（岩土工程专业论文）岩石锚固作用机理及荷载传递规律研究.pdf

论文题目：岩石锚固作用机理及荷载传递规律研究 专业：岩土工程 硕士生：邵红旗 ( 签名) 翌兰兰丕童 指导老师：谷拴成 ( 签名) ：纽兮 摘要 岩体锚固是岩土工程领域中非常重要的分支，岩石锚固作用机理及岩体预锚加固中 内锚固段荷载传递规律是岩体锚固中的核心问题之一。目前，关于岩石锚固作用机理及 荷载传递规律的研究己经取得了一定成果，但由于实际工程的复杂性，理论上的研究还 不是很成熟，如何对岩石锚固作用机理及荷载传递规律作进一步研究，为岩土工程中锚 杆( 索) 的力学分析和设计提供理论依据，以便为实际工程服务具有重要的实践意义。 本文主要研究内容如下： 1 对岩石锚杆作用机理进行了分析研究，分别分析研究了锚杆径向锚固、切向锚固 的产生作用机理，并与工程实际所测结果作了对比分析验证；又进一步分析研究了锚杆 作用力对锚固体力学性质的一些影响。 2 基于弹性理论，利用半无限弹性空间边界上作用一个集中作用力对半无限空间内 某点作用的b o u s s i n e s g 位移解，建立了全长粘结岩石锚杆在均质岩体中和拉拔试验中解 析本构模型，得到了杆体周边轴力和剪应力分布规律的解析公式，并与现场实际监测结 果和拉拔试验所得结果进行对比验证，吻合较好。 3 对预应力锚索内锚固段荷载传递规律进行分析研究，采用局部变形理论和理想弹 塑性荷载传递模型等力学传递模型推导了锚束体与注浆体及注浆体与孔壁岩体粘结界 面的剪应力及轴力分布弹塑性解，并分别进行了两个界面轴力和剪应力的受力特征分析 计算；并对一些影响轴力和剪应力分布形式的重要锚固参数( 如岩体弹性模量e ，、拉拔 荷载尸及锚固体直径尺，等) 等做出了分析研究，得到一些对工程具有指导意义的结论。 4 分析总结了预应力锚索工作机理，做出了预应力锚索对岩质边坡加固机理的探讨； 重点对预应力锚索晟佳倾角做出了技术经济分析，在岩质边坡加固中，从受力与全锚索 _ 单， pl 1 长度综合分析，确定出预应力锚索最佳技术经济倾角为= 导鲁+ 罴缈一口( 锚固段 a + l a a + l j 最佳角度和自由段最佳角度的加权平均角度) ，其在实际施工中也是可行的。 关键词：岩石锚杆；作用机理；荷载传递规律；弹性理论；预应力锚索 研究类型：应用研究 s u b j e c：s t u d yo ni n t e m c t i n gm e c h a n i s ma n dt h el 响d1 h n s f e rr e g u i a r i 够 o fr o c ka n c h o r a g e s p e c i a i t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e：s h a oh o n g q i i n s t r u c t o r ：g us h u a n c h e n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) a b s t r a c t r o c k m a s s 柚c h o r a g ei st h ev e r yi r r i p o r t a n tb 砌c ho fm eg e o t e c l l i l i c a le n g i n e e r i n g m e a n w h i l e ，r e s e a r c ho n 、v o r k m gm e c h a n i s mo fr o c k - m a s sa i l c h o r a g ea j l dl a wo fl o a dt m s f - e r o fp r e s t r e s s e dc a b l e si so n eo ft 1 1 er o c k m 弱sa 1 1 c h o r a g ec o r e s a tp r e s e n t ，a l m o u 曲s o m e a c t l i e v e m e n t s ，i t ss t i l ln o rm a t u r ei nt l l e o 巧o fr o c k - m a s sa n c h o r a g ew o r k i n gm e c h a i l i s ma n d l o a d 咖s f e rm e c h 砌s mb e c a u s eo fc o m p l e x i 够o fe n g i n e e r i n g i t sas i g n i f i c a n tt a s k i n p r a c t i c et 0m m 血r t h e rs t u d yo nm et h e o 巧o fl o a dm m s f e rm e c h a n i s mt ol ( i l o wt h ec a b l e s c h a m c t e rw e ni no r d e rt op r o v i d et l l e o r e t i c a lp 血c i p l eo f a n c h