（地质工程专业论文）土层锚杆常见病害破坏机理及防治技术研究.pdf

s t u d y o ff a i l u r em e c h a n i s ma n dc o n t r o lm e a s u r e s o na n c h o r s c o m m o nd i s e a s e si nc l a y ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f d o c t o r c a n d i d a t e ：w a n gb a n q i a o s u p e r v i s o r ：p r o f m e ny u m i n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储签名：江中勺 加年中眇日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：1 ，乞绎巧 导师签名：螂 乙f 汐年甲月i 岁佃 ，口年彳月，了日 摘要 本文以地质工程中的土层锚杆为研究对象，采用实际工程调查、模型试验与理论分 析相结合的研究方法，对土层锚杆的常见病害类型、原因进行了分析，并给出了相对应 的防治对策，在此基础上，提出了土层锚杆的破坏机理：“点破坏，复合体控制”。为土 层锚杆的破坏预测奠定了一定的理论基础。 1 通过对深基坑、公路边坡、水电站大坝等土层锚杆应用工程的调查，对其常见病害 的形式进行了总结及初步的分析。 2 通过两组不同间距情况下拉力型和压力型锚杆的室内模型试验，分别对单根锚杆的 应变分布曲线，同列锚杆坡面点、滑面点及锚固段末端点渗水前后、加载不同量级、 不同时间的应变分布曲线进了对比分析研究。给出了两种类型锚杆的应变分布曲线， 提出了土层锚杆应变分布的“时间效应”性、指出了土锚系统中最易发生破坏的部 位，及在水与外加荷载共同作用下的破坏规律，并对两种类型锚杆系统内力的分配 进行了对比研究。 3 通过m a r c 有限元分析，验证了模型试验的相关结论，并进一步结合模型试验与数 值模拟的分析结果，定义了土层锚杆的应力集中系数，提出在计算锚杆的有效锚固 段长度时，可根据锚杆所处位置的不同，分别采用不同的安全系数。 4 通过土层锚杆的现场拉拔试验，对锚杆的极限抗拔力随含水量的变化曲线进行了分 析；并对土层锚杆在注水前后的预应力损失进行了分析研究，得出了黄土层锚杆预 应力损失的主要影响因素。 5 利用故障模式与影响分析( f m e a ) 对土层锚杆进行了安全评价，得出了土层锚杆 中最易发生破坏的部位，并找出了其相关的影响因素与责任部门。 6 结合工程调研、试验分析、有限元模拟及f m e a 分析结果，对粘结性土层锚杆及预 应力土层锚杆的常见病害形式进行了总结分析，并对其破坏原因进行了解释；提出 了有效的防治措施。 7 基于试验及理论分析，提出了土层锚杆的失效机理：“突破点破坏，复合体控制”。 关键词：土层锚杆，室内模型试验，拉拔试验，故障模式与影响分析( f m e a ) ， 常见病害，防治对策，破坏机理 研究类型：理论研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k et h ea n c h o r si ns o i lo fg e o l o g i c a le n g i n e e r i n g 嬲t h eo b j e c to fs t u d y , b ym e a n so ft h e r e a le n g i n e e r i n gs u r v e y , m o d e lt e s t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n a l y z e dt h ec o m m o nt y p e so fd i s e a s e sa n d t h ec a u s e so fa n c h o r si ns o i l ，b e s i d e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e s ，o nt h i s b a s i s ，t h ep r o p o s e df a i l u r em e c h a n i s mo fa n c h o r si ns o i l ：”p o i