（岩土工程专业论文）岩土预应力锚内锚固段长期受力破坏性能研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 预应力锚固结构在岩土工程中的应用日益广泛，产生了巨大的经济效益和社会效益。 在以往的锚固结构设计中，都是按照极限平衡的原则，认为锚固系统是一劳永逸的，并 没有考虑采用预应力锚固技术加固岩土体的长期安全性问题。而实际上，岩土预应力锚 一 固结构在其长期运营期受到各种外界环境影响，其预张力呈现出周期性的循环荷载特征， 这将对预应力锚固结构的长期使用寿命产生影响。本文在总结前人研究成果的基础上， 采用现场监测、室内模型试验和数值模拟相结合的方法，对预应力锚固结构在长期运营 期的受力破坏性能进行了研究，主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 通过对实际锚固边坡长达6 年的监测数据分析，提出了预应力的长期变化规律， 确定了预应力锚固系统在外界环境因素影响下的预应力变化特征、变化幅度及变化频率。 ( 2 ) 采用室内循环荷载试验分别对锚杆内锚固段循环荷载作用次数与位移、剪应变 之间的相关关系进行了研究，揭示了位移随循环次数的变化规律，并对注浆体与围岩体、 注浆体与锚杆界面上剪应变发展规律的不同进行了比较。 ( 3 ) 通过对剪应变变化规律的分析，揭示了剪应变随循环次数变化的内在原因，提 出了循环荷载作用下剪应变峰值内移特征及内锚固段的渐进破坏特性。 ( 4 ) 应用数值模拟软件f l a c 3 d 建立锚索( 杆) 内锚固段数值分析模型，通过与 室内静载试验对比，验证了数值模型的可靠性，并从位移场变化、剪应力变化和屈服点 变化三方面对内锚固段破坏的发展规律进行研究。最后分析了内锚固段长度变化和注浆 体粘结强度变化对内锚固段失效发展规律的影响。 关键词：岩土预应力锚固，内锚固段，循环荷载，耐久性，数值模拟 山东建筑大学硕士学位论文 t h es t u d yo nl o n gt i m em e c h a n i c a la n df a i l u r en a t u r eo ft h e g e o t e c h n i c a lp r e s t r e s s e da n c h o r h a nr u i ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h a n gs h e n h e a b s t r a c t t h ep r e s t r e s s e da n c h o rs t r u c t u r ei sb e i n gu s e dw i d e l yi ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g , a n d m a k e sg r e a te c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t t h ef o r m e rd e s i g no ft h ea n c h o rs t r u c t u r e , b a s e do nt h el i m i t i n ge q u i l i b r i u m , c o n s i d e r st h ea n c h o rs y s t e mt ob eo n c ef o ra 1 1 t h el o n g t i m es e c u r i t yp r o b l e m so fe m p l o y i n gp r e s t r e s s e da n c h o rt e c h n o l o g yt or e i n f o r c et h er o c k sa n d s o i l sh a v en o tb e e nc o n s i d e r e d a c t u a l l y , g e o t e c h n i c a lp r e s t r e s s e da n c h o rs t r u c t u r ei sa f f e c t e d b ym a n yk i n d so fo u t s i d ee n v i r o n m e n ti ni t so p e r a t i o np e r i o d t h ep r e t e n s i o np r e s e n t sp e r i o d i c c y c l i cl o a d i n gf e a t u r e t h i sw i l la f f e c tt h el o n gt i m es e r v i c el i f eo ft h ep r e s t r e s s e da n c h o r s t r u c t u r e b a s e do nt h es u m m a r yo ff o r m e rr e s e a r c h e s ，t h ep a p e rs t u d i e dt h el o n gt i m e m e c h a n i c a