5 4 6 万平方公里，是全国总面积的7 1 ，在各种地貌类型 中，山地所在比例最高，约为4 9 7 。而在2 0 0 4 年出台的国家高速公路网规划 中规划的8 5 万公里国家高速公路中，未开工建设的路段里程约4 万公里，其中 西部2 1 万公里，约占5 3 ，且西部地区高速公路建设用地多是山地等不宜耕种 土地。因此，在西部地区公路建设中，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，这无疑为岩土锚固技术的应用提供了相当广阔的 空间【l 】。 依锚、岩土体相对位移及其相互作用原理，可将锚分为主动锚和被动锚两大 类。主动锚由于能充分地发挥岩土体的自承潜力，调节和提高岩土体的自身强度 和自稳能力，减轻支护结构的自重，节约工程材料，并能保证施工的安全与稳定， 是一种高效经济且实用的工程技术，得到了岩土工程行业的高度重视 2 1 。但是锚 固工程作为一种隐蔽性极强的工程，其营运期的安全性评价的无损检测技术是世 界级难题【3 1 ，至今没有得到有效的解决。作为主动提供支护抗力，合理调用岩土 体自身抗剪强度的主动锚，在张拉过程中，通过千斤顶为锚索( 杆) 体施加了高吨 位的预应力，因此在边坡体内蕴聚了巨大的能量【4 l ，一旦边坡失稳破坏，蕴聚的 能量在瞬间释放，其破坏威力无异于定时炸弹【5 】。然而，在工程建设中，锚固边 坡失稳的事故却时有发生，如京珠高速公路粤境南段通车两年后有两工点边坡主 动锚失效导致边坡滑塌失稳、渝黔高速公路渝境段通车一年后有三工点边坡主动 锚失效导致边坡鼓胀失稳、京福高速公路闽境段施工中多处工点主动锚失效导致 边坡开裂破坏、凯( 里) 麻( 江) 一级公路施i 中- - i 点边坡主动锚失效导致边坡破坏 等。锚固边坡一旦出现破坏，既给国家和人民经济造成巨大损失，又严重阻塞交 通、破坏环境景观和生态平衡。 基于上述原因，为保证在后续的高速公路建设中能设计出安全适用、技术先 进、经济合理、质量保证且保护环境的边坡锚固工程，本课题借助野外现场调研、 室内资料收集整理等手段，对预应力锚索的失效模式进行分类，对可能引发预应 重庆大学硕十学传论文 力锚索失效的部分兰要影响因素进行定量或者定性的试验研究，针对不同的失效 模式提出了防止锚失效的工程措旌，并对预应力锚索的失效机理进行了全新的诠 释。上述研究工作力图为后期的锚固工程设计提供指导，并为边坡的锚固防护提 供町借鉴和参考的资料和依据。 1 2 国内外研究现状 锚固技术作为岩士工程的一个重要分支【”，其最早的应用可追溯到1 8 9 0 年英 国北威尔士的煤矿加固工程。1 9 1 1 年美国将锚杆用于矿山巷道边坡的防护上， 1 9 1 8 年西利西安矿山边坡采用了锚索防护，但当时锚索未加预应力。预应力锚索 的首次应用是1 9 3 4 年在法国的a l g e r i a 河上的c h e a i f e s 大坝上，a c o y n e 工程师 采用预应力锚索对其进行加卧”，1 9 5 7 年德国b a u e r 公司在深基坑边坡防护中采 用土层预应力锚索获得成功，至此边坡锚固技术在适应不同地层条件下进行了尝 试。二次世界大战后，在岩土力学理论与工程推动和促进下，边坡锚固技术获得 长足进展。战后世界各国大兴土木，边坡锚固技术在法国、德国、瑞士以及在较 小程度上在南美得到了广泛发展，在六十年代扩展到英国、北美和澳大利亚，时 至今日，世界各国都大力应用【8 】。 在我国，边坡锚固技术的应用始于1 9 5 5 年煤矿巷道边坡的支护f 9 1 。当前，国 内的各类岩土工程中，例如边坡稳定工程、地下洞室工程、结构抗浮工程、深基 坑工程、高压输水管道工程等，都成为了预应力锚固技术大显身手的主战场。据 不完全统计，在1 9 9 3 1 9 9 9 年期间，国内仅边坡工程、深基坑工程、锚杆( 索) 的 年用量约为3 0 0 0 3 5 0 0 k m 。