o r i n gd e s i 弘 t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf - o l l o w s ： m a d er e s e a r c ho nt h ea x i a la n dt a 】n g e n t i a la i l c h o r a g ef o r c e si n t e r a c t i n gm e c l l a j l i s mo f r o c kb o l t ，t h em e o 巧a n a l y s i sr e s u l t si si ng o o da g r e e m e n t 、v i t ht h ei n - f i e l dt e s tr e s u l t s t h e i m p a c to fa i l c h o r a g ef o r c e0 nm e c h a n i cc h 聪l c t e ro fa i l c h o r a g em a s s e sa i l da n c h o r e de 髓c to f r o c km a s s e di sa n a l y z e d b a s e d0 nm ee l a s t i ct i l e o t h r o u 曲e s 切b l i s h e dm e c h 觚i cm o d e lo fr o c k b o l ti nu n i f o 咖 r o c km a s s e so nt h eb a s e o ft h eb o u s s i n e s g ss o l u t i o no fd i s p l a c e m e n t ，d e d u c e dt h e d i s t r i b u t i n ge x p r e s s i o n so fm es h e a rs 吮s sa n da x i a lf o r c eo f b o l t ，m et i l e o 巧a 1 1 a l y s i sr e s u l t si s i ng o o da g 阳e m e n t 州t ht l l e i i l f i e l dt e s tr e s u l t s a l s oe s t a _ b l i s h e dt l l em e c h l i cm o d e lo f 如l l l e n g t i lb o n d e dr o c kb o l ti l l 疵f o mr o c km a s s e s ，t l l ed i s t r i b u t i n ge x p r e s s i o n so fs h e a r s t r e s sa 1 1 da x i a lf o r c eo fr o c kb o l ti i lp u l lt e s ti sd e r i v e d t 1 1 et l l e o r ya n a l y s i sr e s u l t sa r ei n g o o da g r e e m e n tw i t l lt h ei n f i e l dp u l lt e s tr e s u l t s m a d er e s e a r c ho fl o a d 仃a n s f e rr e g u l a r i t ) ，o nt l l eb o n d e ds e c t i o no fp r e s t r e s s e dc a b l e s ， a d o p t e dm el o c a jd e f o m a t i o nt h e o d r 锄dt h ep e r f e c te l a s t i c p l a s t i cl o a d 一馏a i l s f e rm o d e le t c m e c h a l l i cm o d e l sd e d u c e dt i l es h e a rs t i e s sa i l da x i a lf o r c ed i s t r i b u t i o ne x p r e s s i o n so nt l l e i n t e r f - a c e so fg r o u t r o c km 2 l s s e s 趾ds t e e ls t r a n d s ，a n a l y z e dt 1 1 em e c h a m cc h a r a c t e ra j l d c a l c u l a t e dm es h e a rs 吮s sa 1 1 da x i a lf o r c eo nt 1 1 et w oi m e r f a c e sa sas p e c i f i ce x 锄p l ec a s e ； t h r o u 曲a n a l y s i ss o m ei m p a c tp 麒u i l e t r i c ( e ，、 p 、 r 。