（地质工程专业论文）边坡锚固技术的研究与应用.pdf

摘要 锚固技术是岩土工程加固的一种重要手段。近十几年来，锚固技术以其独特的效 果、简便的工艺、广泛的用途和经济的造价，在岩土加固领域中得到了广泛的应用。目 前锚固技术不仅广泛应用于矿山工程，而且也推广应用于水利水电、铁路公路、土木建 筑等工程之中，具有良好的应用前景。因此，研究锚固技术具有十分重要的意义。 本文针对锚杆在边坡中的加固作用，研究了锚杆在混凝土中的各种受力情况，如锚 杆的轴应力分布特征、剪应力分布特征和锚杆与混凝土的共同作用特征，分析研究了预 应力锚索的加固机理及其锚固段的应力分布特征，以期能在边坡防护中得到合理的应 用。 针对边坡锚固系统的复杂性及其影响因素的多样性，研究各种影响因素( 如锚杆的 材料、锚杆的结构和锚固方式、地层特性、锚固参数等) 对锚固效果的影响，然后在应 用时针对其主要影响因素进行有效合理的利用。 最后，通过对某高速公路高边坡的地质情况调查研究，用a n s y s 有限元程序对其边 坡的稳定性进行了模拟分析，根据分析结果和边坡具体情况，设计采用预应力锚索加网 格梁加固方案对其进行边坡加固，并对加固效果和锚索的受力情况进行了模拟分析，分 析结果证明加固效果良好，验证了前面章节中锚杆的加固机理。 关键词：锚杆( 索) ；加固机理；锚固系统；影响因素；边坡加固 a b s t r a c t a n c h o r a g et e c h n o l o g y i sa ni m p o r t a n tm e a n so fr e i n f o r c ei nt h e g e o t e e h n i c a l e n g i n e e r i n g i th a ss h o w e dm o r ea n dm o r eh e a r t yv i t a l i t yi nt h e a r e ao fr e i n f o r c ei nt h e g e o t e c l m i e a le n g i n e e r i n g 船i t su n i q u ee f f e c t s i m p l ea n dc o n v e n i e n tt e c h n o l o g y , f a r - f l u n g a p p l i c a t i o na n de c o n o m i c a lc o s ti nr e c e n ty e a r s a tt h ep r e s e n tt i m e ，i th a sn o to n l yb e e nu s e d i nt h em i n eb u ti nt h ea r e a so fm e t a l l u r g y , w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o e l e c t r i cp o w e r , r a i l w a ya n dh i g h w a y , c i v i lc o n s t r u c t i o na n d s oo na n dh a sg o o df o r e g r o u n do f a p p l i c a t i o n s o ， t h er e s e a r c ho f a n c h o r a g et e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g a l lk i n d so f s t r e s so f t h ea n c h o ri nt h ec o n c r e t eh a sb e e ni n v e s t i g a t e df i r s t l ya c c o r d i n gt o t h ea n c h o r a g ef u n c t i o ni nr o c ks i d e s l o p e ，f o re x a m p l e ，t h ea x i a la n dt h es h e a r i n gs t r e s s d i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro f t h ea n c h o ra n ds i d e - s l o p ep r o t e c t i n gc o n d i t i o no f t h ec o m b i n e de f f e c t o ft h ea n c h o ra n dt h ec o n c r e t e a tt h es a l n et i m e ，t h er e i n f o r c e dm e c h a n i s mo ft h ep r e s t r e s s c a b l ea n dt h es t r e s s d i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro fi t sa n c h o rs e g m e n th a v eb e e ns p e c i a l l y i n v e s t i