la n df a i l u r en a t u r eo ft h eg e o t e c h n i c a l p r e s t r e s s e da n c h o r , e m p l o y i n gi n s i t u m e a s u r e m e n t ，i n d o o r sm o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) b ym e a n so ft h ea n a l y s i st h em o n i t o r i n gd a t ao ft h ea c t u a la n c h o r e ds l o p ef o r6y e a r s ， t h el o n gt i m ev a r i a t i o nl a wi ss u g g e s t e d t h ev a r i a t i o nf e a t u r e ，t h er a n g e a b i l i t y , a n dt h e v a r i a t i o nf r e q u e n c yo ft h ep r e t e n s i o nf o rt h ep r e s t r e s s e da n c h o rs y s t e m ，u n d e rt h ee f f e c to f o u t s i d ee n v i r o n m e n tf a c t o r s ，a r es e t t l e d ( 2 ) t h ei n d o o rc y c l i cl o a d i n gt e s ti sa d o p t e dt os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc y c l i ct i m e s a n dd i s p l a c e m e n t ，s h e a rs t r a i no nt h ei n n e ra n c h o r i n gs e c t i o no ft h ea n c h o rb o l t t h e d i f f e r e n c e so fv a r i a t i o nl a wb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n tv i ac y c l i ct i m e s ，t o g e t h e rw i t ht h e d i f f e r e n c eo ft h es h e a rs t r a i nd e v e l o p m e n tl a wb e t w e e nt h ei n t e r f a c e so ft h eg r o u ta n dc o n c r e t e a n dt h eg r o u ta n dt h ea n c h o rb o l t ，a r ec o m p a r e d ( 3 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fv a r i a t i o nl a wo ft h es h e a rs t r a i n ，t h ei n t r i n s i cr e a s o no ft h e s h e a rs t r a i nv a r i e sw i t hc y c l i ct i m e si se x p l a i n e d u n d e rc y c l i cl o a d i n g ，t h ef e a t u r eo ft h e s h e a rs t r a i n sp e a kv a l u e sm o v e si n s i d ea n dt h ef e a t u r eo ft h eg r a d u a lp r o g r e s so ff a i l u r eo n t h ei n n e ra n c h o r i n gs e c t i o n ，a r es u g g e s t e d i i 山东建筑大学硕士学位论文 ( 4 ) t h en u m e r i c a lm o d e lf o ri n n e ra n c h o r i n gs e c t i o no ft h ea n c h o rc a b l e ( b o l t ) i si n s t a l l e d 、j l r i mn u m e r i c a ls i m u l a t es o f t w a r ef l a c 3 d b ym e a n so ft h ec o m p a r i s o nw i t ht h ei n d o o r s t a t i cl o a d i n gt e s t ，t h er e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a lm o d e lh