e t c ) o b t a i n e ds o n l es i g l l i f i c a n c e c o n c l u s i o n s g e n e r a l i z e dt h e i n t e m c t i n g m e c h a l l i s mo fp r e - s 臼e s s e dc a b l e s ，a n dd i s c u s s e dm e r e i l l f o r c e m e mm e c h a n j s mo fp r e s t r e s s e dc a b l e si nr o c ks l o p er e i n f o r c e m e m m a d et h e t e c h n i q u ea 1 1 de c o n o m ya n a l y s i so no p t i m 眦a n c h o r a g ea i l g l eo fp r e - s t r e s s e dc a b l e si i lr o c k s - 。p er e i 响r c e m e n t ；s = 要暑+ 云篆晶伊一口，t h et h e 。r e t i c mr e s u - t st sr e a s i b - e 洫p r a c t ；c 出 c o n s t r i l c “o n k e yw o r d s ：r o c kb o l t i i l t e r a c tm e c h a n i s ml o a dt r a n s f e rr e g u l a r i t ) r e l a s t i ct h e o 巧； p l - e s t r e s s e dc a b l e s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 锯期：炒口“何 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查c ；6 | 和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适川本声明。 舭 务礁黼：警 日 1 绪论 1 1 研究目的及其研究意义 1 绪论 随着岩土工程的飞速发展，岩土锚固技术已经成为其中的一个重要分支。在岩土工 程中采用锚固技术，能充分挖掘岩土体自身的能量，调用岩土体的自身强度和自身承载 能力，大大减轻结构自重，节约工程材料，取得显著的经济效果，并确保施工安全与工 程稳定。目前己经在水利，交通，能源，核废料等领域和建筑基础等工程中得到广泛应 用，尤其是在西部重大水电工程岩石高边坡加固中广泛应用，大吨位预应力锚索及新型 锚索的开发推动了岩土加固理论与技术的不断发展【l 2 3 j 。 岩土锚固就是通过预先在地质体埋设锚杆( 锚索) ，将结构物与地质体连锁在一起， 依靠锚杆( 锚索) 与地质体间的相互作用，将结构物的荷载传递到地质体，或使地质体自 身得到加固，增强其承载力。 据记引4 5 _ 7 】，美国于1 9 1 1 年首先使用岩石锚杆支护矿山巷道，1 9 1 5 年西利西安 矿山开采使用锚索支护，1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆，1 9 4 6 年英国首次实验机械涨壳式锚杆，并开始大规模应用，法国1 9 4 9 年开始在铁矿中应用 锚杆，1 9 5 7 年西德b a u e r 公司在深基坑中使用土层锚杆。6 0 年代中期，法国引进了 树脂全长锚固锚杆，2 0 世纪8 0 年代，英国，日本等国研究开发了一种新型锚固技术： 单孔复合锚固，改善了锚杆的传力机制，能大大提高锚杆的承载能力和耐久性。1 9 8 9 年，澳大利亚在w a l l a g 锄b a 重力坝加固工程中，采用由6 5 根直径为1 5 2 m m 的钢绞线 组成的锚杆，极限承载力达到1 6 5 0 0 k n 。2 0 世纪9 0 年代以来，国外岩土锚固技术无论 在理论研究、技术创新或工程应用方面都取得了飞速发展1 8 j 1 0 1 。 我国岩石锚杆起始于5 0 年代后期，当时有京西矿务局安滩煤矿，河北龙烟铁矿， 湖南湘潭锰矿等单位使用锲缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，我国开始采用锚固 技术加固水工建筑物的基础部分，1 9 6 4 年，梅山水库的坝基加固采用了高强度，粗大的 预应力长锚索，加固后的坝基抗滑稳定性系数提高了0 2 ，保证了大坝日后的正常工作， 预应力锚索逐步在水电项目工程中得到了广泛应用。7 0 年代，北京国际信托大厦，上海 展览中心、沈阳中山大厦等基坑工程采用土层锚杆支护【l2 1 。8 0 年代，建成了一大批在 极端复杂，困难地质，水文条件下的隧道与地下工程，如张家洼铁矿，金川镍矿山工程 等，采用了各种不同的锚固技术对其软弱，松散的洞室围岩，以及遇水膨胀，动压等问 题进行了处理，取得了良好的加固效果。