预应力锚索在我国岩土工程中的最早应用是1 9 6 4 年 梅山水库右岸坝基的加卧1 0 l ，该项工程共安装1 0 2 根锚索，其长度在3 0 4 7 m 之 间不等，单根预应力锚索的最大张拉荷载达3 2 4 0 k n ，锚索束体预应力筋为0 5 l i u l l 的高强钢丝，外锚头为混凝土柱状锚头，采用水泥浆体作永久防护。边坡中采用 预应力锚索进行防护最早的工程是镜泊湖水电站边坡。最大的边坡预应力锚索锚 固工程是举世瞩目的三峡水利枢纽工秘“1 2 13 1 ，长1 6 0 7 m 的船闸边坡处于风化 程度不等的闪云斜长花岗岩中，采用4 2 0 4 余根长3 0 6 0 m ，设计承载力为3 m n ( 少 量1 m n ) 的预应力锚索和近1 0 万根长8 1 4 m 的预应力高强锚杆，对边坡进行系 统加固或随机锚固。预应力锚索阻止了不稳定块体的塌滑，改善了边坡的应力状 态，抑制了塑性区的扩展，提高了边坡的整体稳定，发挥了重要作用。加上三峡 水利枢纽在其他部位使用的锚索，目前总量已达4 5 4 0 柬，居世界首位。还有在长 江三峡链子崖危岩体的治理【l ”、云南漫湾水电站左岸边坡的1 0 0 ，6 0 0 m 3 的塌滑体 防护【1 5 】、天生桥水电站下山包滑坡整治中【1 6 】、龙羊峡水电站两岸边坡的加固、小 浪底进口1 0 8 5 m 的高边坡的全面加固，均成功地采用了预应力锚索加固技术。 2 1 绪论 当前，国际上岩体预应力锚索单根预应力承载力已达到1 6 m n ( 德国) ，国内单孔 安装荷载最大已达1 0 m n ( 李家峡水电站) ”。实际上我国的边坡预应力锚固技术 的研究主要起始于2 0 世纪7 0 年代初，而广泛被人们认识并大量应用于实际工程 中则是从2 0 世纪8 0 年代中期开始【l ”。我国早期的边坡锚固技术应用主要集中在 水利、水电、矿山、冶金、建筑、铁路等部门，这些部门积累了较丰富的经验， 推动了我国边坡锚固技术的发展。9 0 年代中后期，由于高等级公路的快速发展， 边坡锚固技术在公路部门获得大量应用，并呈逐年递增的趋势，例如京珠高速公 路【1 9 1 ，广东省内仅3 0 7 k i n 的路段，出现路堑高边坡3 0 0 余处，其中预应力锚索造 孔进尺达4 0 0 0 0m ，普通锚杆1 0 ，0 0 0 m 。总之，锚固技术引入岩土行业是岩土体 稳定技术发展史上的一块里程碑，为岩土体的稳定开辟了一条全新的途径。 岩土预应力锚固技术经过几十年的研究、应用和发展，取得了丰硕的成果。 工程技术人员在不断的实践过程中研发了受力机理更为合理的拉力分散型、压力 分散型、拉压分散型等锚索体系1 2 0 ，这为防止内锚段损坏，提高锚固工程的安全 性和耐久性大有裨益。然而，岩土体预应力锚固技术是从结构工程里的预应力混 凝土技术发展而来，其工程领域里的预应力锚固技术的理论基础大多借鉴结构工 程里的预锚理论，众所周知，岩土体与混凝土是特性明显不同的两类介质，加之 预应力混凝土结构是筋材和混凝土的“两相结构”，而岩土体预应力锚固结构却是 筋材、注浆体、岩土体所组成的“三相结构”，因此从结构工程移植过来的预锚理 论未必能很好的适合岩土工程。国内外的在建岩土锚固工程和竣工后的岩土锚固 工程都有发生锚失效而致使工程不得不进行维护甚至报废的先例。例如，瑞典北 部的u m e 河上的g r u n d f o r s 水电站【2 ，在1 9 5 5 年施工了1 1 8 根预应力锚杆，1 9 8 1 年春天，有一根预应力锚杆杆体断裂从锚孔高速射出失效。美国一个由单排预应 力锚索加固的挡土墙工程( f e l d & w h i t e ( 1 9 7 4 ) 提供) 在短短的2 年时间内，先后有数 根锚索断裂并像标枪一样越过工地飞了出去瞰】。澳大利亚的b r u c eh e b b l e w h i t e 等人对9 个煤矿的5 0 多根失效锚杆进行了全面的试验研究脚】，得出了应力腐蚀 开裂是导致岩锚过早失效破坏的主要原因的结论。