a sb e e np r o v e d t h es t u d yo ft h e f a i l u r ed e v e l o p m e n tl a wo nt h ei n n e ra n c h o r i n gs e c t i o ni n c l u d e s3a s p e c t s ：t h ev a r i a t i o no ft h e a i s p a c e m e n t ，s h e a rs t r e s s ，a n dy i e l d i n gp o i n t s f i n a l l y , t h ei n f l u e n c e so ft h ev a r i a t i o no ft h e l e n g t ho ft h ei n n e ra n c h o r i n gs e c t i o na n dt h ev a r i a t i o no fg r o u tb o n d i n gs t r e n g t ho nf a i l u r e d e v e l o p m e n tl a w o nt h ei n n e ra n c h o r i n gs e c t i o n , h a sb e e na n a l y z e d k e yw o r d s ：g e o t e c h n i c a lp r e s t r e s s e da n c h o r , i n n e ra n c h o r i n gs e c t i o n , c y c l i cl o a d i n g , d u r a b i l i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 一取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本天承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：童墨丝日期7 - o r , * - 6 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学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、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名： 导师签名： 日期 沙似，6 e l 期弘、， 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 岩土锚固【l 】是岩土工程领域中一个非常重要的分支。岩土锚固已在我国边坡、基坑、 矿井、隧道、地下洞室、大坝、港口、水库、机场等众多工程建设领域中获得广泛应用， 并取得了巨大的经济效益和社会效益。当前，随着经济建设的快速发展，加快交通基础 设施建设势在必行，必将修建大量铁路隧道、公路隧道；而城市人口的激增，城市地域 的扩大，也使开发利用城市地下空间成为必然；另外随着南水北调工程大量输水隧道的 开挖，以及众多长、大海底隧道的兴建，相信在2 l 世纪，岩土锚固技术必将在我国的岩 土工程建设中发挥更加重要的作用，并将迎来更广阔的应用前景。 岩土锚剧2 】的基本原理就是依靠锚杆与注浆体以及周围岩土体的抗剪强度来传递结 构物的拉力或保证地层开挖面自身的稳定【3 】。按其杆体材料的不同可分为锚杆( 钢筋) 和锚索( 钢绞线) 两种；按其受力特性不同可以分为主动锚杆和被动锚杆两类。而按锚 杆与注浆体之间的传力方式的不同可分为拉力型锚杆和压力型锚杆；按粘结长度的不同 可分为全长粘结锚杆和部分粘结锚杆；按是否施加预应力可分为预应力锚杆和非预应力 锚杆。其中拉力型预应力锚索( 杆) 是目前锚固工程中应用最广、数量也最多的一种锚 固结构形式 4 1 。 在实际工程中，预应力在张拉完成后并非是固定不变的，而是随着时间的变化，预 应力锁定值由于岩体蠕变、钢绞线松弛、降雨、温度等因素的作用而处于不断的波动变 化之中，这种波动变化在预应力锚固结构的运营期基本可认为是一循环荷载。这种因循 环加载而引起的内锚固段的受力破坏较静载时要更为复杂，人们对于这种由于预应力值 的波动变化从而对内锚固段粘结滑移特性的影响还知之甚少。因此，对岩土预应力锚内 锚固段长期受力破坏性能进行研究，对优化预应力锚固结构的耐久性设计，减少预应力 锚固结构的养护费用，延长其使用寿命，具有重要的理论和现实意义。因此，论文结合 实际工程，并依托山东省交通厅科技项目“预应力锚固技术加固边坡的长期安全性研究” ( 编号：2 0 0 8 y 0 0 9 ) ，分析锚固系统内锚固段预应力长期变化规律，进行预应力锚固结 构在长期波动荷载作用下的耐久性研究。 1 2 锚固技术的发展及应用现状 国外应用这类技术较早，因而对该类结构的耐久性问题的观测和认识也较早【5 - 9 1 。据 记载，1 8 7 2 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡，1 9 11 年美国最早采用岩 山东建筑大学硕士学位论文 石锚杆对a b e r s c h l e s i n 的f r i e d e n s 煤矿进行矿山巷道支护，1 9 1 8 年西利西安矿山开采使 用锚索支护。