g a t e da n dt h ep r e - s t r e s sc a b l ew e r ee x p e c t e dt ob ea p p l i e de f f e c t i v e l yi np r o t e c t i o no f t h es i d e s l o p e a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t yo fs i d e s l o p es y s t e ma n di t sv a r i e t yo fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ， t h ei n f l u e n c i n gd e g r e eo fa l lk i n d so fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h em a t e r i a l ，c o n f i g u r a t i o n , t h e m o d eo fr e i n f o r c eo ft h ea n c h o r , t h ep r o p e r t yo ft h er o c k - b o d y , t h ea n c h o r a g ep a r a m e t e ra n d c t e ，h a v eb e e ns t u d i e di no r d e rt of i n do u tt h e i ri n f l u e n c i n gd e g r e e a tl a s t ，t h er e a s o n a b l ea n d e f f e c t i v ep r o t e c t i n gm e t h o d sa l et ob ea p p l i e da c c o r d i n gt ot h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r t h ed i s t o r t i o nm e c h a n i s mo f r o c kb e d yw a sa n a l y z e db yc y b e r n e t i c so f c o n f i g u r a t i o no f r o c kb o a ya n dt h es t r u c t u r a lm e c h a n i c se f f e c to fr o c kb o d ya c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i n gt h e c h a r a c t e ro fr o c kb o d yi n c l u d i n gi t sr i g i d i t ya n dj o i n t i n gc o n s t r u c t i o n a ls u r f a c ea n dt h e c o n d i t i o no fs t r e s so ft h er o c k - b o d yi n t h es i d e - s l o p ew a si m p r o v e da c c o r d i n gt ot h e a n c h o r a g ef u n c t i o ni na n c h o r a g es y s t e mo f t h es i d e s l o p e ，w h i c hp r o v i d ean e w r o u t ef o rt h e p r o t e c t i n gs i d e - s l o p e a tl a s t ，t h ea n s y ss o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a sb e e na p p l i e dt os i m u l a t ea n d a n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h es i d e s l o p eo ft h eh i g h w a ya c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o no fi t s g e o l o g yc o n d i t i o n t h ep r e s t r e s sc a b l ea n dt h es t r e n g t h e n e db e a m sw e r es e l e c t e da n da p p l i e d t or e i n f o r c et h es i d e s l o p eb a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t t h e n , t h er e i n f o r c ep r o j e c ta n dt h e s t r e s so ft h