在小浪底，云南漫湾水电站，锦屏水电站，二 滩等重大水电工程中，大吨位的长锚索以及新型预应力锚索在岩石高边坡稳定性加固中 得到不断应用。下面列举我国的部分水电项目岩质边坡锚固实例，如表1 1 所示i i 引。 西安科技大学硕士学位论文 岩土边坡加固，坝基稳定，深基坑支挡，结构抗浮与抗倾，悬索建筑的地下受拉结 构等等，无不与锚固技术结下了不解之缘。 岩土锚固理论的发展大概经历了三个阶段【1 4 】：( 1 ) 结构工程概念阶段，这个阶段采 用结构力学建立起来的支撑理论，其技术措施对岩体的作用是被动的，消极的，即当岩 体破坏或较大变形时它才起作用，否则支撑作用不明显。主要特点是，把岩土中潜在的 破坏部分作为荷载由锚杆( 锚索) 结构支撑。其代表理论有： 表1 1 岩体锚固工程实例 i ：程名称岩性 根数 承载力内锚段长最人孔 ( k n ) 度( m m )杼( m m ) 漫湾水电站流纹岩 2 5 0 3 0s 1 01 1 5 1 7 s 三峡链子崖灰岩 2 1 0 i 0 0 0 ，3 0 0 0b l o1 1 5 - 1 7 5 李衮峡水电站混合岩及闪长岩 2 8 5 1 0 0 0 ，3 0 0 07 1 01 2 m 1 6 s 犬生桥二级水电站砂页岩夹泥岩 2 2 4 1 2 7 1 01 3 0 二滩水电站2 号水渠乏武质火山碎屑岩 1 3 ，8 72 0 ，3 0 0 0瞄 1 6 5 铜街子水电站右岸玄武岩 3 63 2 41 6 0 龙羊峡水电站花岗闪长岩 4 1 3 0 乌鲁瓦提水电站左岸云母彳i 英片岩 l 0 0 01 01 5 3 清江膈河岩水电站石灰岩2 2 8 1 4 81 5 0 水口水电站边坡黑云母花岗岩 2 7 0 0 人朝山水电站 玄武岩 1 1 32 0 0 06 51 6 5 十三陵水库边坡凝灰岩 2 9i 0 0 06 1 2 0 三峡永久船闸花岗岩 2 3 4 ，3 9 7 53 2 0 05 馋 1 1 5 1 6 5 小浪底水电枢纽出口细砂岩 3 5 02 0 0 0 ，3 0 i m l 2i 亿2 0 悬吊理论、成拱理论、组合梁理论及销钉理论等。( 2 ) 岩土工程概念阶段，这个阶段通 过直接或间接的施加预应力，将锚固体系由被动承载转为主动加固，充分发挥内部岩土 体的强度和自稳能力，使锚固体系由支撑概念转变为加固概念。锚喷支护技术和预应力 锚索技术便是采用岩土加固概念发展起来的岩体加固新技术，主要应用于自然或人工边 坡的稳定，有变形限制要求的开挖边坡或洞室。这是岩土锚固理论在思想上的巨大进步， 2 1 绪论 为岩土锚固理论的发展开辟了天地。( 3 ) 工程地质概念阶段，在这个阶段强调对工程地 质体进行有效的调控，经过反馈环节，适时地控制岩体变形，调整岩体强度，改善岩体 应力状态，维护与改善环境稳定性，以期使工程地质体的工程能力得到充分发挥，使工 程地质体具有服务功能，高效地实现工程目的。主要通过研究岩土锚固，环境因素及结 构工程三者之间的相互作用，使岩体，环境，工程措施三者达到新的稳定平衡的综合技 术措旄，这种锚固理论是在思想上的重大进步，将以阻为主的加固概念转变为既阻又导 的调控概念。为岩土锚固理论的发展开辟了新的天地，不过建立在此理论上的岩土锚固 的研究还比较少。 我国的岩土锚固理论己经取得了重大进步，锚固技术已经广泛地应用在水电，交通， 建筑工程，矿山建设等工程领域。随着我国经济的飞速发展，大量重大工程的相继开工， 尤其是西部重大水电项目的建设，使岩土锚固技术面临新的考验和挑战。在西部大开发 的过程中不可避免地会遇到岩体工程问题或岩质高边坡的问题，这些岩质边坡高度可能 达到几百米，具有地质问题复杂，涉及范围广，地应力高等困难，对这些岩质边坡的加 固成为重大课题之一，但目前，对岩石锚固作用机理及荷载传递规律等方面的锚固理论 的研究还不成熟，理论的发展还不能满足工程建设的发展需求，因此，开展对岩石锚固 作用机理、锚杆( 索) 的锚固效应、岩质高边坡预应力岩石锚固荷载传递规律、预应力锚 索锚固机理、预应力损失、锚索在边坡中的优化设计、加固评价等理论的研究具有重大 的理论和现实意义。 1 2 锚杆( 索) 荷载传递规律研究现状 目前的锚固理论大多从以下五个方面展开研究：( 1 ) 现场试验方法；( 2 ) 室内模型 试验方法；( 3 ) 现场监测方法；( 4 ) 数值模拟方法；( 5 ) 理论研究方法。 由于锚固工程所面对的对象是复杂的岩土地质体以及锚固方式的多样性，关于锚固 的理论层出不穷，缺乏比较统一的锚固系统理论，但总体可归结为两方面的内容【1 4 】：( 1 ) 预应力岩石锚固荷载传递机理，即灌浆体与杆( 索) 体之间以及灌浆体与周围岩土体接触 面之间的应力分布状态，为预应力岩石锚固设计提供理论依据。( 2 ) 从锚固体加固效应 角度出发研究岩土锚固作用机理，从整体角度考虑加锚后岩土体内部力学参数的变化情 况，以及对边坡稳定性的影响。本文主要对岩石锚固作用机理及荷载传递规律开展研究。 对预应力岩石锚固荷载传递机理的研究，主要集中在预应力锚杆( 索) 锚固段杆( 索) 体与注浆体、注浆体与周围岩土体问粘结力的分布状态及传递机理的研究。在这方面的 研究，英国、美国、法国、加拿大、澳大利亚等国处于国际领先地位。