n td a m a g e ，c o m p l e xc o n t r 0 1 ”l a i da t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf o r e c a s to ft h ed e s t r u c t i o no fa n c h o r si ns o i l 1 t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no nd e e pe x c a v a t i o n , h i g h w a ys l o p e ，h y d r o p o w e rd a mw h e r ea p p l i c a t i o n s a n c h o r si ns o i l ，t h ef o r mo ft h e i rc o m m o nd i s e a s e sa r es u m m a r i z e da n dap r e l i m i n a r ya n a l y s i s 2 t h r o u g ht e n s i o nt y p ea n dp r e s s u r et y p ea n c h o rl a b o r a t o r ym o d e lt e s ti nt h ec o n t e x to fd i f f e r e n t s p a c e ，t h ec o n t r a s ta n a l y s i sw a sc a r d e do u ti nas i n g l eb o l ts t r a i nd i s t r i b u t i o nc u r v e ，s l o p ep o i n to u tb o l k s l i d i n gs u r f a c ep o i n ta n de n dp o i n to ft h ea n c h o r i n gs e c t i o ns e e p a g ea r o u n d ，l o a d so fd i f f e r e n t m a g n i t u d e ，t h es t r a i nd i s t r i b u t i o nc u r v e sa td i f f e r e n tt i m e s g i v e nt w ot y p e so fb o l ts t r a i nd i s t r i b u t i o n c h iv e ，p r o p o s e d ”t i m ee f f e c t ”o ft h es t r a i nd i s t r i b u t i o no fa n c h o r si n s o i l ，s t a t e dt h em o s tv u l n e r a b l e s i t et od a m a g ei nt h ee a r t ha n c h o rs y s t e m s ，t h ed e s t r u c t i o no fl a wu n d e rt h ec o m m o na c t i o no ft h e w a t e ra n dt h ea p p l i e dl o a d , a n dt w ot y p e so fd i s t r i b u t i o no fi n t e m a lf o r c eb o l ts y s t e mh a v eb e e n c o m p a r e d 3 b ym a r cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h er e l e v a n tc o n c l u s i o n so fm o d e lt e s t sw a sv a l i d a t e d , a n dc o m b i n e d w i t ht h em o d e lt e s ta n dc o m p l e xm o d e l ，d e f i n et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ro ft h ea n c h o r si ns o i l ， m