ep r e - s t r e s sc a b l eh a v eb e e ns i m u l a t e db yt h ea n s y s ，w h i c hh a v en o to n l yg o o d e f f e c tb u tv a l i d a t et h ea n c h o r a g em e c h a n i s mi nt h ef o r m e rc h a p t e r k e yw o r d s ： s i d e s l o p eo fr o c km a s s ；a n c h o r ；a n c h o rs y s t e m ；i n f l u e n c i n gf a c t o r ； r e i n f o r c e m e n to f t h es i d e s l o p e n 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者虢益仁吼必月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：牛导师签 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 岩土工程中的锚固技术是应用锚杆或锚索对岩土体进行加固，它充分发挥岩土体自 身的稳定能力，是一种对原岩扰动小、施工速度快、安全可靠、经济有效的加固技术， 在水利水电、铁路交通、城市建设、地下工程、国防建设、采矿工程等行业中得到广泛 的应用，具有良好的经济效益秘桂会效益。锚固技术的发展和应用是现代岩士工程的一 个重要标志。锚固技术自从产生之日起，在应用领域就得到不断的发展和扩大，特别是 从上一世纪中叶以来，入们对锚固的力学机理和理论的认识和研究不断深入，锚固技术 的新工艺、新方法不断出现，使得这一重要的技术得以飞速发展。目前，锚固技术的发 展正处于方兴未艾的时期，对锚固理论的深入探讨和研究，对推动岩土工程领域的发展 有着极其重要的意义 1 2 岩土锚固技术的特点及国内外研究现状 1 2 牛岩土锚固技术的特意 岩土锚固技术是通过埋设在岩士体中的锚枰，将结构物与岩土体紧紧地联锁在一 起- 依赖锚杆与岩土体的抗剪强度传递结构物的拉力或使岩土体自身得到加固，以保持 结构物和岩土体的稳定与完全依靠自身强度、重力而使结构物保持稳定的传统方法相 比，岩土锚固技术尤其是预应力锚固技术具有许多鲜明的特点“卅。 能在岩土体开挖后。立即提供支护抗力，有利于维持岩土体的固有强度，阻止 岩土体的进一步扰动，t 控制岩土体变形的发展。提高施工过程的安全性 提高岩土体软弱结构面、潜在滑移面的抗剪强度，改善岩土体的其他力学性能 改善岩士体的应力状态，使其向有利于稳定的方向转化 锚杆的作用部位，方向、结构参数、密度和施工时机可啦根据需要方便地设定 和调整能以最小的支护抗力，获得最佳的稳定效果 将结构物岩土体紧密地联锁在一起，形成共同工作的体系。 伴随着结构的减小，能显著地节约工程材料，有效地提高土地利用率，经济效 益十分显著。 对预防、整治滑坡，加固、抢修出现病害的结构物具有独特的功效，有利于保 障人民生命财产的安全。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 锚固技术的发展与现状 锚周工程最早应用于1 9 1 2 年美国矿山巷道，距今已有九十多年的历史。1 9 1 5 年 至1 9 2 0 年在金属矿山开始使用锚杆后，锚杆技术有所发展及推广，由于岩土锚固能减 轻结构物自重，节约工程材料，具有显著的经济效益和社会效益，因此世界各国都在大 力开发这门技术。1 9 3 4 年阿尔及利亚使用预应力锚杆进行舍尔法坝的加高工程，1 9 5 7 年德国b a u e r 公司在深基坑中使用土层锚杆。 我国锚固技术的应用始于上世纪5 0 年代后期，当时有京西矿务局、河北龙烟铁矿、 湖南湘潭锰矿等使用了楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，除了矿山巷道之外， 我国开始在铁道隧道、边坡工程、水库大坝、地下等工程中大量地采用锚固技术。1 9 6 4 年安徽梅山水库首次采用了3 0 4 7 米的预应力锚索加固坝基，提高坝基抗滑稳定性。 7 0 年代开始在深基坑支挡工程中应用了土层锚杆，先后有北京国际信托大厦、王府井 宾馆、京城大厦、上海太平洋饭店、上海展览中心、沈阳中山大厦等基坑工程中采用了 土层锚杆支护。近十余年来，随着我国改革开放后工程建设项目的不断增加，岩土锚固 技术也得到了突飞猛进的发展，目前在我国规模最大的云南漫湾电站左岸边坡加固土程 中，也采用了2 3 0 0 多根1 0 0 0 6 0 0 0 k n 级的预应力锚索，与锚固洞、锚固桩相结合，使 滑坡得到了有效控制。 地下工程的开挖断面比较小，锚杆的支护作用效果比较明显，因而锚杆支护技术在 地下工程中得到了广泛应用，锚杆在地下工程中的支护机理研究也就比较系统且深入。 边坡工程锚杆支护的发展历史虽然很长，但与地下工程相比，发展要缓慢得多，理论也 很不完善。目前面言，国内外很多学者都侧重于研究加锚节理岩体的模拟计算方法。