1 9 3 4 年，在阿尔及利亚c h e u r f a s 大坝的加高工程中，首先采用承载力为 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，是世界上大规模应用预应力锚索 并获得成功的典型实例。在其后的时间里，印度、南非、英国和奥地利等其他国家也相 继采用预应力锚托加固坝体。 我国岩石锚杆起始于5 0 年代后期，也主要用于支护矿山巷道。近年来，我国岩体锚 固技术迅速发展，在公路、大坝、水库等高边坡工程中得到大力应用【l o - 2 7 1 。 预应力锚固技术的研究方法一般包括理论研究、现场监测及室内模型试验和数值模 拟等。 1 2 1 理论研究 许多学者通过数学力学方法，对预应力锚固技术的发展及应用做了研究：何思明【硼 对预应力锚索内锚固段破坏形式、极限侧阻力、极限抗拔力的计算、侧阻力分布规律、 内锚固段荷载变位特性、群锚效应、预应力损失以及新型纤维注浆材料等方面进行了深 入研究；陈祖煜【2 9 】总结了岩土预应力锚固技术的发展历程，对岩土锚固机理、长期耐久性 以及安全检测技术等预应力锚固关键技术问题进行了论述，并介绍了一种新型的预应力 锚固体系- ：全程防锈分散压缩型预应力锚索体系，阐明其特点和优势；刘致彬【3 0 1 对衬 砌隧洞的耐久性进行了研究；高大水【3 1 】系统总结了国内岩土预应力锚杆( 索) 在锚筋材 料、锚夹具及张拉设备等方面技术状况，并系统总结了岩土预应力锚固技术在大坝加固、 边坡及滑坡治理、地下洞室和深基坑支护等方面的成功应用经验；李德水【3 2 】针对小浪底 水电站地下厂房简要描述了预应力锚索的工作机理和分类定义，研究了预应力锚索锚固 效果，抗滑力最优化和耐久性等3 个关键问题，并实证分析了预应力锚索的锚固效果； 吴志刚等【3 3 】通过采用内锚固段与岩体弹性假设，通过它们粘结应力的分布、内锚固段受 力状态和应力的分析，推导出锚索锚固力和锚固长度之间的关系；并且根据注浆体与围 岩岩( 土) 体之间峰值粘结强度( t u n ) ，提出了锚索极限锚固力( p u ) 和临界锚固长度 ( k a l ) 新的设计方法，并指出它的实用条件；张洁等【3 4 】采用理想弹塑性荷载传递函数， 通过分析极限承载力与锚杆长度的关系，推导了锚杆临界锚固长度的解析算式，并在此 基础上进一步分析了摩阻力分布、极限锚固力与锚固长度的关系。分析表明，当锚固长 度小于工程临界锚固长度时，摩阻力分布较为均匀，而锚固长度的增加对极限承载力提 高明显。 2 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 2 试验研究 大量的现场和室内模型试验揭示了锚固系统的锚固作用是由锚固体与岩土体之间的 相对移动或相对移动趋势引发的。研究表明，当锚杆本身的强度很高且其表面比较粗糙 的话，力的传递由锚杆到注浆体，再由注浆体到岩土体。 现场试验方面，朱焕春等【3 5 】通过对三峡永久船闸高强结构锚杆在反复张拉荷载作用 下锚杆受力状态、变性特征和锚杆作用机理的现场试验，揭示出循环荷载作用下锚杆应 力大小和影响范围向会深度传递，但变形相对稳定；赵健等瞰】通过对河南焦作焦东煤矿 的现场试验锚杆进行了耐久性研究，分析了在特定腐蚀条件下不同工况的腐蚀状况，揭 示了腐蚀条件对锚杆承载力的影响。而张思峰【3 7 】在济南南部山区路堑的现场试验基于对 现场4 - - 5 年预应力锚固结构腐蚀数据的分析，探讨了实际工程中预应力索体腐蚀的外观 规律性表现，表现为“三段式 以及具有明显的应力不均匀特征，而其主要影响因素则 是岩体中含有腐蚀介质的水。在此基础上，采用单位长度腐蚀量算法对外锚头部位自由 段索体在富水环境中的使用年限进行了初步预测。肖汉江等f 3 8 】对清江水布垭工程的预应 力锚索锚固力随时间的变化规律研究取得进展，对预应力锚索锚固力在张拉锁定以及后 期的变化特征、变化趋势作了初步分析，得出了锚索运行后期其锚固力主要受温度变化 影响的结论，并对岩锚施工质量及锚固效果进行了评价。刘伟等【3 9 3 对设计轴力为 1 8 0 0 k n 的普通拉力型、拉力分散型、自由式拉压复合型的预应力锚索内锚固段应力分布 进行现场试验研究，得到锚索内锚固段应力分布规律，给出了适合小湾地质条件各类型 锚索相对合理的内锚固段长度，并根据试验结果分析了这3 种类型锚索各自的特点。 模型试验方面，李英勇【4 l 】等首先在综合分析锚索预应力阶段变化特点的基础上， 将影响锚索预应力变化的因素归结为可补救、长期作用和周期波动三类，并分别进行了 定量和定性分析。根据岩土材料蠕变特性和金属材料松弛特性，采用四参数组合模型反 映其相互作用影响。通过实际工程现场长期监测数据，验证了模型的合理性，并建立了 考虑波动因素的预应力长期变化峰值预测公式，以用于分析预应力锚固工程的长期稳定 性。然后基于对预应力锚固结构腐蚀影响因素的分析，选取p h 值、时间、应力水平及 材质作为影响预应力锚固结构腐蚀的主要因素进行分析，并对各因素正交组合后进行预 应力杆件的室内加速腐蚀试验。得到预应力锚固结构在腐蚀介质作用下的外观规律性表 现，并分析影响预应力锚固结构腐蚀的各种因素对于单位长度腐蚀量及断面损失率等指 标的影响规律。