a d ei nc a l c u l a t i n gt h el e n g t ho ft h ee f f e c t i v ea n c h o r a g e ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n tl o c a t i o no fa n c h o r si n s o i l ，d i f f e r e n ts a f e t yf a c t o r sw e r eu s e d 4 t h r o u g hp u l l o u tt e s to ft h ea n c h o r si ns o i l ，t h eu l t i m a t ep u l l o u tf o r c eo fa n c h o ro fc u r v e sw i t hc h a n g e o ft h ew a t e rc o n t e n tw e r ea n a l y z e d ；a n ds t u d yt ol o s so fp r e s t r e s s i n go fa n c h o r si ns o i lb e f o r ea n da f t e r t h ef l o o d i n g ，a n do b t a i n e dt h em a i nf a c t o r so ft h el o s so f p r e s t r e s si nb o l to f t h el o e s sl a y e r s 5 u s eo ff a i l u r em o d ea n de f f e c t sa n a l y s i s ( f m e a ) t oa s s e s st h es a f e t ys i t u a t i o no ft h ea n c h o r si ns o i l ， o b t a i n e dt h em o s tv u l n e r a b l et od a m a g et h es i t eo fa n c h o r si ns o i l ，a n di d e n t i f i e df a c t o r sa s s o c i a t e d w i t ht h er e s p o n s i b l ed e p a r t m e n t s 6 c o m b i n e dw i t ht h ea n a l y t i c a lr e s u l to fe n g i n e e r i n gr e s e a r c h , t e s ta n a l y s i s f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n a n df m e aa n a l y s i s ，a n dt h ef o r mo fc o m m o nd i s e a s e so fa d h e s i v e - s o i ls o i ll a y e ra n c h o r a g ea n d p r e s t r e s s e ds o i ll a y e ra n c h o r a g ea r es u m m a r i z e d , a n dt h ed a m a g ec a u s e sw e r ee x p l a i n e da n dp u t s f o r w a r ds o m ee f f e c t i v em e a s u r e sf o rp r e v e n t i o na n dc u r e 7 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p r o p o s e dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h es o i ll a y e r a n c h o r a g e ：”b r e a k t h r o u g hd a m a g e ，c o m p l e xc o n t r 0 1 ” k e y w o r d s ：a n c h o r si ns o i l ，l a b o r