安徽省的梅山水库的锚索在运 行3 5 6 年内，有3 根自由锚索的钢丝先后破断，经查钢丝破坏具有应力腐蚀( 兼 有氢脆1 的特征【2 4 1 。 关于岩土锚固失效模式及影响因素方面，近年来国内不少学者对此开展了广 泛的调查研究。何思明【2 习通过研究认为：预应力锚索内锚固段只能沿最薄弱环节 破坏，其对应的抗拔荷载才是预应力锚索的极限抗拔承载力。而可能的薄弱位置 应包括5 处，即：灌浆材料与锚束体( 钢绞线) 之间的接触面；灌浆材料与周围岩 体接触面；灌浆材料内部；围岩体内部以及锚束体( 钢绞线) 本身被拉断。一般情 况下，锚束体( 钢绞线) 本身被拉断( 超过其极限强度o b ) 的可能性很小。因此，其余 3 重庆大学硕士学位论文 4 种可能破坏的情况应该成为研究的蓖点。影响预应力锚索失效的主要因素有： 岩体种类、无侧限抗压强度、风化程度、破碎特性以及灌浆材科及灌浆压力、内 锚固段长度、锚固段破裂面形状等，其中破裂面形状是计算锚失效破坏时极限抗 拔力的关键。张发明【2 6 】认为，岩石的强度、岩石结构面的发育程度及结合程度、 注浆体的柘号等是影响注浆体与岩土体粘结失效的主要因素。作者应用数理统计 的方法及与室内试验方法的对比，对已有成功经验的锚固设计建立了粘结强度与 岩体结构特征、岩体强度指标及岩体基本质量的关系，完成了内锚固段长度设计 的图表制作，为工程设计人员确定岩土体与锚固注浆体之间的粘结强度提供了很 大的方便。杨松林【2 7 橱过对三峡工程灌浆锚杆的现场试验研究和理论分析指出， 归纳起来，灌浆锚杆有四种可能的破坏形式，i 钢筋的破坏；i i 岩体的破坏；i i i 钢筋与砂浆接触面的破坏；岩石与砂浆接触面的破坏。拉拔过程中锚杆的这几 种破坏形式不是彼此孤立的，可能两种或几种形式先后出现在同一拉拔过程中。 影响破坏特征的因素也很多，包括锚筋的直径、等级、埋深和表面特征，以及岩 体的风化程度、锚孔直径、孔壁特征、砂浆性质和施工质量等因素。这些因素的 综合作用决定着锚杆具体的破坏形式。比如说，如果破坏发生在锚杆与砂浆的交 界面，锚固强度并不是由砂浆的粘结强度所决定，而是由锚杆的表面形状决定； 锚杆直径与钻孔直径的关系也影响着锚杆的锚固强度和破坏形式。锚杆直径与钻 孔直径的关系不同时，破坏面出现的位置也不同，可能是钢筋和砂浆的交界面， 也可以是砂浆与岩石的交界面。因此，锚杆直径与钻孔直径存在一个最佳组合， 使得锚杆的抗拔力达到最大值，这种匹配本质上取决于剪应力和径向应力在一定 厚度砂浆中的传递规律。由于在三峡工程现场拉拔试验中灌浆锚杆的破坏常发生 于砂浆与岩体的交界面上，砂浆柱常被拔出，因此作者认为一般情况下锚杆与注 浆体之间具有较好的粘结强度，决定锚固强度的关键因素是注浆体的强度和饱满 度以及注浆体与孔壁之间的粘结状况，保证灌浆的饱满性和提高注浆体与孔壁之 间的粘结强度是保证锚固效果的重要措施。广东省开( 平) 阳( 江) 高速公路 k 1 8 9 + 2 0 0 + 3 6 0 段边坡中的4 根1 5 - 4 型锚索进行了拉拔试验1 2 “，2 个为普通拉 力型锚索，2 个为压力分散型锚索，锚索长度2 6 m ，锚孔直径1 6 0 r a m ，拉力型锚 索由4 根钢绞线组成，锚固段长度7 o m ；压力分散型锚索由4 根无粘结钢绞线组 成，两个承载体，承载体间距为3 ，5 m 。4 根锚索均在荷载达到9 5 0 k n 左右时发生 钢绞线断裂破坏，压力分散型锚索锚固体的平均剪切变形是拉力型锚索的1 4 l ，3 。因此这说明仅从锚索拉拔试验的结果看，很难判断预锚体系的失效模式具体 为哪一种，但是内锚崮段的结构形式对预应力锚索的失效模式有着重要的影响。 