试验结果表明，随p h 值的增大，单位长度腐蚀量呈现出递减趋势，总 体呈负指数形式发展；而随着时间的延长，腐蚀量不断增加，但腐蚀量增量逐渐减小， 3 山东建筑大学硕士学位论文 呈幂函数形式发展，而应力水平对于单位长度腐蚀量的影响并不显著。石晋涛【4 2 】对酸雨 环境下预应力体系耐久性进行研究。结合重庆当地酸雨的特点，对p c 轨道梁的腐蚀原 因进行分析。在室内制作完成了一榀2 0 m 足尺模型预应力混凝土试验梁，根据重庆地区 的酸雨特点配置酸性溶液对试验梁进行加速腐蚀试验。在此基础上，对不同的钢绞线、 波纹管、锚具体系、注浆材料和注浆工艺进行了对比试验。通过分析归纳，确定了影响 预应力体系耐久性的因素，并针对这些因素提出了相应的控制措施。 1 2 3 数值模拟研究 对于锚固结构内锚固段的受力分析，由于试验因素的不确定性及成果的准确性，考 虑到试验的代价较高，现在普遍采用数值模拟软件进行分析。在这方面，徐前卫等【4 3 】根 据预应力锚索中自由段和内锚固段不同的作用机理，建立了一种新的能够施加预应力的 三维数值模拟方法，即内锚固段采用空间杆单元来模拟，而自由段则采用一种三维杆单 元，即只允许轴向变形、具有一个自由度、2 个结点的线单元，其特有的双线性刚度矩 阵只能承受单向拉伸或者单向压缩，而不能承受弯矩；当该单元选择单向拉伸时，单元 一旦受到压力，则刚度矩阵自动被删除，这个特征能够很好地模拟钢索类问题。在此基 础上，分析研究了在预应力的作用下锚索和岩体的受力变形特征及其影响因素，揭示了 预应力锚索锚固的效果与机理，并将其应用于工程实践中，验证了该方法的有效性。宋 修广等【铒】采用三维快速拉格朗日分析法( f l a c 3 d ) ，对济南绕城高速公路k 2 4 高边坡 的分步开挖及锚固进行模拟，分析边坡在开挖及锚固过程中岩体的位移场及应力场，探 讨静水压力对高边坡的影响。监测结果表明数值模拟是可靠的。张思峰等1 4 5 】采用快速拉 格朗日分析法( f l a c 3 d ) 对预应力单、群锚体系作用下内锚固段、自由段以及锚头部 位的受力、变形和破坏机理进行了三维数值模拟分析，探讨了影响内锚固段剪应力分布 的一些因素，并验证了其真实性。李俊光【铂1 针对预应力锚索加固技术，采用数值模拟方 法，对它的加固机理及其设计预应力锚索时应注意的问题进行研究讨论。 1 3 预应力锚固结构内锚固段的作用机理 岩体锚索胶结式内锚固段采用水泥浆或水泥砂浆等胶结材料固定内锚固段，并同外 锚头配套，确保锚杆实现张拉。其受力特点是依靠锚束钢材( 钢筋、钢绞线或高强钢丝) 同注浆体的握裹及注浆体同钻孔壁的粘结来承受张拉力。内锚固段的荷载传递路径为： 由锚杆传递给注浆体，然后进一步传给围岩体。当锚杆材料、岩体条件、混凝土锚墩强 度确定并满足设计要求时，岩体锚索承载力的发挥主要取决于内锚固段锚杆与注浆体界 4 山东建筑大学硕士学位论文 面及注浆体与岩体界面上的剪力，即一定内锚段长度上的剪应力大小及分布。 部分学者总结了荷载在向锚杆内部传递时的内在规律：张拉荷载作用在锚杆上时， 锚杆、砂浆和岩体共同承担外荷。在荷载值不大的情况下，三者同步协调变形，整个锚 固体系还处于弹性状态。随着张拉荷载的增大，协调工作状态被破坏，在锚杆杆体与注 浆体之间产生一定的相对位移，这时两者界面舱某些地方( 一般出现在前端应力集中处) 的粘结力失效( 称为脱粘) ，两者仅通过摩擦阻力( 摩擦阻力相对粘结力要小很多) 来传 递荷载，于是粘结力峰值向内部转移。接下来，随着注浆体横向破坏或断裂的出现，注 浆体与孔壁之间被拉脱，而且锚杆普遍出现注浆体与孔壁拉脱现象，这就使得锚杆荷载 向内部的传递深度大大增加。随着加载循环次数的增加或荷载的增大，锚杆应力传递深 度会趋于一个定值，即临界长度。继续加载将会出现锚杆破坏，即锚头滑动并附带部分 砂浆体而拔出注浆体。 1 3 1 锚杆与注浆体间的剪力 当锚杆承受荷载时，锚杆与注浆体间的结合( 粘结) 作用就开始发挥作用，但当荷 载加到一定的值时，两者发生一定的相对位移，这种有效结合就会遭到破坏。锚杆与注 浆体之间的剪力主要由两者间的摩擦作用产生。由于砂浆的剪胀性，随着界面剪应力的 增加，注浆体产生膨胀，导致摩擦力的增大。另外锚杆、岩体内表面的粗糙度也增大了 一部分注浆体的剪切强度。由于锚杆是相当长的弹性构件，其位移量相对注浆体是沿内 锚固段长度变化的。位移很小的地方，剪力主要是粘性力，在一般工作荷载下，这种粘 性力通常发生在内锚固段荷载远端( 顶端) ，而在内锚固段荷载近端( 近自由端) ，由于 锚杆的弹性伸长，与注浆体之间产生一定相对位移，两者间将产生摩擦与机械连锁效应。 一般来说，随着荷载的增加，粘性力的最大值移向内锚固段荷载远端，以渐进方式转移 并改变其在内锚固段长度上的分布形式，当内锚固段全长都发挥了最大结合粘性力时， 两者间就会发生相对滑移，锚杆体被拔出。 锚杆与注浆体间的剪力包括3 个方面： ( 1 ) 粘结力。当受到荷载作用时，主要由锚杆体与注浆体界面问的粘结力承担，并 且随着荷载的增加而增大，当锚杆体与注浆体间产生滑移时，这种力就迅速消失。 ( 2 ) 机械咬合力。由于锚杆体钢材表面存在肋节、螺纹和皱曲等，使得锚杆体与注 浆体之间形成机械式连锁，这种力与粘结力一起发挥作用。 ( 3 ) 摩擦力。枣核状内锚固段受力时，注浆体部分被锚索夹紧。当锚杆与注浆体间 产生相对位移时，两者接触面产生摩擦力，其大小与夹紧力及材料表面粗糙度有关。 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 2 注浆体与岩体间的剪力 当锚杆承受荷载时，从注浆体到围岩体的应力转移往往以径向应力和剪应力的形式 出现，注浆体与围岩的剥离现象一般出现在荷载水平接近抗拉极限荷载时。一般说来， 锚孔的粗糙度和围岩的强度控制着破坏面，具体取决于注浆体和地层岩体的相对强度。 当地层岩体强度较大时，破坯主要出现在注浆体与岩石交界面，甚至于注浆体本身被破 坏；若地层岩体强度较低，则破坏面往往会与锚固体产生一定角度。通常情况下，破坏 面多出现在两者的交界面上。注浆体与围岩间剪力作用原理与锚杆和注浆体界面上的作 用类似，主要包括以下3 个方面的因素：( 1 ) 粘结力，即注浆体与岩体界面间的粘结力； ( 2 ) 嵌固力，即由于孔壁凹凸不平而形成注浆体与围岩在起伏面处的嵌固力；( 3 ) 摩擦 力，即由于受拉剪( 拉力型) 或压剪( 压力型) 作用产生剪切滑移与注浆体膨胀，在破 坏面上产生摩擦力。 目前在锚杆设计中，都是按照剪应力在内锚固段均匀分布，采用平均粘结强度来计 算内锚固段的长度。但通过大量的现场试验研究表明，剪应力在内锚固段并非均匀分布， 而是在前段集中并形成峰值，然后逐渐向末端减小，最终趋近于零。可见，按剪应力均 匀分布计算内锚固段长度是不合适的，计算的安全系数往往偏大，可能埋下隐患。因此， 探讨注浆体与岩体间剪应力沿内锚固段的分布，对预应力锚索工程设计有重要的实际意 义。下面介绍一种弹性力学模型：内锚固段剪应力分布的弹性理论位移解分析【4 7 】。 预应力锚索从结构上可分为内锚固段和自由段两部分。内锚固段由于离岩( 土) 体 表面较远，在受力分析上可认为是位于无限体中，不受表面边界的影响，并假设岩体与 粘结材料为性质相近的弹性材料。 在无限体内一点0 受集中力p 的作用，如图1 1 所示，这个问题称为k e l v i n 问题。 6 山东建筑大学硕士学位论文 y 该问题沿z 方向的位移为 图1 1k e l v i n 问题计算简图 叫半+ 去+ 刍 ( 1 1 ) 式中：为岩体的泊松比；r = f i 芦_ 7 ；召2 而夏而p ；g 为岩体的剪切模量。 根据荷载卜位移互等定理，在0 点集中力p 产生的m 点的位移等于m 点集中力p 产生的。点的位移。同时，取锚固体与z 轴重合，这时x = y = 0 ，因此，在内锚固段任意 一点z 处，集中力p 产生的锚固外端点o 的位移为 驴掣 ( 1 2 ) 假设内锚固段从锚固外端点0 开始为半无限长，而内锚固段与岩体的变形都处于弹 性状态，两者的变形满足变形协调条件。设内锚固段沿z 轴对岩体产生的剪应力为f ( z ) ， 则r ( z ) 引起的锚固外端0 点的位移应等于内锚固段的总伸长量，即 j c o 爱2 啡肛j c o 历1 ( q - 2 万口p ( z ) d z ) d z ( 1 3 ) 式中：a 为锚固体半径；e 为岩体的弹性模量；a 为锚固体的截面积；e 。为锚固体的弹 性模量。 将式( 1 3 ) 两边分别对z 求3 次导数，并进行简化，可得 f k z r + 2 k r ：0 ( 1 4 ) 7 山东建筑大学硕士学位论文 热扣焉。 由边界条件：冲时，f = 0 ；f 2 翮r d z - - p ，则内锚固段中沿锚固体的剪应力分布 为 f = 卫z e x p 一( ( 一昙t z 2 ) (125)na f = l z 一一l l ) j 一 2 7 热扣赤c 争 1 4 目前存在的问题 在以往的预应力锚固设计中，都是按照极限平衡的原则，认为锚固系统是一劳永逸 的，并没有考虑采用预应力锚固技术加固以后边坡体的长期安全性问题【2 】。然而，根据 国际预应力协会( f i p ) 对3 5 例锚索( 杆) 腐蚀破坏实例的分析及我国近3 0 年预应力锚 索应用情况的调查可知，在高拉应力作用下，预应力筋会出现应力腐蚀。如我国梅山水 电站的无粘结预应力锚索在运行4 - - - 6 年后有3 束锚索因应力腐蚀兼氢脆而导致钢丝断裂 f 4 引。事实上，影响岩土预应力锚固工程长期安全性的因素众多，它与实体工程的外部环 境( 包括降雨、温度的变化、腐蚀介质的存在等) 、岩土体自身强度、锚固体强度、施工 设计等因素都密切相关。因此对影响预应力锚固边坡耐久性的各种因素进行深入研究有 其较大的经济意义和现实意义。2 0 0 0 年，国务院三峡工程质量检查专家组到三峡工地检 查时，进一步肯定了对预应力锚固结构耐久性及其坡体长期安全性进行研究的必要性和 重要性。 通过对预应力锚固结构张拉力的长期监测，发现温度变化、降雨等因素对其预应力 将产生显著影响，呈现出周期性的波动变化特性。在这种荷载状态下，预应力锚索与砂 浆、砂浆与周围岩土体之间的粘结性能与静载作用下的情况有很大不同，锚索承受循环 荷载作用，相当于疲劳荷载，对于预应力锚索内锚固段的长期耐久性是一个考验。因此， 考虑不同的加载方式，对预应力内锚固段在长期循环荷载作用下的耐久性问题进行研究 有着重要的现实意义。 1 5 本文的研究内容 通过对实体工程的长期监测数据分析，得到预应力长期变化规律，并分析影响预应 力变化的主要因素。