英 国的p a n d e 等人的研究成果较为系统；e g g e r 对加锚岩体的力学性质作过大量的实验研 究；马来西亚l p y a p ( 1 9 8 4 年) 利用有限元方法分析了在拉拔力作用下岩体注浆锚杆的 荷载传递机理，指出锚杆侧剪应力的均匀分布假设是错误的；印度k g s h a r m a ( 1 9 8 8 年) 采用等效介质的方法应用粘弹塑力学理论分析了锚杆在岩质边坡中的加固作用；南韩 t f c h o ( 1 9 9 3 年) 提出了与节理单元配合使用的二维锚杆单元离散模型；加拿大 b b e n m o k r a n ( 1 9 9 5 年) 利用室内模型实验分析了锚杆的抗拔机理。瑞典c l i ( 1 9 9 9 年) 针对锚杆安装在均匀变形岩体中、受拉拔力作用和节理的张开作用三种情况，分别提出 了相应的锚杆分析模型，并探讨了锚杆在三种情况下的应力分布和变形特点。最近，浙 江大学杨延毅、中科院武汉岩土力学研究所的朱维申、李术才从断裂损伤力学的角度分 析了锚杆对裂隙岩体的加固机制，武汉大学的陈胜宏应用粘弹塑性力学理论分析了锚杆 在节理岩体中的加固作用娴。 锚杆在岩石边坡中的支护作用主要表现为对节理裂隙等不连续面的加强效应，归纳 起来主要有以下一些作用： 增韧止裂机理。边坡中的卸荷裂隙随着侧向压应力逐渐解除，并局部进入微拉时， 2 硕士学位论文 第一章绪论 经历张型起袭，并在断续卸荷裂隙的自身平面内由稳定扩展到失稳，岩桥击穿而相互贯 通破坏。设置锚杆的主要作用可看成是对卸荷裂隙提供桥联作用，以阻止或延缓其张裂 扩展过程，进而改善边坡岩体的变形与强度性质，锚杆的这种作用机制称为增韧止裂作 用。 剪胀效应机理。当岩体中的粗糙不连续面发生剪切位移时，不连续蕊的两壁因剪 胀而产生扩容，使得贯穿不连续面的锚杆受拉产生附加的法向应力、并通过不连续面的 摩擦效应提供附加的抗剪强度 销钉作用。销钉作用认为锚杆在加固软弱结构面时凭借杆体自身的抗剪能力阻 止结构面的相对滑动，从而提高了结构面的抗剪强度和粘结力。 预应力作用。预应力作用能有效降低或消除岩体中的拉应力和剪应力，使应力集 中现象得到缓解，从而改善了岩体的应力状态。同时，预应力使加固区的节理裂隙闭合， 使节理裂隙的连通率降低，从根本上提高了岩体的抗剪强度。 在岩石边坡工程中，锚杆支护常常用于加固不稳定楔形体，并以充分发挥锚杆的抗 拉抗剪作用为目的，其设计常采用极限平衡法和静力平衡原理。而静力平衡原理更强调 的是不连续面和锚杆共同承担荷载，为了充分调动不连续面的抗剪强度，允许不连续面 有一定的剪切位移为了获得锚秆相对于不连续面的最佳安装角，觳对锚杼的安装方 向有一定的要求。 随着有关锚秆支护机理研究的不断深入有限元数值方法在边坡工程的锚杆支护设 计中得到了广泛应用，并逐步趋于完善。在有限元法中又分离散模型和连续模型两种。 在锚杆数量较少、主要地质构造面的产状和力学参数比较清楚的情况下，可以采用离散 模型对所有锚杆逐遴行模拟而当节理裂隙发育，锚秆数目较多时，锚杆的作用将在 等效连续模型中予以考虑陆“】。 7 尽管国内锚固技术与理论研究在近l o 余年取得了丰硕的研究成果，但还远不适应 我国锚固技术推广与发展的需要，因此有必要在全面总结国内外锚固技术与理论发展现 状的基础上提出新的研究思路去研究和解决锚固技术推广与发展中的问题“1 1 2 3 地下工程中的锚杆支护 1 ) 地下工程锚秆支护的研究历史与现状 自1 9 1 2 年德国谢列兹矿最先采用锚杆支护并下巷道以来，锚杆支护技术至今己近 百年的历史，已经成为地下工程建设常用的一种较新型支护技术。锚杆支护有许多优点， 能节约钢材。降低支护成本，减轻劳动强度，丽且维护费用低，施工轻便。但锚杆支护 的广泛应用则是在最近四、五十年。锚杆支护以美国和澳大利亚发展最为迅速，他们的 锚杆支护技术水平居于世界前列。美国于1 9 4 7 年正规采用锚杆支护煤矿巷道和工作面 顶板。5 0 年代锚杆支护机理的发展达到高潮，l o u i sp a n e k 、j a c o b i o 、t lv r a b c e w i c z 和t 气l a n g 等人相继提出了悬吊、组合梁和组合拱理论，进一步促进了锚杆支护技术 3 硕士学位论文 第一章绪论 的推广应用。八十年代以后，其他一些国家也大力发展和应用了锚杆支护。我国的锚杆 支护是在1 9 5 6 年开始研究的，由于技术条件等原因，锚杆支护的发展一直比较缓慢， 直到九十年代才得到迅速发展。 随着锚杆支护技术的广泛应用以及岩体的复杂性、应力环境的多变性，以往的悬吊 和组合梁拱理论已远远不能解释锚杆在岩体中的工作机制，也不能满足工程设计的要 求。为此，广大学者对锚杆支护理论不断进行研究，对锚杆作用机制进行了深入广泛的 分析。为了适应工程实践的需要，提出了许多新的锚杆支护设计方法。 在锚杆作用机制的研究中，许多学者利用各种力学理论进行了解决分析。在推导过 程中，g a n n a r w i g k ( s w e d e n ，1 9 7 8 年) 应用弹性理论中的硅i n d l i n 解分析了预应力锚杆 的加固机理；a p s s e l v a d u r a i ( c a n e d ，1 9 7 9 年) 和中科院武汉岩土力学研究所的林世 胜( 1 9 8 3 年) 利用了粘弹性力学；h s t i l l e ( s w e d e n ，1 9 8 9 年) 、b i n d e r a r a t n e ( c a n a d a ， 1 9 9 0 年) 和株洲工学院的汤伯森( 1 9 9 1 年) 运用了弹塑性理论；中科院武汉岩土力学研 究所的张玉军( 1 9 9 4 年) 利用了各向异性弹性力学理论；p p o r e s t e ( u s a 1 9 9 6 年) 和山东矿业学院的徐恩虎( 1 9 9 9 年) 利用了复合材料力学理论嘛“。