高勤福等【2 9 】对煤矿被动锚失效现象进行了分析总结，归纳得出了五种失锚现象： 杆体断裂失锚，约占2 ；托板失效失锚，约占5 6 ；螺母失效失锚，约占 4 1 绪论 1 5 ；粘结失效失锚，约占4 8 ；锚空失锚，约占2 9 3 0 。这种调查研究主 要采用现场调查与测试的手段开展，归纳总结出的失效类别主要从影响因素的角 度着眼，难免存在对锚固失效类别的调查与认识不全面的情况。官山月等1 3 0 1 学者 采用室内试验和现场测试相结合的手段，研究总结出岩体中树脂锚杆锚固失效的 四种形式：锚固卷沿钻孔孔壁滑动、钻孔孔壁岩体被剪切破坏、锚秆从锚固卷中 拉出、锚杆附近的锚固剂被剪切破坏。这种锚固失效类别的划分主要考虑了力学 机理，不过仅研究了被动锚情况，对主动锚未开展研究。苏学贵等1 3 1 】学者对主动 锚预应力损失这种失锚现象进行了分析研究，得出了影响预应力损失的因素：锚 索材料、岩土体徐变、锚固围岩中发生的冲击力、锚固体系、施工质量等。不过 其研究工作未归纳总结出主要的影响因素，且仅从定性方面进行了探讨。黄福德 等p 2 】学者采用室内1 ：5 0 的模型试验、有限元数值仿真分析、断裂力学理论等手段 对某水电站岸坡锚同失效进行了分析研究，并采用现场埋设仪器观测迸行验证， 研究获得了一些有益的结论，不过其研究成果主要体现在锚固失效机理方面，并 未总结出锚固失效形式，同时由于有限元数值仿真分析中未耦合一定的预测方法， 故对失效形式的分析有些失真。 在国外，早在2 0 世纪7 0 年代，英国的h a n n a 教授【3 3 1 就对岩土锚固的破坏形 式及对应的影响因素进行了研究，研究归纳出其破坏形式主要有三种：锚断裂、 预应力松弛和荷载高于设计荷载；并指出锚断裂与腐蚀、以及插入锚孔前或使用 中的机械损伤有关；预应力损失与以下因素有关：固定锚的屈服、地基的固结、 过商的估计锚工作荷载、荷载在群锚中的重分布、锚的一根或多根钢丝或钢丝束 断裂等；荷载超过设计荷载一般与群锚的荷载重分布有关。其研究工作主要从定 性的角度开展，缺乏定量化的数据作为依据，归纳总结出的失效类别主要从力学 机理的角度着眼，应该说取得的成果虽然不全面，但很有意义，对后人的研究发 挥了极大的作用。 t e x a sa & m 大学的j e a n - l o u i sb r i a u d 等人m 】在国家岩土试验基地进行了l o 根预应力锚索的原位试验，每根总长均为1 3 8 m ，有6 根锸的内锚固段长4 6 m ， 有4 根锚的内锚固段长9 2 m ，在进行6 。锚( 内锚固段4 6 m ) 的压力灌浆( 灌浆压力 o 7 m p a ) 时，当压力灌浆至6 。l m ，注浆管破裂，余下的7 7 m 是直接借助注浆体的 自重丽灌满锚孔的，其后的拉拔试验证明，6 锚的抗拔力为7 1 2 k n ，而其余5 根 类似锚的平均极限抗拔力是9 6 1 k n ，灌浆压力的缺失使得锚的极限抗拔荷载下降 了2 5 9 ，这说明灌浆压力对锚的极限承载能力和失效模式有重要影响。 在注浆体方面，b b e n m o k r a n e 、a c h e n n o u f 和h s m i l r i t ”j 对加入了不同外加 剂( 硅灰、铝粉、塑化剂和砂) 的六种注浆体的物理力学性能进行了研究，并将其 与传统的水泥基注浆体的物理力学性能进行了对比，通过试验结果，作者建立了 重庆大学硕士学位论文 一个经验方程来评估给定内锚固段长度下的锚的抗拔能力，提出了锚筋注浆体 界面上的剪切粘结应力滑移关系的三段线性函数模型。a k i l i c 、e y a s a r 和 a g c e l i k t 3 6 为了研究注浆材料与岩锚抗拔性能之间的关系，以螺纹钢筋作锚杆， 在玄武岩中进行了约8 0 根岩锚的拉拔试验，基于注浆材料的剪切强度、单轴抗压 强度，锚固段的长度，锚杆的直径，粘结面积和注浆材料的凝结时闯等参数，给 出了计算岩锚抗拔荷载的许多经验公式。