a t o r ym o d e lt e s t ，p u l l o u tt e s t ，f a i l u r em o d ee f f e c t sa n a l y s i s ( f i v i e a ) ，c o m m o nd i s e a s e s ，p r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e s ，f a i l u r em e c h a n i s m 目录 第一章绪论1 1 1 研究的目的和意义l 1 2 土层锚杆技术的发展及研究现状2 1 2 1土层锚杆应力传递机理与内力计算研究概况3 1 2 2 土层锚杆的计算分析方法4 1 2 3 土层锚杆的试验研究7 1 3 土层锚杆常见病害的研究现状9 1 3 1锚杆( 索) 的失效模式及影响因素研究概况9 1 3 2 锚杆( 索) 预应力损失及影响因素研究概况1 0 1 4 本文研究的主要内容和拟采用的技术路线1 1 1 4 1主要研究内容1 1 1 4 2 所采用的技术路线。1 2 1 5 论文创新点。1 2 第二章土层锚杆常见病害的调研分析1 4 2 1 土层锚杆部分应用工程病害调研1 4 2 2 土层锚杆中的常见病害初步分析2 0 2 3小结一2 2 第三章土层锚杆的室内模型试验2 4 3 1 试验模型设计2 4 3 1 1 试验模型的组成：2 4 3 1 2 室内模拟试验步骤2 5 3 2 锚杆试验数据分析2 6 3 2 1间距为0 2 m 锚杆试验数据分析2 6 3 2 2 间距为0 3 m 锚杆试验数据分析3 0 3 3 小结：3 7 第四章全长粘结型锚杆数值模拟研究3 9 4 1 有限元模型3 9 4 1 1 基本假设3 9 4 1 2 计算模型的建立3 9 4 1 3 单元的划分4 0 4 1 4 约束条件及加载4 1 4 2 数值结果分析4 1 4 2 1 各种工况下锚杆的应力云图及应力分布曲线4 1 i i i 4 2 2 锚杆应力集中系数4 6 4 2 3 与模型试验结果的对比分析。4 6 4 3 小结4 7 第五章土层锚杆拉拔试验分析4 8 5 1 模型试验设计4 8 5 1 1试验工况4 8 5 1 2 锚杆的制作4 9 5 1 3 渗水方案4 9 5 1 4 锚杆拉拔试验步骤。5 0 5 2 锚杆应变随荷载变化情况5 2 5 3 水对土层锚杆的影响5 3 5 3 1 含水量对土层锚杆p s 曲线的影响5 3 5 3 2 含水量与单点应变5 4 5 3 3 含水量与锚杆的极限抗拔力。5 5 5 4 锚杆的预应力损失5 6 5 4 1 注水前后锚杆的预应力损失5 6 5 4 2 锚杆位移5 8 5 5 异常情况5 9 5 6 爿、结。5 9 第六章故障模式与影响分析( f m e a ) 在土层锚杆病害诊断方面的应用。6 1 6 1f m e a 概述6 1 6 1 1f m e a 的目的和要求。6 2 6 1 2f m e a 的分析步骤。6 2 6 2 土层锚杆的故障模式与影响分析6 4 6 2 1土层锚杆的系统功能框图。6 4 6 2 2 土层锚杆的故障模式分析6 5 6 2 3 土层锚杆f m e a 评定标准设定6 6 6 2 4 土层锚杆的f m e a 分析表6 8 6 3 土层锚杆的f m e a 结论7 1 6 3 1 r p n 分析7 l 6 3 2 土层锚杆各部分r p n 值统计分析7 4 6 4 卅、结7 z l 第七章土层锚杆的主要失效形式及失效机理分析7 5 7 1 土层锚杆的主要病害形式7 5 i v 7 1 1 注浆体和土体的界面失效“7 5 7 1 2 注浆体与杆体之间的粘结破坏一7 6 7 1 3 土体的破坏7 8 7 1 4 灌浆体的拉裂和压碎。7 8 7 1 5锥体破坏7 9 7 1 6 锥体粘结复合破坏81 7 1 7 整体( 局部) 失稳破坏8 1 7 1 8 预应力损失。81 7 2 土层锚杆的失效机理8 3 7 2 1 点破坏一8 3 7 2 2 土锚复合体的控制及调整8 4 7 3 小结8 5 第八章土层锚杆的病害防治8 6 8 1 土层锚杆锚固力的保证8 6 8 1 1 提高锚索( 杆) 的抗拉能力一8 6 8 1 2 提高锚固段砂浆对于锚杆的握裹力8 7 8 1 3 提高锚固段土体与锚杆之间的抗剪强度。8 8 8 1 4 提高被锚固土体的整体稳定性。