近年来，我国也 加强了这方面的研究工作，取得了不少可喜的成绩【l 4 。 l u t z 和g e 唱e l e y 【引、h a j l s o n ( 1 9 6 9 ) 【9 】、g o t o 【1 0 】等都研究了荷载从锚索( 杆) 传到灌浆体 的力学机制。他们认为，钢锚索( 杆) 表面上存在着微观的粗糙褶皱，浆体围绕着锚索( 杆) 3 西安科技大学硕士学位论文 充满这些褶曲而形成一个灌浆柱，在锚索( 杆) 和灌浆体之间的结合破坏之前，其结合力 发生作用；当锚索( 杆) 和浆体发生一定的相对位移后，两者界面的某些地方就会发生滑 移破坏，这时锚索和灌浆柱之间摩擦阻力就发挥主要作用，而且摩擦阻力是随灌浆体的 剪胀而增加。增大锚索( 杆) 表面的粗糙度就能提高摩擦阻力，对灌浆体而言则提高了其 剪切强度。对于光面锚索( 杆) ，锚索( 杆) 和灌浆体之间的结合，主要取决于滑动之前的 粘结力和滑移之后出现的摩擦力。在进行拉拔试验时，力由锚索( 杆) 传递到灌浆体，最 后的结果可能是灌浆体的开裂或压碎，锚头滑动并附带部分砂浆体拔出灌浆体，所以灌 浆体的强度成为承载力的控制因素。这些研究也表明，锚索体本身强度很高且表面粗糙 性很好，在力由锚索( 杆) 体传递到注浆体、再由注浆体传递到周围岩土体的过程中，浆 体和锚索( 杆) 界面的性质不是研究的重点，而研究重点应放在浆体自身的性质以及浆体 与周围岩土体界面的性质上。 f u l l e r 和c o x 】也研究了荷载由锚索向粘结砂浆传递的情况。他们分别采用了7 股 直径1 2 咖的钢索和单根直径7 n u n 的钢丝，埋置于水灰比为o 4 5 的砂浆中进行了一系 列的拉拔试验。锚固长度在1 0 c m 到9 0 c m 不等。试验过程表明，在位移较小时，荷载 便到达峰值荷载；过了峰值荷载，随位移的增加，荷载下降，直至残余荷载大约为峰值 的一半。 2 0 世纪7 0 年代e v a n g e l i s t a 和o s t e m a y e r 【1 5 1 6 】等对粘性土和粒状土中的锚杆拉拔试 验中，量测到注浆体表面摩阻力沿锚固长度呈非均匀分布，f 山i t a l l 7 j 等总结了3 0 例现场 试验成果，提出了临界锚固长度的概念，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分析方法中，p h i l i p s 【1 8 】假定杆体摩阻力沿锚固长度呈指数分布， 将其表述为： 彳j f j = f o e d ( 1 1 ) 式中：f 。为距锚固段近端x 处的剪应力：为锚固段近端的剪应力；d 为锚杆直径； 么为锚索中结合应力与主应力相关的常数。沿锚固段长度三积分，可得到极限锚固力的 理论表达式： 一 1 ， 血= 万d 。f o ( 1 2 ) 以 但上式中剪应力的最大值在实际运用中难以确定。因此，该公式实用价值并不大。 o e s t e m a v e r 和s c h e h e e l e 【1 9 】关于非粘性土的锚固做了大量的试验，得出以下几点重 要结论： ( 1 ) 致密砂层中最大表面粘结力是在很短的锚杆长度范围内，但在松散砂土和中密 砂中，表面粘结力就近似于理论假定的均匀分布； ( 2 ) 随着外载荷的增加，表面粘结力的峰值点向锚固段远端转移： 4 1 绪论 ( 3 ) 较短锚索表面粘结力的平均值大于较长锚索表面粘结力的平均值； ( 4 ) 锚索的锚固力对地层密度变化反应敏感，从松散到致密的地层中，平均表面粘 结强度值要增大5 倍。 o e s t e m a y e r 【1 9 】给出了粘性土锚固的一些研究成果： ( 1 ) 单位表面粘结力随锚固长度的增加而减少； ( 2 ) 单位表面粘结力随土的强度增加和塑性的减少而增加； ( 3 ) 后期灌浆比一次性灌浆锚索单位面积上的粘结力至少增加2 5 。 s t i l l b o r g 【2 0 】响全长粘结式锚索承载力的因素进行了系统研究。这些因素包括：水灰 比、添加剂、埋置长度。试验中没有涉及围压，而围压却是一项很重要的因素。他的试 验提示我们，添加剂( 包括速凝剂，膨胀剂) 对锚索承载力的影响还值得进一步去研究。 n a l ( a y a m a 和b e a u d o i n 【2 1 1 了水泥砂浆和钢筋的粘结强度试验；g 嘶s 【2 2 l 行了锚杆支护 的试验研究；近年来h e y t t ，b 踟，d e m ，r e i c h e r ，c a i s e r 等一些人进行了大量的研究，其 中以h e 州，b 抓，d e n 和r e i c h e 一2 3 j 究最为系统。他们通过现场和室内试验，得出影响锚 索承载力的主要因素是：水泥砂浆性质，尤其是水灰比；锚固长度；围压。 试验表明，使用低水灰比的砂浆可使锚索承载力提高5 0 7 5 ；锚索承载力随锚固长 度的增加而增加，但不成j 下比；作用于水泥砂浆外表面的径向侧压越高，锚索承载力越 高。在试验研究的基础上，他们得出了锚索破坏的机理，即物理过程为：随围压的增加， 锚固体的破坏由低围压下水泥砂浆的径向开裂和横向位移变化到高围压下水泥砂浆表 面皱曲受剪切、直至锚索沿其与灌浆柱体摩擦面而拔出。