室内试验和现场调研均表明，岩石锚杆 最主要的失效模式是锚杆和注浆体之间的剪切破坏 3 7 1 ，注浆材料的单轴抗压强度 和剪切强度对岩锚的性能有重要影响，注浆体的剪切强度、单轴抗压强度( 公式中 的x ) 与锚的粘结强度靠成对数关系( “= a l n x + b ) ，因此在进行岩石锚杆的内锚 固段设计时主要考虑注浆体产生圆柱形剪切破坏。同时，注浆体的水灰比也是影 响岩锚性能的重要因素，水灰比过大，注浆体在凝结后町能形成细小的孔洞致使 注浆体的内部结构不均匀，在拉拔荷载的作用下将产生不规则的应力分布 3 8 9 1 。 低水灰比，粘结强度高，但是注浆体的和易性降低，又给施工造成困难。由于注 浆材料的剪切强度是控制锚荷载变位特性的关键参数 4 0 l ，而此前许多学者仅对 混凝土的力学性能的研究相当深入，而对没有加入任何集料的注浆材料的力学性 能研究还很少，因此m a h d im o o s a v i 和w i l l i a me b a w d e n t 4 ”采用直接剪切试验方 法测定了水灰比为0 4 和0 5 的两种波特兰水泥注浆体的强度参数，得出了注浆体 剪应力、残余剪应力与法向应力的拟合方程，该方程可以用来评估注浆体在任意 法向应力水平作用下的瞬时c 、妒参数值。将直剪剪切强度与三轴剪切强度迸行 对比分析发现，由于试验方法的边界条件不同，直剪强度总是低于三轴强度的。 上述研究有助于对注浆体剪切强度的全面理解，优化锚固系统的设计参数。 在锚索( 杆) 的表面形态对锚的失效模式影响方面，f u m i oi t o 等人【4 2 1 为了研究 锚索( 杆) 的表面形态对失效模式和破坏机理的影响，分别采用两种不同的锚杆锚 索，使用水灰比为0 3 5 的水泥浆将其锚固在混凝土试件中，采用c t 对锚索( 杆) 的拉拔破坏试验进行了可视化研究，结果表明，表面形态不同的锚索( 杆) ，水泥 注浆体的破坏模式是不同的，对螺纹锚杆和带扭转肋纹的锚杆，注浆体内的破坏 裂纹随锚的肋纹而旋转；对普通锚索和带“泡”锚索，注浆体的破坏表现为径向劈 裂。破坏模式反应了支护机理，因此，从微观破坏机理来看，锚杆和锚索的支护 机理是不同的。a ，l i c 、e y a s a r 和c d a t i s t 43 】研究了锚杆的外形对岩锚抗拔性能 及失效模式的影响。作者采用2 4 类锚杆，共计7 2 根，锚固在玄武岩中进行拉拔 试验，试验成功模拟了岩锚的三种破坏模式：i 当锚筋的表面光滑时，发生锚筋 注浆体界面的粘结破坏；i i 在螺纹锚杆、带有单、双圆锥形肋的锚杆以及锥度为 6 0 0 、9 0 0 的三肋锚杆中，周围注浆体发生破坏：i i i 在锥度为1 5 0 、3 0 0 、4 5 0 的三肋 锚杆中发生锚筋断裂的破坏模式。试验结果表明，锚的外形对锚的荷载承载能力、 6 1 绪论 荷载变位特性以及失效模式有重要影响，表面光滑的岩锚的粘结强度主要由锚 筋注浆体界面上的粘结和摩擦提供，螺纹锚杆的粘结强度主要由注浆材料的剪 切强度决定，表面有圆锥形肋的锚杆的粘结强度主要由注浆材料的抗剪强度和抗 压强度联合决定。而众所周知的是，注浆材料的抗压强度显著比其抗剪强度高， 因此作者建议使用带锥形肋的锚杆进行岩土体稳定支护，这样能够产生注浆材料 的压剪联合作用，改善岩锚的支护效果。a k i l i c 和a n i l “, 4 5 研究表明，当锚孔的 深度、锚孔直径与锚杆直径的比值、锚孔表面的摩擦系数下降的时候，注浆体 岩石界面容易发生粘结破坏。而当锚孔的长度超过一定的i 临界值，锚筋则发生断 裂破坏。 近年来，少数学者开始意识到，锚杆和锚索的破坏机理是完全不同的。锚杆 和注浆体界面之间的粘结破坏属于注浆体的剪切破坏；而普通锚索受力后在注浆 体中有很强的解扭趋势m 4 7 辄4 9 1 ，同时在普通锚索注浆体界面产生的膨胀很 低，注浆体的模量低，产生的膨胀也很容易被注浆体吸收，加之灌浆不饱满或者 灌浆后遗留在锚孔里的排气管是空的等原因，普通锚索注浆体界面极易发生解 扭破坏，而解决普通锚索这一问题的有效办法都是使用异型锚索。