8 9 8 2 土层锚杆内部稳定性分析9 0 8 3 锚杆( 索) 预应力损失的防治9 1 8 4 水的防治9 4 8 5 施工质量的保证_ 9 6 8 6 j 、 4 ；9 7 第九章结论与展望9 9 9 1 结论9 9 9 2 展望10 0 参考文献1 0 1 致谢10 6 附录10 7 v 长安大学博士学位论文 第一章绪论 土层锚杆是近代岩土工程领域的一项重要技术，是一种埋设在土层深处的受拉构 件，能充分发挥土体能量、调用和提高土体的自身强度和自稳能力，可以有效控制土体 及工程结构物的变形，并确保施工安全与工程稳定。 1 9 5 8 年，德国b a u e r 公司首次将土层锚杆技术成功应用在深基坑开挖中【l 】。上世纪 5 0 年代锚杆技术传入我国，1 9 6 4 年梅山水库在右岸坝基的加固中首次成功地使用了锚 索加固技术；北京的国际信托大厦、京城大厦、王府饭店、上海太平洋饭店、上海展览 中心、沈阳中山大厦等大型基坑工程均采用了预应力土锚背拉桩墙结构1 2 】；云南漫湾水 电站边坡整治、吉林丰满电站大坝加固和上海龙华污水处理厂沉淀池抗浮等工程也大规 模地采用了土层锚杆；长江三峡水利枢纽工程船闸高边坡加固就用了1 0 4 0 0 0 束锚索， 锚固力由原来的5 0 0 k n 发展到3 0 0 0 至3 2 0 0 k n l 3 - 4 。 土层锚杆技术以其结构简单、施工安全、对坡体扰动动小、对附近建筑物影响小、 节省工程材料等突出优点受到了工程界的青睐，近年来得到了迅速发展和广泛应用，几 乎已触及岩土工程领域的各个角落：边坡、基坑、矿井、隧洞、地下工程，坝体、航道、 水库、机场及抗倾、抗浮结构等工程建设。 随着我国大力兴建基础设施，特别是对交通、能源、水利和城市基础设施建设力度 的加大，锚固技术已展示出十分广阔的应用前景。 虽然土层锚杆的应用范围较广，但对其锚固机理的认识与理论研究却相对滞后，目 前还没有一种可以得到广泛认可的工程设计理论，整体处在经验设计阶段，还有许多问 题有待于进一步解决。锚杆支护又为隐蔽工程，加上土体的性质复杂多变，锚杆工程出 现病害甚至失事的现象屡见不鲜，给工程建设带来极大的安全隐患，严重的甚至造成工 程中断、人员伤亡和带来重大的经济损失5 。 1 1 研究的目的和意义 本论文依托于陕西省交通科技项目“土层锚杆常见病害及防治技术研究”( 0 4 1 0 k ) 【8 】，以土层锚杆为对象，对其常见病害进行深入调查和研究，分析造成病害的原因，总 结其破坏规律，提出有效的病害防治方法，为土层锚杆的灾害防治提供指导作用，为我 国的工程建设服务。 研究拟达到的技术水平：总结出的土层锚杆常见病害类型与机理，具有系统性和指 导性；研究出的土层锚杆常见病害防治技术，具有理论价值和实用性；利用安全评价法 第一币绪论 f m e a 对土层锚杆进行的故障模式与影响分析表具有创新性和实用性。 其研究成果将为岩土锚固工程提供技术支持，可使土层锚杆病害防治工作逐步科学 化、标准化、规范化，以达到减轻和防治土层锚杆病害的目的，保障各项工程建设的顺 利实施；其成果还可指导其它工程建设中的土层锚杆病害防治，从而减少或避免因土层 锚杆破坏造成的巨大经济损失和社会负面效应，促进土层锚杆技术进步和国民经济建设 的安全可持续发展。 1 2 土层锚杆技术的发展及研究现状 上世纪5 0 年代以前，锚杆技术仅仅作为施工过程中一种临时性措施。5 0 年代中期， 永久性的小型灌浆锚杆和喷射混凝土开始替代以往的隧道衬砌结构在国外的隧道工程 中广泛应用。6 0 年代后，锚杆技术迅速发展，不仅在临时性支护中使用，在永久性建筑 物修建时也广泛应用。与此同时，受锚固的地层已不仅局限于岩石，软岩、风化层以及 砂卵石、软粘土等土层也积累了相关的锚固经验。尤其值得一提的是，1 9 6 9 年在墨西 哥召开的第七届国际土力学和基础工程会议上，土层锚杆技术被列为一个专门的问题来 讨论【9 】。7 0 年代后，召开的多次地区性国际会议上，均有涉及有关锚杆技术的研究与经 验交流。这个时期锚杆技术的试验和理论研究仍在不断发展之中。8 0 年代以来，瑞典、 德国、美国、英国、日本等国家分别研制了多种不同类型的锚杆施工机具和灌浆工艺， 各国还各自制定了锚杆设计和施工的技术规程。我们国家也制定了相关的规范规程：锚 杆喷射混凝土支护技术规范( g b 5 0 0 8 6 d 2 0 0 1 ) 和土层锚杆设计与施工规范 ( c e c s 2 2 ：9 0 ) 1 0 - l l 】。