众多学者和研究单位 还通过现场测试、模型实验和数值模拟等方法对锚杆支护的作用机制进行了广泛而深入 的研究，得出了许多有意义的结论，促进了锚杆的推广应用。在锚杆支护参数的设计方 面，除了可以利用许多力学理论以外，在工程实践中主要采用经验法、工程类比法以及 现场监测法。随着锚杆支护技术的推广应用，也发展了许多新的锚杆支护设计理论，北 京科技大学的高谦( 1 9 9 7 年) 提出了可靠度分析法，太原理工大学的韩凤山( 1 9 9 8 年) 利 用了神经网络方法，淮南工业大学的孟祥瑞提出了专家决策支持系统“1 。 在分析锚杆作用机制的模型实验中重点研究了锚杆加固对岩体弹性模量、内聚力、 内摩擦角和岩体破坏强度的改善作用以及对岩体破坏形式的影响。锚杆加固作用的各种 解析研究方法都以圆形硐室为研究对象，为了便于数学推导，只考虑了平面应变状态和 轴对称情况。解析法将锚固区和锚固区以外的围岩分开考虑，锚固区可视为各向同性弹 性体和横观各向同性弹性体，锚固区以外的围岩采用弹性模型、弹塑性模型、弹脆塑性 模型或粘弹性模型加以考虑。随着数值模拟方法的不断发展，有限差分法、有限元法、 反分析法、微分流行法、离散元法、边界元法和界面元法都被用来分析岩体中锚杆的作 用。为了能够在各种数值方法中模拟锚杆，分别提出了各自的锚杆模型。在有限元法中， 就先后出现过杆单元、梁单元、柱单元等形式。但是在锚杆数目很多的情况下，采用锚 杆模型对他们逐一进行模拟是不可能的，于是就有人用修正的岩体应力应变模型来反映 锚杆的作用，以代替难以实现的将锚杆离散为若干单元体的分析方法。 ( 2 ) 地下工程锚杆支护设计的一些基本观点“。1 地下工程中锚杆支护设计的总体要求是技术上可靠、经济上合理。为此，在具体的 工程设计与施工中有一些公认基本观点： 在工程选址、设计和施工过程中采取各种方法确保岩体不出现有害松动。 4 硕士学位论文 第一章绪论 合理有效地调节控制岩体变形，使其在不进入有害松动的条件下适度发展，以便 最大限度地发挥岩体自撑能力和锚杆承载能力 在设计施工中要把锚杆和岩体视为统一整体，充分发挥锚杆和岩体的共同作用。 借助现场实验和监测手段，确定岩体类别等级，取得有关的岩体力学参数，以便 指导设计和施工。 在不同地质构造、岩体类别和力学性质条件下，采用不同的计算和设计方法选择 不同的支护方式。 地质勘查、设计、籀工和监测相结合，不断调整设计参数，使结构形式更加符合 工程实际。 ( 3 ) 地下锚杆支护的设计理论“4 ” 锚杆支护的设计理论发展至今，归纳起来有以l o u i s - p a n e k 。t l v r a b c e w i c z 和ea l a n g 为代表的支撑理论，以美国p p o r e s t e 为代表的加固理论、以南非 啦d - s a l a z m o n 为代表的能量学理论，以中科院地质研究所王思敬为代表的突破点理论 【蚺i l j 。 支撑理论 危石挂吊、软弱层悬吊、组台梁和组合拱作用以及松动圈支护理论都属于支撑理论 的范畴。支撑理论建立在地面结构力学的基础之上。危石，软弱层和屠岩松动因用锚杆 悬吊在稳定、来松动的岩层上，锚杆把岩层锚固成组合梁或组合拱以支撑松散岩石，如 图1 1 所示。 a ) 锚杆的悬吊作用 悬吊理论成立的前提是必须要有稳固岩石。锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳 定的岩层上，阻止岩层或岩块的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩石重量。 b ) 锚杆的减跨作用 ， 把不稳定的岩层看成是支撑在洞室两帮的叠台粱，曲于可视悬吊在稳定岩层上豹锚 杆为支点。安设锚杆就相当于增加了支点，减小了岩层跨度，使岩层的弯曲应力和挠度 得到降低，维持了岩层的稳定，它实际上仍然来源于锚杆的悬吊作用 图1 i 锚杆对固岩的支护作用 5 硕士学位论文 第一章绪论 c ) 锚杆的组合梁作用 在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中可利用锚杆的拉力将层状岩石组合 起来，形成组合梁结构。通过锚杆的预拉力将层状岩石挤紧，增大岩层摩擦力，锚杆本 身也提供一定的抗剪能力，阻止岩层问的滑动。锚固岩层被看成组合梁，全部锚固层能 共同变形，岩层抗弯刚度大大增加，岩层抗拉伸、抗离层和抗剪切破坏的能力大大增强。 d ) 锚杆的组合拱作用 由于锚杆的挤压加固作用，使岩层形成一定厚度和强度的锚固层。随着围岩的变形， 锚固层将进一步形成能承受地压的“压力拱”。锚杆支护的压力拱效应使锚固范围内的 岩体变形达到同步，形成既能承受压力又能整体移动、具有一定厚度和强度的承载层， 有效抑制了组合拱外围岩的变形和塑性区的扩展，使得拱外围岩塑性承载。 e ) 围岩松动圈锚杆支护作用 围岩松动圈锚杆支护理论是基于客观实际而提出来的，即大量地下工程都是在围岩 破坏的产生和发展过程中支护的。松动圈厚度取决于围岩的应力和强度。