异型锚索对于 岩土工程界来说也许比较陌生，其实它并非什么新鲜事物，国内预应力结构工程 中常见的压花锚即为其中的一种，它是利用液压压花机将钢绞线的一段( 通常约为 1 5 c m ) 墩粗形成状如葫芦的结构型式，然后将其浇筑在混凝土中，以此实现对预 应力钢绞线的锚固，它具有成本低、构造简单、施工方便、质量易控制且对设备 要求低等突出优点，近年来，为了提高压花端部锚固能力，最大限度减小预应力 筋握裹长度，北京市建筑工程研究院等单位对压花锚具作了进一步的开发研制， 其中最主要的改进措施是将锚具中的压花个数由一个增加到两个，使其成为双压 花锚具。压花锚索能产生更大的膨胀和防止锚索解扭。压花锚索产生了更大的径 向膨胀，反过来也有更大的法向应力作用于锚索注浆体界面上。同时，压花结 构阻止了锚索在注浆体中的解扭。对此，m m o o s a v i 、w e b a w d e n 和a j h y “”翔捌 等人对国外应用甚广的g a r f o r db u l b 、n u t c a s e 和b i r d c a g ec a b l e s 三类异型锚索进行 深入研究发现，异型锚索在注浆体里产生了楔形效应，成倍提高了内锚固段的承 载力，主要破坏模式转化为注浆体的压剪破坏或锚索断裂，尤其在软岩支护中效 果更为显著【5 3 1 。为了提高锚索的刚度，使之集中刚性锚杆和柔性锚索的优点，可 以增加锚束上的异型结构的数量，h y e t ta n db a w d 吼【5 4 l 的试验表明，当异型结构 增加到3 个米的时候，锚索的刚度都接近加强锚杆。 在预应力锚索( 杆) 的破裂面形状方面【5 5 1 ，国内外的学者也对其进行了深入的 研究。m o r s ( 1 9 5 9 ) 假设破裂面为圆锥面；b a l l a ( 1 9 6 1 ) 通过大量的试验资料的研究， 认为破裂面为圆弧型，其端部与预应力锚索( 杆) 相切，而在地表处与水平面成4 5 0 7 重庆大学硕士学位论文 一妒2 夹角，后来b a k e r 和k o n d n e r ( 1 9 6 6 ) 也建议了类似形状的破裂面； m a c d o n a l d ( 1 9 6 3 ) 将锚杆分为浅埋和深埋两种，并分别假设了不同的破裂面形状， 其中浅埋锚杆破裂面假设为抛物线型，而深埋锚杆破裂面设为圆柱型； m a t s u o ( 1 9 6 7 、1 9 6 8 ) 则假设破裂面为直线和对数螺旋线的复合型且在地表处与水 平面成4 5 0 p 2 夹角；c l e m e n c e 和v e e s a e r t ( t 9 7 7 ) 通过大量试验证实：破裂面均为 曲线型破裂面，简化为直线型是为了研究方便。a s e r r a n o 和c 0 1 a 1 1 a 【5 6 1 采用变分 原理研究了锚索破裂面形状，根据锚索长细比的不同将锚索划分为“长”锚索和 “短”锚索，其中长锚索的破裂面为复合破裂面，端部为圆柱面，顶部为对称的抛 物型锥面；短锚索破裂面则为单一的对称抛物锥面。国内茜平一等人( 1 9 9 2 ) 的 研究成果表明：在铅直荷载作用下，抗拔锚板四周土中的破裂面呈对称的喇叭形， 其切线方向在板边缘近似垂直，在地表处，无论砂土还是粘质砂土均接近4 5 0 p 2 ；何思明【5 9 1 以国内外众多室内模型试验及原位测试资料为基础，构造了一个 描述预应力锚索破裂面形状的广义双参数方程，该方程能将常规假设的各种直线 型破裂面包括其中。 总体说来，通过这些调查、分析与研究，获得了一些定性的认识，为后期锚 固工程质量的改进提供了可参考和借鉴的资料与数据。