这一期间国际间的学术交流也十分活跃，1 9 9 5 、1 9 9 6 、1 9 9 7 连续三 年先后在奥地利、中国和英国举办了关于地层锚固和锚固结构的国际学术会议，广泛交 流了岩土锚固的理论、设计、材料、施工、腐蚀、防护、试验、长期性能、荷载传递和 界面上的粘结特性等成果，特别是根据美国、科威特和南非的现场调查，提出了关于锚 杆杆体腐蚀的独特的、重要的研究资料【12 1 。 2 1 世纪以来，土层锚杆研究比较活跃的话题比较多，主要是围绕工程及设计中的一 些疑点展开的【。7 1 。主要有以下三个方面： 土层锚杆加固机理和计算理论的研究，又分为以下两个方面：a 、锚固体系失稳 破坏形式和力学模型的研究；b 、软土地基中锚杆支护体系稳定性研究。 中国水利水电科学研究院提出应用塑性力学上限解对用锚索、锚桩加固的边坡进行 稳定性分析，武汉岩土研究所用有限单元法计算分析了预应力长锚索单体的加固机理， 原电力部西北勘测设计院也对锚杆锚索加固机理进行了大量深入的研究。 2 长安大学博十学位论文 锚固体系的试验研究，主要有锚固体系和预应力锚杆的变形、试验、监测和控制 研究。 武汉岩土研究所通过大吨位试验分析了预应力长锚索单体加固机理。 对灌浆工艺、 降水方案等施工工艺的研究。 1 2 1土层锚杆应力传递机理与内力计算研究概况 土层锚杆通过锚杆筋体( 钢束) 和灌浆形成的锚固体与土体之间的摩擦作用进行荷载 传递，锚固系统中力的传递路线为：锚杆筋体_ 锚固体_ 土体。 英国、美国、法国、加拿大、澳大利亚等国对锚杆( 索) 荷载传递机理的研究较多， 成果比较先进、成熟。研究内容主要有两个方面：荷载从锚杆( 索) 转移到灌浆体的 力学机理研究，灌浆体与土体间力学机理的研究。 2 0 世纪7 0 年代，e v a n g e l i s t a 和o s t e r m a y e r 1 3 - 1 4 】等分别对粘性土和粒状土中的锚杆 进行试验分析，量测到锚固体表面摩阻力沿锚固长度呈非均匀分布；f u j i t a t l 5 】等总结了 3 0 例现场试验成果，提出了临界锚固长度概念，认为超过这个长度，极限抗拔力增加很 少；在基于锚杆荷载传递理论的分析法中，p h t l l i p s t l 6 j 通过试验，提出锚杆筋体与灌浆体 的结合应力沿锚固长度呈负指数函数分布：此外，p h i l l i p s ，b a l l i v y 和m a r t i n 又对灌浆 体与岩土体界面间的剪应力分布进行了研究，提出灌浆体与岩土体界面的剪应力分布也 呈负指数函数分布，与锚杆筋体与灌浆体界面的剪应力分布相似，但只给出适用于土层 锚杆的有关参数；o s t e r m a y e r 和s c h e e l e ”】通过大量的非粘性土锚固试验，提出随着外 加荷载的增加，锚杆上表面粘结力的峰值点逐渐由锚固段近端向远端转移。 国内对土层锚杆力学传递机理研究较多的学者有程良奎、尤春安、张季如等。 程良奎等【1 7 】对上海太平洋饭店和北京京城大厦两个深基坑工程的拉力型锚杆锚固 段粘结应力的分布形态进行了测定，得到以下规律性的认识：粘结应力沿锚固段的分 布很不均匀，从锚固段的近端( 即邻近自由段的一端) 逐渐向远端减小；随着张拉力的 增加，粘结应力峰值逐渐向远端转移。粘结应力主要分布在锚固段前端的8 1 0 m 范 围内，当锚固长度超过某值( 该值与土体种类有关) 后，则长度的增加对锚杆承载力的 提高就极其有限了。在外力作用下，拉力型锚杆的锚固体有严重的应力集中现象，会 使锚杆的腐蚀加速；为克服这些缺点，开发应用了承载能力较高的压力型锚杆。 尤春安【1 8 - 1 9 1 采用岩土体锚固体共同变形原理，提出了全长粘结式锚杆、集中拉 力型、分散拉力型、集中压力型和分散压力型等各种类型的预应力锚索锚固段应力分布 的理论解，并对其受力特征、应力分布规律进行了分析。 第一帚绪论 张季如等【2 0 1 假定锚固体与地层之间的剪力与剪切位移呈线性增加关系，于2 0 0 2 年建 立了锚杆荷载传递的双曲函数模型，对锚杆荷载一变形曲线进行了分析，利用力的平衡 以及弹性力学原理得出p x 、f x 的关系式。 王建宁【2 1 】假设杆体、浆体和锚固层共同作用，依据弹性力学的m i n d l i n 解，由变形 协调条件推导出一组计算锚杆内力的公式，结果表明摩阻力沿轴向呈不均匀分布。 张洁e 2 2 】以双折线硬化模型来考虑锚固层界面的非线性，利用s e e d ( 1 9 5 7 ) 提出的荷载 传递法，推导出了一组计算锚杆尸一s 曲线的解析公式。 