锚杆支护的主 要对象是围岩松动圈产生、发展过程中的碎胀变形力，锚杆受拉主要是围岩松动圈的产 生和发展而引起的。锚杆锚固端在松动圈以外的未松动岩体中，但不一定要锚固在坚硬 岩层中。 加固理论 加固理论的基础是岩体工程地质力学。岩体无论其软硬程度、强度大小和岩体块度 如何，都有二一定的强度。只要适当加固和重点加固，危岩块体群都可以稳定，这是加固 理论的根据。 锚杆加固的实质是改变了围岩的受力状况，增n t 围压，提高了岩石的力学参数， 改善了被锚固岩体的力学性能。锚杆预紧力使锚杆作用范围内的岩体产生压应力，增加 岩体间节理裂隙的摩擦力，改善压缩区岩体的应力状态。克拉夫钦柯曾对配置锚杆的相 似材料试件作过一些试验，将锚杆分别配置在模拟的软弱岩石、中等强度岩石中，使试 件受压。图1 2 给出了试验结果，证明配置锚杆后的试件强度提高，而且在软岩中提高 的效果更为明显“1 。 o a 舌 b 4 2 户 3 一 夕 l o48 1 2 1 6 言 a 善 b 一2 ， 户1 0481 21 6 图1 2 岩石试件配置锚杆的强度试验 6 a = 一 b 2 ， 1 0481 2 “ 硕士学位论文 第一章绪论 围岩存在着破碎区、塑性区和弹性区。锚固区域内岩体的峰值强度或蜂后强度，残 余强度都能得到强化。从而提高了岩体强度和自身承载能力。锚杆加固能较好地控制围 岩破碎区、塑性区的发展。抑制围岩变形，从而更有利于保持围岩的稳定性。 能量学理论 能量学理论以能量守恒定律和能量相互转化为理论基础。锚杆和岩体锚固在一起相 互作用、共同工作。锚秆吸收围岩的一部分能量，又释放吸收不完的能量，总能量不变。 故锚杆与围岩具有能量自动补偿作用。 突破点理论 在正常情况下，岩体在破坏之前，总是从一处或几处先开始破坏作为突破点这个 突破点又使相邻岩体产生新的突破点可能导致另些部位的破坏，发展到一定程度将 引起整体失稳。而锚杆支护可以剃用自身优点，使岩体充分发挥支撑作用，以消除突破 点或及时控制破坏过程，使其较快地向稳定状态转化嘲 1 3 研究内容及意义 由前面的论述可见，岩土工程锚固技术的理论工作取得了不少成果。但是，由于地 质条件和工程技术条件复杂多变而锚杆又埋在岩体申，给锚杆力学行为及锚固机理的 观测和研究带了很大困难，现有的多数有关锚杆支护作用的实验都是在限定条件下和理 想化了的基础上进行的。目前对锚秆支护作用的了解还不够深入对于锚杆加固机理仍 没有取得统一认识，缺乏合理的、行之有效的设计计算方法。理论分析和数值计算与实 际情况的出入也较大。 从总体上看来，锚固技术的研究仍滞翟在以锚杆为主体的研究水平上，尚没有上升 到把锚固技术看作一个系统来傲整体研究。建立岩体锚固系统的概念是重要铭，因为它 碍以克服过去单一重视锚秆本身行为的弊端，从而可以充分发挥系统各要素的功能，以 使系统达到最佳工作状态。 本论文在前人研究成果的基础上，改进与创新。利用现有的工具，对岩士工程锚固 技术的作用机理作进一步的研究。通过有限元分析方法对实际工程问题进行分析。了解 岩土边坡的受力情况和支护结构的受力特点，从面对特定工程问题起一定的指导作用 本文的主要研究内容有如下几个方面t ( 1 ) 本论文结合工程实倪，对影响锚杆锚固效果的各种因素进行了详细的分析和 研究； ( 2 ) 建立边坡岩体锚固系统的概念，并利用有限元软件对它彳仃的稳定性进行了模 拟分析和评价； ( 3 ) 对加固边坡所用的锚索进行受力分析，了解其在边坡加固中的受力特征i ( 4 ) 分析边坡加固前后的稳定情况，对某风化岩质边坡提出合理的支护加固方案。 7 硕士学位论文第二章锚杆的工作特性分析 2 1 锚杆的应用 第二章锚杆的工作特性分析 岩土工程中所使用的锚杆是一种安设在岩土层深处的受拉杆件，它的一端与工程构 筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预应力，以承受土压力、水压力或 风载荷所产生的拉力，用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护构筑物的稳 定。 随着锚固技术的应用和研究的不断深入，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 ) ，锚杆喷射混凝土支护技术规范( c - b5 0 0 8 6 - 2 0 0 1 ) 、建筑边坡工 程技术规范( g b5 0 3 3 0 - 2 0 0 2 ) 和土层锚杆设计与施工规范( c e c s2 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很好的推动作用。 随着锚固技术应用范围的不断扩大，锚杆种类越来越多，锚杆的单体承载能力也不 断地加大和提高。但是，由于锚杆在岩土介质受力的复杂性，使得锚固技术设计和计算 理论的发展比较缓慢，许多工程问题的设计和计算仍然停留在经验上，或者作了一些过 于粗糙的假设，如假设锚杆与粘结材料之间的剪应力沿锚杆体均匀分布等。为深入探讨 全长粘结式锚杆的受力特征，国内外岩土工程工作者作了大量的研究，比较有代表意义 的是p h i l i p s 提出的假定摩阻力沿锚杆长度按幂函数分布“”： 一y t ( x ) = 眦e x p ( 一- - 元- ) ( 2 - - i ) l ， 式中：f i 。