不过已有调查分析与研究 在以下几方面有待进一步加强与完善：对锚的破坏仅建立了一些感性的、定性的 认识，缺乏相应的量化数据与指标，使得建立锚的安全评价指标的依据不足，导 致锚的安全评价指标体系无法完善的建立；已有研究获得了锚的各种破坏形式及 其相应的各种影响因素，但未对这些影响因素展开系统深入的分析研究，未获得 各种破坏形式的主要影响因素，因此也就未能建立对应的安全性检测与评价指标 及方法；已有研究虽然采用了较多的手段，但某些手段有待改进，如对有限元数 值仿真分析，有必要祸合一定的预测方法进行等。 1 3 本文研究的主要内容及研究思路 本文主要以公路边坡岩土锚固中使用较为普遍的4 0 1 5 2 4 m m 或6 0 1 5 2 4 m m 锚束为原型，遵循钢绞线横截面积占锚孔横截面积的百分率相似的相似准则，选 取重庆极具代表性的两类砂岩( 一类为强风化的软岩，一类为中风化的硬岩1 ，将 其浇筑在c 2 0 的混凝土中，在岩石上钻孑l 、下锚、灌浆、自然养护、张拉，用以 模拟锚的各种失效模式，对各种失效模式的可能影响因素进行系统深入的研究。 本文主要研究内容和研究思路简述如下： 首先针对应用锚固技术较多的云南、重庆、贵州三省市进行锚固工程的现 场调研，辅以资料收集，归纳出公路边坡岩土锚固主要失效形式。在充分利用现 场调研成果基础上，从繁多的影响锚固工程失效的因素中筛选出主要的影响因素。 1 绪论 通过室外模拟试验对注浆体与岩体的粘结面破坏、锚索与注浆体的粘结面 破坏、锚断裂以及被加固岩体破坏四类失效模式进行模拟。考虑的影响因素主要 有五个大类：注浆体、岩石，锚类型、锚长、锚孔孔径。 使用有限元软件a n s y s 对试验进行数值模拟，进一步分析各种影响因素对 锚失效模式的影响，以其得出一些有价值的结论。 2 试验基本原理及设计 2 试验基本原理及设计 室内试验所采用的模拟材料将直接影响试验结果并决定试验结果的真实可靠 性，因此，模拟材料的选取是至关重要的。在锚固的室内模拟试验方面，国内外 均进行了大量的试验研究，但是两者的试验指导思想却不相同。国内更多是遵循 相似原理来设计试验，实际上，获得完全相似模型是很困难的，问题主要在于模 型材料的重度、密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度、内摩擦系数、 凝聚力、极限拉应变、极限压应变等都是独立的物理量，因而选择了一种模型材 料后，它满足了某个相似判据，并不一定能满足其他的相似判据，因此，实际用 在试验中的模型则成为基本相似模型卵l 。就边坡岩土体的模拟而言，国内大部采 用石膏材料进行模型试验 6 0 6 ”。在锚索( 杆) 模拟材料的选择方面，铝管、铜管、锰 钢、尼龙绳等都曾经用来模拟过预应力锚索( 杆) ；在国外，室内模拟试验都采用了 与实体工程一样的真实岩土体以及锚索( 杆) 材料。 2 1 试验基本原理 本课题研究拟采用实际的岩土体、注浆体、锚索来进行试验，模型仅在几何 尺寸方面满足相似原则，即按钢绞线横截面积占锚孔面积的百分率相似的原则， 同时尽量符合岩土锚杆( 索) 技术规程c e c s2 2 ：2 0 0 5 ) ) 中的技术要求。现以公路 边坡岩土锚固中使用较为普遍的4 0 1 5 2 4 m m 或6 0 1 5 2 4 r a m ( 单根钢绞线截面积a = 1 4 0 0 0 n u n 2 ) l 搠i 束为原型进行模拟锚孔锚索的尺寸推导。 r n l 4 0 ：罄 ( 2 1 ) 丢弼丢碱 v 整理得： 以= 每愕 ( 2 2 ) 式中：d ，模型中l x 7 结构的模拟锚索的单丝直径，咖； d m _ 模型中模拟锚孔的直径，本研究取为1 8 m m ； d d _ 实际工程中锚孔的直径，一般取1 1 0 n u n 或1 3 0 r a m ； n 一实际工程中一束锚索的钢绞线根数，对公路边坡而言，取4 或6 ； 当d v = 1 1 0 m m ，n = 4 时，d m = 1 6 5 m i l l ； 当d v = 1 1 0 r n m ，n = 6 时，d m = 2 0 2i n l n ； 当d v 2 1 3 0 n u n ，n 司时，d m = 1 4 0 n l r l l ； 当d p = 1 3 0 r n m ，n = 6 时，“= 1 7 1 衄。 