这里的围压相当于实际工程中 锚孑l 以外的岩体中所存在的压应力。 j a 玎e d 和h a b e r f i e l d 【2 4 】室内仿真模拟试验，研究了注浆锚杆的侧限刚度、注浆长度 及膨胀水泥含量对杆体与注浆体界面力学性质的影响，认为杆体与注浆体界面剪切强度 随着侧限刚度的增加而增大。试验中，当注浆长度l 1 5 0 m m 时，剪切强度f 基本上为 一常数( 1 5 5 m p a ) ；当1 5 0 n l n l l 3 5 0 m m 时，剪切强度f 随注浆长度的增加而减少 ( l = 3 5 0 i m ，f = 8 m p a ) ；此后注浆长度的增加对剪切强度的影响甚微。 程良奎等【2 5 】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： ( 1 ) 沿锚固段的粘结应力的分布是不均匀的，粘结力由锚固段的近端逐渐向远端减 少；随着张拉力的增加，粘结应力峰值逐渐向远端转移。可见，我们通常在设计中所采 用的摩阻强度采用平均值是不尽合理的。 ( 2 ) 粘结应力主要分布在锚固段前端的8 1 0 m 范围内，即使在随大张拉载荷载作用 下，锚固段远端的相当一段长度内，几乎测不到粘结应力值。可见在外力作用下，与锚 固段接触的土层的强度并没有得到全部调用，对外力的抵抗区段主要集中在锚固段前端 一定范围内，也就是说，当锚固段长度超过某值后，其长度的增加对锚杆的承载力的提 5 西安科技大学硕士学位论文 高就极其有限了。 ( 3 ) 在外力作用下，拉力型锚杆的注浆体中存在着严重的应力集中现象，应力集中 会造成锚固段前端开裂，致使应力峰值点向锚固段远端转移。 基于以上认识，他们开发应用了压力型锚杆，将钢筋的拉力转变为对注浆体的压力， 使锚固段的粘结应力峰值大大减小，在同等锚杆长度条件下提高了锚杆的承载能力。 赵赤云，杜龙泽，王建宇，陶龙光等人【2 6 3 0 】利用弹性理论，将预应力锚索锚头和锚 固段所产生的一对锚束力看成是施加于半无限体表面和体内一点的集中力或均布载荷， 利用弹性理论中的b o u s s i n e s g 、k e l v i n 、c e m l t i 和m i n d l i n 等问题的解，通过数学或电 算方法处理，求得在半无限体内部任意点处所产生的应力和应变，进而分析出锚索所产 生的附加应力场在岩土体中的分布规律以及锚索体和锚固体周边剪应力的分布形式。 丁多文，白世伟等人【3 1 1 ，通过大比例尺模型模拟试验，对预应力锚索锚固段的荷载 传递机制以及应力分布规律进行了分析，认为锚固段的应力传递机理一般为：( 1 ) 粘结 作用：这是由砂浆和锚索交界面的物理约束产生的。当锚根发生运动时粘结力即消失。 ( 2 ) 机械锁制作用：由于钢绞线表面螺纹的存在，以及凹凸不平的灌浆体的粘结作用而 形成嵌入体。( 3 ) 摩擦作用：由于楔入作用和钢表面粗糙不平，它的作用大小取决于接 触面是否产生运动，当它趋于滑动时，其值较大；当它在运动中，其值较小。同时认为， 锚固段应力分布大致可以分成两段：摩擦段、粘结段。在锚固段锚索和灌浆界面应力是非 均匀分布的，起点处应力最大，形成应力集中，由此向内逐渐减小直至为0 ；锚固段应 力集中的程度与岩石和锚索的变形模量有关。当两者差别较小时，应力服从非均匀分布。 黄德福【3 2 】结合李家峡水电站层状岩质高边坡的群锚施工的现场跟踪测试、室内模型 验证和理论分析，发现锚索轴向拉力沿内锚固段长度递减分布有以下规律：锚索张拉后， 锚索体上的轴力分布出现严重的局部集中现象，锚固段顶部轴力约占预拉力的5 5 7 5 ，而下部只占1 3 2 5 。随锚索张拉力的不断增加，锚索内锚固段浆体由上至下 逐渐开裂，剪应力峰值点逐步下移；张拉吨位愈大，峰值点向下转移速度愈快，应力曲线 愈陡。同时发现，注浆材料弹性模量越高以及浆体与岩孔粘结能力愈强，所启动的张拉 力值越高，所需内锚固段长度愈短。 刘致彬等人【3 3 】用薄壁金属管和石膏块体分别模拟预应力锚索及岩层，在锚索体上和 灌浆体中分别粘贴应变片和埋设拉力传感器，用环氧树脂灌注锚固段，室内模拟试验对 比分析传统拉力型锚索、典型压力型锚索和新型拉压复合型锚索三种类型锚索内锚固段 上的荷载分布规律，在相同荷载作用下的试验结果如下： ( 1 ) 锚索体上的荷载分布形式： 拉力型锚索顶部荷载最大，向下逐渐减小，至锚根底部几乎为零。压力型锚索顶部 和底部的荷载完全相同，荷载沿锚索长度方向上呈均匀分布，复合型则与以上两种锚固 方式不同，首先是锚索体顶部荷载最大，向下逐渐减小，直至底部锚板仍有部分荷载。 6 1 绪论 ( 2 1 灌浆体和锚孔岩壁间的应力传递规律： 拉力型锚索浆体与孔壁问的剪应力分布很不均匀，呈倒三角形，顶端最大，向下则 迅速减小。在顶端界面上的剪应力超过界面抗剪强度时，就出现剪切破坏，最大剪应力 则向下转移。拉力型锚固方式，当锚索承载后，从灌浆体到四周岩体的荷载转移是以拉 剪的方式传递的，主要承载部位在锚固段顶部以下几米内，由于顶部剪切力过大，注浆 体常出现剥离现象。 压力型锚索锚固体与孔壁间的剪应力是底部最大，向上迅速减小，呈正三角形分布。 