最大摩阻力，位于锚固体外端部，即x = o 处的摩阻力，k p a ； 口锚固体直径，m i l l ； 彳反映岩土体和锚固体结合力的相关参数 该公式得到广泛的引用。也有的学者采用双曲函数来描述这一关系。应该注意的是， 所有的这些沿锚杆长度的摩阻力( 剪应力) 分布函数都是最大剪应力位于锚杆锚固段的 外端，这一特征是和现场实测不相符的。此外，许多研究者采用数值分析方法、相似模 拟试验和现场原位实测等，获得大量的资料和数据，这些工作为分析和了解全长粘结式 锚杆的受力特征起了积极的作用。 2 2 锚杆荷载传递的力学行为 锚杆放置在混凝土结构中的主要作用是承受拉力，以弥补混凝土抗拉强度的低下和 延性的不足。大部分锚杆使用细长的杆状钢筋、钢管或直径更细、强度更高的钢丝。 8 硕士学位论文第二章锚杆的工作特性分析 锚杆在结构上分为岩体内的锚固段、岩体与混凝土之间的自由段和混凝土内韵自由 段。混凝土与岩体之问可能存在的强大水压力会直接转化为锚杆与混凝土之间的作用 力，在这种荷载作用下。混凝土中锚杆的工作性状如何是工程中非常关心的问题。 岩土锚固技术是通过埋设在岩土体中的锚杆，将结构物与岩土体紧紧地联锁在一 起，依赖锚杆与岩土体的抗剪强度传递结构物的拉力或使岩土体自身得到加固，以保持 结构物和岩土体的稳定。与完全依靠自身强度、重力而使结构物保持稳定的传统方法相 比较，岩土锚固技术尤其是预应力锚固技术具有许多鲜明的特点。 1 ) 能在岩土体开挖后立即提供支护抗力，有利于保护岩土体的固有强度，阻止 岩土体的迸一步扰动，控制岩士体变形的发展。提高施工过程的安全性 2 ) 提高岩土体软弱结构面，潜在滑移面的抗剪强度，改善岩土体的其它力学性能。 在实际工程中，锚杆可能以下列一种或几种形式发生破坏n 1 “l ( 1 ) 沿着杆体与注浆体的结合处破坏l ( 2 ) 沿着注浆体与岩层结合处破坏； ( 3 ) 地层岩土体破坏； ( 4 ) 杆体( 钢绞线、钢丝、钢筋) 的断裂； ( 5 ) 围绕杆体的注浆体的压碎； ( 6 ) 锚杆群的破坏。 这6 种破坏形式中单纯土体、杼材、注浆体的破坏可以引用岩土力学、材料力学和 混凝土力学的知识解决，因而研究分析杆体与注浆体、注浆体与地层问界面的结合力学 性能就显得更为重要。 大量试验证明在岩层锚固中，固定的最薄弱环节就是注浆体与杆体间的粘结，而不 是注浆体与岩体问的粘结。这种注浆体与杆体问的粘结包括以下3 个因素： ( 1 ) 粘着力。即杆体钢材表面与注浆体问的物理粘结能力。当这两种材料由于剪力 作用产生应力时，粘着力就构成了发生作用的基本抗力。当锚固段发生位移时。这种抗 力就会滂失。 2 ) 机械联锁：由于螺纹钢筋有肋节、螺纹和凹凸等存在。敏在注浆体中形成机械 联锁。这种联锁同粘着力一起发生作用，构成基本抗剪力 3 ) 摩擦力t 当注浆体破碎，与锚杆体发生相对位移时。形成摩擦力这种摩擦力 盼形成与夹紧力及钢材表面的粗糙度成函数关系而且摩擦系数的量值也取决于摩擦力 是否发生在沿接触面位移之前( 摩擦系数量值较大) 或位移过程中( 此时表面上残留的 摩擦系数较小) 。 大量的试验已经证实，随着对锚杆施加荷载的增加，杆体与注浆体结合应力的最大 位移值移向固定段的下端，并以渐进的方式发生滑动和改变着结合应力的分布。图2 - 1 的曲线表明，随着锚杆内荷载的增加，沿锚固长度以类似于摩擦桩的方式转移结合应力。 粘着力最初在锚固段的近端发生作用。而远端则保持原状。当近端的粘着力被克服时就 9 硕士学位论文 第二章锚杆的工作特性分析 会产生滑动，大部分结合应力就被逐渐传入锚固段远端，而锚固段近端的摩擦力只起到 很小的作用。很明显，粘结抗力并不作用在整个锚固段长度上。 灌浆柱 地 毯 露 督 七 器 锚杆荷载p p ：拉力 r 翅 姆 锚杆顶端 锸杆底端 图2 - 1 加荷过程中沿锚杆长度结合应力的变化 对于公式( 2 - i ) 沿锚杆长度积分，应用边界条件，施加于锚杆的荷载尸为： p ：型玉( 2 2 ) 4 整理( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 得： 三型三：彳p 芋( 2 3 ) p 下图2 2 反映了方程中a 的范围对结合应力分布的影响，它清楚的表明，a 值越小， 则沿锚杆的结合应力分布就越均匀。 臼x f n 矧2 0 0 20 40 6o 8i 0 4 警 6 8 1 0 图2 - 2 不同a 值时沿锚杆的荷载分布 由上述可知，锚杆杆体的固定长度愈短，愈能发挥杆体( 钢筋，钢绞线、钢丝) 与 注浆体的结合力。 锚杆的锚固或固定长度必须使杆体注浆体间的结合应力的发挥有足够的储备，以 保证杆体注浆体晃面上不发生破坏。 此外，要使杆体与注浆体的结合应力得以充分发挥，组成锚杆杆体的钢绞线、钢丝 和钢筋外表面应被足够的浆体所包裹。锚杆杆体制作时，使用隔离架是十分重要的”一。 硕士学位论文第二章 锚杆的工作特性分析 2 3 锚杆系统的应力分布 2 3 1 锚杆与混凝土的牯缩 o i i iiji “i i “i l “l l i ij | c 埘i到 c 冉 i - - 1 。 呸 乌h i + 衄 仨碧一- 钢筋臣 d - + t 口。 困2 3 钢筋的粘结和锚目状态 钢筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是二者间有可靠的粘结和锚周。若 是一个梁的钢筋，沿其长度与混凝土既不粘结，端部又不设锚具( 图2 3 ) 。