重庆大学硕七学位论文 经综合比较分析、联系实际情况，本研究选用了重庆渝生钢丝绳厂生产的1 7 - - 4 8 m m ( 单幺幺直径d m = 1 6m m ) 的钢绞线做模拟锚索，当d m = 1 6 m m 时，锚索横 截面积与锚孔横截面积的比p a = 7 x ( 1 6 1 8 ) 2 = 5 5 3 ，完全满足c e c s2 2 ：2 0 0 5 规范 中钻孔内预应力钢绞线的面积不超过钻孔面积1 5 的要求。 2 2 试验设计 2 2 1 试验原材料及物理力学指标 试验用岩石材料的选取，依据渝( 重庆) 黔( 贵州) 高速公路向家坡立交 k 1 3 + 5 0 0 k 1 4 + 0 0 0 段高边坡地勘报告，该边坡岩体物理力学指标为：单轴抗压强 度f 札c u = 2 2 8 8 m p a ，弹性模量e c ：l o 2 0 g p a ，泊松比儿e - 0 1 5 0 3 4 。经过比较， 确定选用重庆童家桥建筑边坡上的岩石，天然单轴抗压强度2 2 9 m p a ，属较软岩， 强风化，该类岩石从杨公桥至北碚沿线广为分布。为研究岩石类型对锚索失效的 影响，同时选取了重庆渝中区解放碑轻轨名店城项目的岩石，天然单轴抗压强度 7 0 4 m p a ，属硬岩，中风化，该类岩石广泛分布于渝中半岛。两类岩石的力学指标 如表2 1 所示： 表2 1 试验用岩石力学指标 t a b l e2 1t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c ki ne x p e r i m e n t 岩石抗压强度。抗拉强度f n内聚力内摩擦角 类型 r m p a )f m p a )c ( m p a )币( o ) 2 2 9 ( 平行层理) 软岩 1 5 01 6 65 1 6 2 5 8 ( 垂直层理) 硬岩 7 0 42 9 22 6 8 5 2 1 续表2 i 试验用岩石力学指标 t a b l e2 1t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c ki ne x p e r i m e n t 岩石 变形模量( 割线弹性模量弹性泊剪切模量压缩模量 备注 类型 模量) e 5 0 ( m p a ) e 。( m p a )松比g ( m p a )k ( m p a ) 软岩 2 9 3 l3 3 3 00 1 11 5 0 01 2 4 7 受力垂直f 层理 软岩5 5 9 6 7 5 5 8o 1 3 3 3 4 4 2 8 9 6 受力平行于层理 硬岩3 6 7 74 4 4 3o 0 82 0 5 71 6 1 0 受力垂直于层理 注浆体是锚固体系中的重要组成部分，起着锚固力的传递、保持以及锚筋材料 的防腐等作用。在永久性工程或者重要工程中，一般都要求注浆体具有早强、高 强、无害、微膨胀、施工和易性好等方面的优良性能。但国内目前对于锚固用注 浆体，尚无统一的行业标准，对于拉力型锚索，设计单位一般均只要求其注浆体 2 试验基本原理及设计 单轴抗压强度大于3 0 m p a ，而具体配合比则由施工单位根据施工经验和现场情况 具体选定。本课题在参考行业规范的基础上，结合工程中所使用的具体配合比， 拟定了1 1 种注浆体配比，对注浆体的物理力学性能及对锚的极限承载力的影响进 行了深入研究，为后续锚固工程的设计及行业规范的修订提供了科学的参考依据。 注浆体原材料 水泥：e o 4 2 5 普通硅酸盐水泥，重庆拉法基水泥有限公司生产；砂：合川 渠河砂，细度模数z ，= 1 5 ；水：生活饮用水。 注浆