朱玉等通过分析试验数据，回归得到了锚杆锚固段轴力分布的两参数复合幂函数 模型，进而推导出预应力锚索锚固段剪应力分布函数。 吴璋通过试验对黄土地层预应力锚杆( 索) 锚固机理进行了研究，提出黄土地层 中，灌浆体与地层间的剪应力分布符合p h i l i p s 公式。 何思明【2 5 1 在预应力锚索作用机理方面作了比较细致的研究：预应力锚索锚固段 的破裂面为指数型的复合型曲面；将剪滞模型用于预应力锚索锚固段侧阻力分布规 律；根据损伤力学的原理，得到预应力锚索锚固段的侧阻力分布模式、轴力分布特 性及荷载变位特性等重要性质。 分析方法不同，锚杆内力分布规律也不相同。尤春安陋1 9 1 等人认为锚杆剪应力在孔 口处最大，锚杆轴力在孔口处为零；王明恕口6 之9 】等人认为锚杆剪应力在中性点处为零， 轴力在中性点处最大；现行的锚杆规范认为摩阻力沿锚杆均匀分布；张季如、唐保付1 2 0 】 等人认为锚固体与锚杆周围土体之间的剪力与剪切位移呈线性关系等。目前，对于锚杆 的应力传递机理与内力计算分析还没有一个统一的理论依据，理论研究还不成熟，有待 于进一步的研究。 1 2 2 土层锚杆的计算分析方法 土层锚杆的理论计算分析方法比较多，常用的有工程简化分析法、经验设计法、极 限平衡法、有限元法、局部稳定分析法、应力应变分析法等。 一、工程简化分析方法 简化分析的实质就是直接给定临界滑移面的位置，直接给定不同部位锚杆的最大拉 力。虽然这种方法比较粗糙，但作为估算锚杆的拉力和有经验者进行锚杆的初步设计仍 不失为一种较为简便有效的方法。 工程实践中，人们提出了许多简化分析方法。国内目前常用的简化分析方法【3 0 1 有： 由我国有色金属工业长沙勘察院提出二分之一分割法；假定潜在破坏面的方法，包 4 长安大学博i 学位论文 括楔形破坏滑移面和双折线滑移面法；王步云方法【3 1 1 。王步云建议的方法比较简单， 在实际工程中应用较为普遍。 二、工程实践经验 来源于经过实践检验的实际工程中，这方面的资料主要集中在锚杆的应用上，以及 工程结束后的实际效果检验。 三、极限平衡法 极限平衡法是土坡稳定和基坑支护理论较早采用的方法，也是目前土层锚杆支护应 用最为广泛的方法之一。该方法需要假定各种可能的破坏面位置，从中寻找临界破坏面， 满足安全系数要求。该方法沿用了土力学中极限平衡方法，在进行受力分析时，加入了 锚杆作用。按极限平衡理论研究基坑支护稳定性时，通常假设一个潜在的滑裂面，对应 于不同的滑裂面形状产生了基于极限平衡理论的不同的设计、计算方法，如直线形 r a n k i n e 滑裂面法和圆弧形j a n b u 法、b i s h o p 法。 安全系数不同、滑动面形状假定不同、锚杆相互作用类型不同以及锚杆内力分布的 假定不同，相应的试验成果、计算方法也就不同。工程中应用较多、并具有代表性的有 以下几种：由s t o c h e r 3 2 】等人于1 9 7 9 年提出的德国方法；由沈智刚【3 3 。4 】等人在1 9 8 1 年提出的d a v i s 法以及改进的d a v i s 法；由s c l l l o s s e r 【3 5 硼于1 9 8 3 年提出的法国方法； ( 4 ) 由r j b j r i d l e 3 8 】于1 9 8 9 年提出的b r i d l e 方法；( 5 ) 由j u r a l l 【3 明等人于1 9 9 0 年提出的机 动法或运动法。 国内比较成熟的方法有：程良奎、杨志银例提出的方法；清华大学张明聚、宋 二祥、陈肇元等m 1 1 基于瑞典条分法提出的的计算方法；王宝安、史维汾、王国俊h 2 】 等基于优化理论中的复形调优法，建立了最危险滑动面的搜寻计算模式；( 4 ) 罗晓辉等4 3 1 采用s a r m a 提出了扰动力的概念，建立了考虑土条间作用力影响支护结构稳定分析极限 状态方程。 极限平衡法的缺点在于没有考虑各土条对锚杆所提供的拉力大小、剪阻力沿全长的 分布规律以及土体的应力应变关系；另一个缺点是不能估计土体变形量的大小，不能考 虑基坑分步开挖的影响。 四、有限元法 随着计算机的应用，有限元法成为目前公认的解决复杂岩土力学的一种有效方法。 与极限平衡法相比，有着特别强大的优势，能计算土层锚杆的内力，模拟开挖过程，模 拟分步开挖和支护过程中的应力场和应变场的变化规律，模拟基坑开挖过程中各层锚杆 5 第一章绪论 轴力的变化规律和基坑侧向位移的变化规律等，而且可以考虑土体的非均匀性和各向异 性等复杂性态。 美国加州大学d a v i s 分校沈智刚【3 3 。