此梁在很小 的荷载作用下就会发生脆性折断，钢筋并不受力，与素混凝土无异。若梁内钢筋与混凝 土并无粘结，但在端部设置机械式锚具，此梁在荷载作用下钢筋应沿全长相等，承载力 有很大提高，但其受力宛如二铰拱不是梁的应力状态只有当钢筋沿全长与混凝土可 靠地粘结，在荷载作用下此梁的钢筋应力随截面弯矩而变化才符合梁的基本受力特点。 根据混凝土构件中钢筋受力状态的不同，粘结应力状态可分作两类问题： ( 1 ) 钢筋端部的锚固粘结 如简支梁支座处的钢筋端部，粱踌问的主筋搭接或切断、悬臂粱节点受拉主筋的岁 伸段等( 图2 - 4 0 ) ，这些情况下，钢筋的端头应力为零，在经过不长的锚固长度后，钢簏 的应力应能达到其设计强度。故钢筋的应力差大，粘结应力值高且分部变化大如果 钢筋因粘结锚固能力不足而发生滑动，不仅其长度不能充分利用，还将导致构件的开裂 和承载力下降，甚至提前失效这种脆性破坏称为粘结破坏，属严重的结构性破坏。 硕士学位论文 第二章锚杆的工作特性分析 jl 0e r 十 一o j ；k j j 匦抽：节 跨间搭接或切断 ( a ) 筋端锚固粘结 粱 o a 3 盯，+ d 盯， ( b ) 缝间粘结 囹2 - 4 两类粘结应力状态 ( 2 ) 裂缝间粘结 受拉构件或梁受拉区的混凝土开裂后，裂缝截面上混凝土退出工作，使钢筋拉应力 增大；但裂缝间截面上混凝土仍承受一定拉力，钢筋的应力偏小。钢筋应力沿纵向发生 变化，其表面必有相应的粘结应力分布( 图2 4 b ) 。这种情况下，裂缝段钢筋的应力差小， 但平均应力( 变) 高。粘结应力的存在，使混凝土内钢筋的平均应变或总变形小于钢筋 单独受力时的相应变形，有利于减小裂缝宽度和增大构件的刚度，称为受拉刚化效应。 所以，当混凝土构件因为内力变化、混凝土开裂或构造需要等引起钢筋应力沿长度 变化对，必须由周围混凝土提供必要的粘结应力。否则( r = 0 ) ，钢筋和混凝土将发生 相对滑移，构件或节点出现裂缝和变形，改变应力分布，甚至提前发生破坏。此外，钢 筋和混凝土的粘结状况在重复和反复荷载作用下逐渐退化，对于结构的疲劳和抗震性能 都有重要影响。因而，钢筋和混凝土的粘结破坏属于功能性破坏，虽然没有结构性破坏 严重，但是潜能破坏问题在工程中应受到重视。 钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力，由三部分组成“”“日： ( 1 ) 混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其抗剪极限值取 决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。当钢筋受力变形后发生局部滑移，粘着力就丧 失了。 ( 2 ) 周围混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。它取决于混凝 土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力，以及二者间的摩擦系数等。 ( 3 ) 钢筋表面不平，或螺纹钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋 表面斜向压力的纵向分力，其极限值受混凝土的抗剪强度控制。 其实，粘结力的三部分都与钢筋表面的粗糙度和锈蚀程度密切相关，在试验中很难 单独量测或严格区分，而且钢筋在不同的受力阶段，随着钢筋滑移的发展，荷载的加卸 等各部分粘结作用也有变化。 痞 硕士学位论文第二章 锚杆的工作特性分析 钢筋与混凝土的粘结性能及其它各项特征值，受许多因素的影响而变化：混凝土强度 ( 厶或z ) 、保护层厚度( c ) 、钢筋埋长( ) 、钢筋的直径和外形、横向箍筋( 户0 ) 、 横向压应力( 口) 以及对混凝土的质量和强度有影响的各种因素例如混凝土制作过程中 的坍落度、浇捣质量，养护条件、各种挠动等，又如钢筋在构件中的方向是垂直或平行 于混凝土的浇注方向、钢筋在截面韵顶部或底部、钢筋离构件表面的距离等，都对钢筋 和混凝土的粘结性能产生一定影响嘲 2 3 2 混凝土中锚杆豹轴向受力特性 轴向作甩是锚杆的主要作用，作用力的大小及分布特征取决于锚杆与岩体问的相对 位移或相对变形量的大小，以及锚杆与岩体阅连接的性能特征。锚杆与围岩的变形特性 差异是锚杆轴向作用力产生的前提，因为这种差异是在同一力场作用下两者所发生的变 形及位移不一致的内因；锚杆与岩体闯的有机结合是产生锚圃力的保证，而锚固方式和 锚杆辅助构件的性能及其配置，决定着这种结合的紧密程度，锚固方式的不同将导致锚 杆与围岩间的连接刚度及强度参数的不同：围岩应力场在安设锚杆后发生一定的改变是 锚固作用产生的条件，因为有了应力场的改变才会产生锚杆与岩体问变形及位移的相对 差异。因此，锚固方式、辅助构件，锚杆与围岩的变形特性差异以及围岩应力场的改变 等，是轴向锚固力分布特征的主要影响因素。 对承受各种内力( 鄂轴力弯矩，剪力和扭矩 的一维和二，三维结构，应力分析 后都可以找到主应力方向。在主应力方向无非是压力或拉力沿主拉应力方向配设钢筋 当然是最为有效，在主压应力方向增设钢筋也有增强作用因此，钢筋混凝土作为组合 材料承受轴向压力和控力是最简单、也是最基本的受力状态掌握其受力性能的一般规 律，是了解其它构件性能的基础 根据各种