压力型锚固方式的锚索承载后，从灌浆体到四周岩基的荷载转移是以压剪方式传递的， 主要承载部位在底部以上几米内。锚索周围灌浆体受压缩，而且抗压强度较大，因而灌 浆体不易出现裂缝。 拉压复合型锚索沿锚固体与岩体界面上的剪应力分布基本上是趋于均匀的，尽管两 端稍大，中部较小，但最大剪应力值已减小一半，同时，锚孔的岩壁底部压应力最大， 向上逐渐减小，并逐步转为拉应力，其最大拉压应力值亦减小一半。 试验结果表明，当以拉压相结合的复合型锚固方式的锚索承载后，从灌浆体到四周 岩基的荷载转移方式是底部以压剪方式传递，上部以拉剪方式传递，主要承载部位大致 均匀地分布在整个锚固段上，锚固段不出现或很少出现裂缝，因而增加了锚固效果和防 腐蚀系统的可靠性。 顾金才等人【3 4 】在石灰岩中对预应力锚索内锚固段受力特点进行了现场试验，重点分 析了内锚固段中注浆体与孔壁间以及注浆体与钢绞线间剪应力分布规律。通过实测的注 浆体与孔壁间的剪应力沿内锚固段长度方向上的分布状态见( 图1 1 ) 。从图中看到，在内 锚固段口部附近剪应力基本为o ( 他们认为这是口部附近浆体发生断裂所致) ，剪应力随 深度迅速增加，在距口部5 0 c m 左右处达到峰值，其峰值剪应力可达平均剪应力的4 8 倍。从峰值点再往里，剪应力随深度的增加而按负指数规律递减，递减到一定距离后， 剪应力变为0 。实测得到的浆体与钢绞线间( 简称内界面) 的剪应力分布规律见( 图1 2 ) 。 从图中看到，剪应力在锚固段口部附近集中更严重，其峰值剪应力为平均剪应力的8 1 0 倍，同时它的峰值点就在内锚固段的口部上没有向内移。剪应力随深度的衰减更快，分 布范围更小，这说明注浆材料与钢绞线的粘结比注浆材料与孔壁间( 简称外界面) 的粘结 效果要好，同时说明内锚固段的最大承载力主要是由注浆体与孔壁之间的粘结强度控制 的。 借用变位剪应力理论关系推引”】或进行有限元分析【3 6 】，结果均显示锚固段剪应力 在起点处最大，向后逐渐减少，而且递减速度也逐渐减少，最终趋近于o 。剪应力沿锚 固段的分布呈现为一条以0 为渐进线的下降曲线。 7 西安科技大学硕士学位论文 辞 p 口 j 枣门 -正 一 己 1 ：- ：l j 一l i 。一4 p 一一l 口口 一i 一 ，u 口 一i 一 】d 0 i 一 】口口c 一1 一 l 一。一 一。一 】而f 二 图1 1 注浆体与孔壁间的剪应力沿内锚同段长度的分布状态 一。0j 】己 ； b 一 + p 一 p ! “_ ，0 0 一i 一 ， 一l 一 | 一i 一 ，0 0 c c n l ! l 一。 d ，5 - c h 、二 图1 2 注浆体与钢纹线之间的剪应力沿内锚固段长度的分布状态 郑明新，王金才【3 7 】以在黄土中埋设的1 2 孔锚索现场拉拔试验，结合有限元模拟分 析得出以下结论： ( 1 ) 在锚索径向方向上，最大剪应力按钢绞线浆体紧邻黄土单元依次锐减，其关系 为f m 舣钢绞线f 。浆体2 2 5 3 1 ， f 一浆体f 麟黄土2 2 8 3 2 。 ( 2 ) 结合黄土锚固现场试验p s 曲线及有限元模拟成果图，其破坏机制是锚固段前 部首先破坏，逐渐向孔底传递。 黄德福，李宁【3 8 、3 明等人利用f i a l 有限元分析软件，对预应力锚索的锚固机理，锚 固效果进行了系统的数值仿真试验研究，研究结果表明，锚固体与岩体界面间的剪应力 在锚固段顶端分布较大，但并未达到峰值，从锚固段项部向下剪应力逐渐递增，在距孔 口2 m 左右才达到峰值，随后开始递减，直至衰减为0 。 王文杰，赵德志等人m l 通过利用空间非线性有限元法，对实际边坡预应力锚索加固 后的数学模型进行分析，认为预应力锚索内锚固段中钢绞线的轴向应力随锚固段长度增 加而呈指数曲线递减，当锚固段长度为8 m 时，轴向应力已降至峰值的l 1 0 。 盛谢4 1 1 通过利用岩土工程分析软件f l a c 3 d ，对岩质高边坡预应力锚索加固进行了 8 1 绪论 数值模拟分析。分析结果表明，不同预应力作用下锚索锚固段界面剪应力分布形态与锚 索轴力分布大致相同，即都是在锚固段起点处最大，向下以逐渐衰减直至为0 。 可见，运用不同的数值模拟的分析方法，得出的锚固段剪应力分布规律一致认为都 是非均匀分布的，但是分布形态的结论并不总是一致的，同现场试验的结果也不尽相同。 在研究前人现场试验及数值模拟成果的基础上，蒋忠信【4 2 狮】型锚索锚固段剪应力的 分布形态与三参数的高斯曲线十分相似的特点，利用高斯曲线方程( 见式1 3 ) 来拟合锚固 段剪应力的f 一三曲线： f = 础6 ( 川) 2 ( 1 3 ) 式中：口、6 、d 为待求的曲线参数，6 为负值。通过对上式两端取对数，并令l n f = ) ， l n 口= 彳，( 一d ) 2 = x ，得到y = 彳+ 缸，然后用一定步长假设d 值，用最小二乘法求出 相应直线参数么、6 ，最后通过试算寻优，得到高斯曲线的最佳拟合式。 