在此基础上，通过室内模型试验及数值模拟的方法对循环荷载作用 山东建筑大学硕士学位论文 下预应力锚固边坡锚索内锚固段长期使用过程中的受力破坏性能进行研究，提出循环荷 载作用对预应力锚固边坡锚索内锚固段耐久性的影响及内锚固段破坏发展规律，为类似 边坡的设计及施工提供理论支持。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 对实体工程中预应力锚索张拉力进行长期监测，分析影响锚索预应力长期变化 的因素和锚索内锚固段张拉力变化规律。 ( 2 ) 采用室内模型试验的方法对循环荷载作用下内锚固段耐久性进行分析，揭示循 环荷载作用次数对界面剪应力变化规律的影响并研究其内在机理，以及循环次数与位移 交化之间的相关关系。 ( 3 ) 采用数值模拟方法分析预应力内锚固段注浆体受拉破坏的发展规律及锚固长度 变化和注浆体粘结强度变化对预应力内锚固段注浆体受拉破坏规律的影响。 本论文拟采用以下研究方案： 采用室内模型试验的方法对张拉力波动变化情况下的预应力内锚固段耐久性问题进 行深入研究，分析预应力锚固结构内锚固段在长期运营期循环荷载作用下注浆体界面上 的剪应力变化，探讨张拉力波动变化对耐久性的影响。 采用数值模拟方法建立与实际工程条件相似的数值模型，分析在逐级加载条件下预 应力锚固结构内锚固段注浆体位移、剪应力及屈服点的发展趋势，揭示预应力锚固结构 内锚固段破坏的发展规律，讨论内锚固段长度变化和注浆体强度变化对预应力锚固结构 内锚固段破坏发展规律的影响。 9 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章岩土预应力锚固结构张拉力长期变化规律研究 2 1 引言 岩土预应力锚固系统在长期使用过程中，受到众多外界因素的影响，使预应力具有 极大的不稳定性。由于降雨、潮汐、温度变化和地震荷载等因素作用可使预应力产生波 动变化j 从而使杆体材料存在疲劳破坏可鼢易造成其锚固功能的减弱或失效，影响锚 固工程的长期稳定性。 理论上讲，在不同的外界因素影响下，预应力可能存在不同的变化趋势： ( 1 ) 内部因素影响下：由于岩土体蠕变、裂隙岩体压缩、锚杆松弛、注浆体材料徐 变等因素影响，预应力发生持续衰减，锚固效果逐渐减弱，甚至丧失锚固作用： ( 2 ) 外部因素影响下：由于降雨、温度变化、外界荷载震动等因素影响，一旦预应 力变化幅度及变化频率过大，造成杆体材料被拉断或内锚固体拉脱而发生预应力锚固结 构失效； ( 3 ) 在内外影响因素综合作用下，预应力变化趋于一个长期有效的稳定值，该变化 趋势是最为期望得到的结果。 本章以济南绕城高速公路南线工程长达6 年的监测数据分析为基础，提出预应力的 长期变化规律，确定预应力锚固系统张拉力在外界各种因素影响下的变化特征、变化幅 度及变化频率，为岩土预应力锚固结构长期耐久性分析奠定理论基础。 2 2 工程背景和概况 济南绕城高速公路k 2 4 高边坡发育于济南绕城高速公路南线k 2 3 + 9 9 0 - - k 2 4 + ls 0 段 右侧路堑发育滑坡，坡体内含有融蚀空洞及破碎带，构造交错部位常年持续潮湿。边坡 上部岩石多为厚层与薄层灰岩互层，中下部为泥岩与泥质灰岩互层。受岩性的影响，泥 质灰岩、泥岩风化作用强烈，易破碎，完整性差。该路堑路线轴部最大开挖深度8 5 米， 山体山顶高程4 9 0 - - 4 9 6 米，边坡开口线后方自然坡度最大处超过4 5 0 。滑坡体主轴方向 长约9 0 米，轴向为n e 3 0 0 。滑坡舌出露标高在3 5 6 m 附近，滑坡体平面呈簸箕形态，滑 坡前缘宽度1 9 0 米，厚度1 0 - - - 2 5 米，滑坡方量约1 5 万方。滑坡后缘陡壁高差一般为1 0 1 4 米。滑坡整治对象主要是滑坡体、后缘自然坡体和滑体周界陡壁区段( 见图2 1 、2 2 ) 。 坡体采用l ：l 削坡，主要采用预应力锚索加固，锚索长度3 5 - 4 5 m ，一级坡采用抗滑桩 加固，此边坡加固工程于2 0 0 1 年4 月开始实施，2 0 0 2 年2 月份完工。 1 0 山来建筑大学硕士学位论文 田z i 工程奎她 田2 2 主滑展工程地质剖面图 2 3 工程监测概况 为了掌握边坡变形特征和规律，分析岩土体结构与边坡变形破坏的关系，评价边坡 的长期稳定性，保证工程施工和运营安全，必须进行边坡长期稳定性监测，特别是对起 到主要加固作用的预应力锚固系统的应力监测。为全面反映施工过程及运营期预应力锚 索的工作性状，现场共设置了位于滑坡体中心的9 台锚索测力计。其位置分布如表2 1 所示。 裹21 锚索洲力计位置分布袁 锚索 m l lm l 2m l 3m l 4m l 9 编号 所处二级坡二级坡二级坡三级坡四级坡三级坡二级坡抗滑桩抗滑桩 位置左侧中偏左 由由 中偏右右侧中偏右右侧 山东建筑大学硕士学位论文 0 l - 1 1 - 50 2 - 1 2 _ l 口0 4 - 1 - 1 40 5 - 2 _ 1 70 6 - 2 4f f - q - 蕊0 8 - 4 - 2 6 时间删 田2 3 锚索预应力长期监测数据 根据实际监测结果，如图2 3 所示，锚索预应力随着时间的变化，其变化规律表现 出为总体趋于稳定，伴随着不同彤式的波动变化，同时坡体安全度处于动态变化过程中。 