3 4 】等用有限元分析土锚支护体系中的一些参数 对其工作性能的影响。他们所开发的有限元程序采用平面假设，可模拟基坑开挖和土锚 支护体系的建造过程。对土锚加固区采用一种复合模式来综合考虑土、锚杆及其界面的 共同作用。土的应力应变关系用邓肯一张模型来描述。计算表明，锚杆的倾角以15 0 2 5 0 为 佳。影响体系变形的主要参数有施工过程、基坑深度、土的性质以及锚杆长度、直径和 间距等。 s h a f i e e 所做的有限元分析表明，如果水平设置锚杆，则弯曲刚度的大小对于土体的 最大水平位移以及锚杆所受的最大拉力和剪力均无明显作用，锚杆向下倾斜会使水平位 移增加，刚性较大的锚杆可明显减少土体的最大位移。 清华大学的宋二祥用p l a x i s l 4 0 4 1 】土工有限元程序对土锚支护进行分析，发现面层厚 度变化对锚杆的最大拉力与支护最大位移都没有明显的影响，而增加上部锚杆长度可以 减少支护变形。利用p l a x i s 程序模拟开挖过程，发现土锚复合体中土体的滑移半径比素 土坡要增大很多。 五、数值流变法【4 2 】 数值流变法的理论基础是现代数学一流变”的有限覆盖技术。该法最大的优点在 于对连续和非连续问题建立了统一的计算格式，是一种非常适合于岩土工程的数值分析 方法。 六、d d a 法【4 3 】 d d a 法是非连续变形分析的简称，是一种用于裂隙岩体分析的数值计算方法。既 可作静力计算，也可用于动力计算，有正分析和反分析两种。该法允许块体本身有位移 和变形，允许块体间有滑动、转动和张开等运动形式，并采用统一的有限元格式求解块 体的刚体位移和变形，兼有离散元和有限元之长。 七、局部稳定性分析法 局部稳定性分析法最大的缺陷在于只考虑了水平方向上力的平衡，没有考虑垂直方 向的平衡条件，是一种静定问题的求解方法。如果考虑到垂向的平衡条件时，该法就变 为超静定问题，难以求解。 八、应力应变分析法1 4 q 应力应变分析法依据边坡内土体应力应变关系定义某一临界屈服准则，用 6 长安大掌博士学位论文 有限元法或有限差分法计算边坡内土体应力分布和位移分布，来评价边坡安全度。 c k s h e n 、s h a f i e e 和p l a m a l l e 以及宋二祥等人均曾用有限元法来分析土层锚杆支护体系 的工作性能，张明聚也通过三维有限元模型对土层锚杆支护系统的变形性能进行了分析 4 0 d 5 1 。此法可以计算出土层锚杆产生的最大拉力以及土层锚杆支护结构的应力和位移， 但预测的变形准确性不高，需要的原始参数较多。 1 2 3 土层锚杆的试验研究 土层锚杆试验研究主要包括室内的模型试验、离心试验、抗剪试验、室外足尺试验、 现场抗拔试验、压力和应力应变测试等方法。室内试验一般是模型试验，而现场试验一 般有基本试验、抗拔试验、蠕变试验、验收试验等。 1 、室内模型试验 室内模型试验研究周期较短，参数选择可控、灵活，常用于定性的研究。 尤春安 1 8 - 1 9 】对锚固段界面力学特性进行了试验研究，得到了灌浆体基体界面 的荷载糟移曲线，从而为锚固系统的数值分析打下基础。研究表明：锚固力的大小 与灌浆体的力学特性有关，尤其与灌浆体的砂浆含砂量有关。在保证砂浆一定强度的条 件下，含砂量越高，锚固力越大。 肖毅阳等进行了钉锚的室内模型试验，模型槽尺寸为：长高宽 - - 9 0 c m 8 0 c m x 3 0 c m ，土层锚杆杆体采用8 c m 宽的薄铁皮模拟。通过对钉锚结合支护的 作用机理以及钉锚结合时的轴力传递规律的研究，测得了土钉支护和钉锚结合支护的边 坡土体位移场，又由位移场信息反演得到应变和应力场， 孔宪刭4 7 4 8 1 教授以木锚杆为研究对象，建立了土锚杆界面的模型。应用此成果， 可在给定界面参数条件下预测锚杆的特性，并在减少大量锚杆拉拔试验的情况下得到较 可靠的锚杆特性数据，还可根据给定的锚杆抗拔试验结果确定界面参数，大大方便了锚 杆的设计。 陈广峰【4 9 】等进行了黄土层锚杆的室内模型试验，模型中的锚杆采用直径为2 0 m m 的 塑料管模拟，得出了黄土中锚杆受力规律与在其它支护介质中相似的结论。推导出了最 佳安装角口咖的计算公式，提出了剪力沿锚杆长度分布的“黄金分割”规律，得出了不同 锚固角情况下的有效锚固长度。 范秋燕等5 0 1 通过大型室内模型试验，研究了土质基坑在开挖和预应力锚杆施工过程 中土中应力、锚固段应力及基坑壁侧向位移的变化规律。并对土层锚杆的锚固和变形机 7 第一荦绪论 理进行了探讨。提出要精确地