陆士良，汤雷等人1 47 j 在分析拉拔试验和锚杆实际承载状态下载荷分布规律的异同， 建立了锚杆的力学模型，利用微元分析的方法求出锚杆的力学平衡微分方程，通过求解 微分方程，得出杆体上剪应力分布的负指数曲线形式为： f g ) 镏一言而 ( 1 4 ) 式中：c 为积分常数，这与p h j l i p 【1 8 j 得出的结论基本一致，其反映出的杆体上剪应 力的分布规律与大量的现场试验结果吻合得较好，只是式中积分常数c 并没有明确的物 理意义，应用起来与前者相比仍显不便。 孔宪宾等人【4 8 4 9 】运用数学力学的方法，分析了土锚杆界面间相互作用机理，给出 了基于锚杆与土界面的理想弹塑性的数学解析解，使人们能深入了解土锚杆界面之间 的相互作用，为锚杆系统的设计提供了依据。张季如，唐保付【5 0 1 运用数学力学的方法， 在假定锚固体与锚固层间的剪切应力与剪切位移成线性增加的关系的基础上，建立了荷 载传递的双曲函数模型，通过分析认为：锚杆的剪切位移、摩阻力分布和临界锚固长度均 取决于被锚固体与注浆体之间的剪切模量与注浆体弹性模量之比，与注浆体长度无关。 姜连馥【5 1 】依据土层锚杆的模拟试验，建立了土层锚杆工作的弹塑性力学模型，提出了一 种剪切位移传递函数的分析法，并用此方法对实际工程中土层锚杆进行了计算，与现 场实测数据得到了较好的吻合。总的来说，国内外运用数学力学的方法对锚杆力学机制 进行的定量性研究，自p h i l i p s 以来并没有太大的进展，这从一个侧面反映出了岩土力学 性质所具有的极大的复杂性。 由于锚杆( 索) 荷载传递复杂性，实践中又没有成熟的理论作为依据，当前国内外在 锚杆设计中，仍普遍采用锚束体传递给浆体及浆体传递给周围岩土体的剪应力沿内锚固 段长度均匀分布的假设进行计算的【5 l 5 5 1 ，这虽然不符合实际，但长期以来并无大的改进。 9 西安科技大学硕士学位论文 1 3 锚杆( 索) 荷载传递规律研究中存在的问题 综上所述，尽管锚固技术出现较早，但对锚固机理的力学研究及其计算理论却起步 较晚。虽然广大岩土力学工作者在这一领域进行了大量的研究工作，包括理论上的探讨、 试验研究和现场实测工作，也取得了不少成果。但由于岩土体的地质条件、施工技术条 件复杂多变以及锚固体( 包括锚杆体、灌浆体) 在岩土体中的力学行为受众多因素的制约， 给理论分析及其实测带来较大的困难，许多成果缺乏普遍性和准确性。锚固理论的研究 出现较大的困难。因此，目前锚固段的力学传递机理的理论研究远远滞后于应用领域， 也制约了应用研究的进一步发展，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 理论研究明显滞后于工程应用研究。 ( 2 ) 锚固设计理论尚不完善，国内的有关规范所依据的研究资料不多，针对锚固设 计中的参数取值研究不多，需要做进一步改进。 ( 3 ) 锚固体的应力分布规律还不能得到正确地描述，对锚固体力的传递只有定性描 述，在设计中大都采用粘结应力均匀分布形式假设。虽然人们已经认识到剪应力在内锚 固段上分布的非均匀性，但对剪应力非均匀分布的形式尚存在不同的认识。通过合理的 假设，在弹性力学基础上从理论上推导应力分布规律的合理结果存在较大困难。得到的 结果往往不能j 下确反映锚固状态的实际情况。 ( 4 ) 对锚固系统介质及其界面的力学特性研究还不成熟，选用合适的接触面单元来 模拟锚固体的非线性及接触面的非线性性质存在一定的困难，没有较为合理的计算模 型。 ( 5 ) 理论分析和数值分析与现场实际情况差别较大；锚固优化设计理论有待于更深 入的研究。 1 4 论文主要研究内容 根据以上对国际和国内研究现状的分析，针对岩石锚固作用机理及荷载传递规律方 面存在的突出问题，本文借鉴前人的研究成果，尝试将“岩石锚固作用机理及荷载传递 规律研究”作为课题，拟定的研究内容如下： ( 1 ) 总结了前人的研究成果，包括锚杆( 索) 荷载传递规律的发展概况、目前国内外 研究现状以及发展方向；并提出了锚杆( 索) 荷载传递规律研究中存在的问题。 ( 2 ) 对锚杆( 索) 作用机理进行了分析研究，分析研究了锚杆径向锚固、切向锚固的 产生作用机理，并与工程实际作了对比验证；锚杆( 索) 的作用力对锚固体力学性质的影 响，包括锚固体内摩擦角的变化、锚固体内聚力的变化、锚固体横向抗压强度的改变、 锚固体抗弯强度的改变、锚固体变形模量的改变、岩体抗剪强度的提高、锚杆( 索) 的压 密效应和岩体弹性模量的增强效应。 1 0 1 绪论 ( 3 ) 基于弹性理论，利用半无限弹性空间边界上作用一个集中作用力对半无限空间 内某点作用的b o u s s i n e s g 位移解，建立了全长粘结岩石锚杆在均质岩体中和拉拔试验中 解析本构模型，得到了杆体周边轴力和剪应力分布规律的解析公式，并与现场实际监测 结果和拉拔试验所得结果进行对比验证，吻合较好。 ( 4 ) 对预应力锚索内锚固段荷载传递规律进行分析研究，采用局部变形理论和理想 弹塑性荷载传递模型等力学传递模型推导了锚束体与注浆体及注浆体与孔壁岩体粘结 界面的剪应力及轴力分布弹塑性解，并分别进行了两个界面轴力和剪应力的受力特征分 析计算；并对一些影响轴力和剪应力分布形式的重要锚固参数( 如岩体弹性模量e ，、拉 拔荷载尸及锚固体直径r 。等) 等做出了分析研究，得到一些对工程具有指导意义的结论。 ( 5 ) 分析总结了预应力锚索工作机理，做出了预应力锚索对岩质边坡