通过大量监测数据分析，预应力长期变化可划分为两个部分： ( 1 ) 在锚索开始工作后的一年至一年半的时间，锚索预应力将持续衰减，衰减幅度 与施加的预应力太小及岩土体的物理力学性质有关，同时持续时问与岩土体物理力学性 质及杆体材料有关。 ( 2 ) 由于受到降雨、温度等环境因素的影响，锚索预应力表现为一种近似闭合的波 动变化规律，变化幅度一般为5 0 1 3 0 k n ，变化频率与所处环境及当地气候条件相关， 但总体逐渐趋于稳定。 24 锚索预应力波动变化影响因素分析 ( 1 ) 降雨入渗 如图2 4 所示，降雨将使岩土体受到较大的循环荷载作用，其对预应力的影响集中 反映在岩土体裂隙较为发育、渗透系数较大的部位。降雨对岩土预应力锚固系统的影响 主要表现为杆体材料所受拉力值增加，而且具有时间滞后效应，其原因是裂隙被渗流水 填充后产生静水压力，预应力杆体材料拉伸：同时，随着裂隙水的不断渗入，岩土体含 水量不断增大，自身抗剪强度降低，从而使坡体产生向下滑动的趋势，增加预应力值。 实际测试二级坡上的锚杆m l 2 、m l 3 、m l 4 及一级坡上的m l 7 都处于滑带中心位置， 岩土体强度较低，雨季中锚索预应力值增量都在5 0 8 0 k n ，其余几个监测点的预应力增 量为3 0 5 0 k n 。现场观测结果还表明，随着裂隙水的消敞，增加的预应力逐渐回复，基 本回到降雨前的水平。 吾：阳卯蚰加加加 z芒帮采辑龋孥 山东建筑大学硕士学位论文 z 2 疽 r 辍 谥 撂 姐2 h 3 疆a 疆五 乩7 疆卫 顾铡日期 图2 4 雨季锚索预应力值变化曲线 通过实际观测，中雨以上的降雨量对相对破碎松散的岩土体影响较大，预应力锚固 系统产生显著的循环变化，变化频率与降雨频率相关。这种循环荷载作用，将影响杆体 材料和内锚固体的疲劳破坏特性。 。 由于随着气候条件的变化，每年降雨的次数存在着差异性，根据观测数据，在实际 工程环境下，每次降雨影响预应力波动变化的时间一般为1 5 天左右，若连续降雨，则预 应力波动总体呈持续变化。 ( 2 ) 温度变化 岩土体及其内部的注浆体都是具有热胀性的热导体，因此当温度变化时将影响岩土 体变形而导致锚索预应力变化。岩土体温度升高一般会导致锚索预应力的增加，温度降 低则使预应力减小。温度升高时，锚头及岩土体表层的混凝土体积产生膨胀而使内部应 力状态发生变化，但是岩土体内部的锚索体变化较小。岩土体膨胀系数较小，由温度变 化产生的预应力变化值较小，并且滞后于外界环境温度的变化。 1 ) 昼夜温度变化对预应力值的影响 为了研究环境温度对锚索预应力的影响，在实际工程现场随机选取两点( m l 2 、m l 5 ) 进行了跟踪监测，测试时环境温度昼夜温差为5 , - - 6 ，见图2 5 。 1 3 山东建筑大学硕士学位论文 2 5 2 3 魁2 1 赠1 9 1 7 1 5 o ：0 03 ：3 6 7 ：1 2 1 0 ：鹤1 4 ：2 41 8 ：0 02 1 ：3 6l ：1 2 时间 图2 5 环境温度昼夜变化量 对于处于主滑坡二级坡的锚索m l 2 ，锚索预应力值的变化如图2 6 所示，其变化幅 度为2 4 k n ，变化规律与温度变化是同步的，而且昼夜变化后基本恢复原值，表现出循 环加载特征。 6 1 0 z6 0 0 蠹5 9 0 - 早r 5 8 0 氧5 7 0 髅5 6 0 擐5 5 0 5 4 0 0 ：0 03 ：3 67 ：1 21 0 ：娼 1 4 ：2 4培：0 02 1 ：3 6l ：1 2 时间 图2 6 二级坡体锚索预应力昼夜变化量( m l 2 ) 对于处于四级坡体的m l 5 ，其变化值较小，如图2 7 所示，变化幅度仅2 k n ；其变 化规律曲线表现为7 ：0 0 至1 4 ：3 0 略有下降，而1 4 ：3 0 后则有所上升。 喜 捌 r 鞘 强 墨 p 时间 图2 7 四级坡体锚索预应力昼夜变化量( m l 5 ) 2 ) 季节温度变化对预应力值的影响 如图2 8 所示，锚索预应力值随季节有较大幅度的变化，自2 0 0 5 年1 2 月至2 0 0 6 年 5 月，季节温差约为3 9 。c ，锚索应力值呈现出明显的周期性的变化，夏季预应力值较 高而冬季预应力值较低。其中，m l 3 和m l 5 变化幅度约为4 0 k n ，m l 7 变化幅度约为 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 7 0 l d n 。 薹 萎 篓 - 7 - 70 5 - 9 - 2 50 5 - 1 2 一1 40 6 - 3 - 40 6 - 5 - 2 3 监测日期 图2 8 季节温度变化对预应力值的影响 综合所述，降雨、昼夜温度变化及季节温度变化对锚索预应力值都产生一定影响， 呈现周期性波动变化特征： ( 1 ) 降雨产生的波动变化幅度较大，波动频率为每年3 1 2 次，主要发生在夏天雨 季，可称为“附加循环 。 ( 2 ) 昼夜温度变化引起的波动变化周期为1 天，波动幅度较小，可称为“小循环一； ( 3 ) 季节温度变化引起的波动变化周期较长，波动幅度较大，每年1 次，可称为“大 循环 ； 实际工程监测资料表明，上述三种波动变化都呈现近似闭合状态。 预 应 力 值 衰减阶段4 f 长期波