（道路与铁道工程专业论文）边坡锚固结构腐蚀影响因素权重评估研究.pdf

摘要 摘要 锚杆( 索) 是我国公路建设发展的需要，国内外许多大型工程的采用证明锚 杆( 索) 是许多高边坡加固的有效措施。锚的失效模式存在许多种，其中，腐蚀是 最常见的之一。锚的腐蚀严重影响许多高边坡的加固工程的寿命，形成工程的 “定时炸弹”，但是令国内外岩土工作人员疑惑的是：还没有比较完善锚的腐蚀 评估标准，严重制约锚固在工程中的运用发展。本文依托2 0 0 4 年交通部西部交 通建设项目基金，对边坡锚固结构的腐蚀因子进行评估研究，初步得到以下几点 结论： 1 、通过锚的模型试验，测量气温的变化、应力锚受到的应力大小、边坡锚 结构的密实性、地下水成分、天气的干湿交替等内、外部因素对锚的腐蚀影响 大小。 2 、采用的数学方法主要为层次分析法和物元分析理论，建立锚固系统评估 模型，反映各主要因素对锚固结构腐蚀的影响。 3 、在评估过程中，通过对权重系数和指标评估标准的研究，得出外部环境 指标与内部结构构造指标，为不同外界环境下，分清边坡锚结构的防腐侧重点提 供理论依据。 关键词：腐蚀，预应力锚索( 杆) ，失效，层次分析法，多层次评估模型，评估 标准，变权评估 英文摘要 a b s t r a c t 1 1 1 e 锄c h o rc a b l eq o l e ) i sa c c o r d i n gt oo l l fc o u n 仃y s1 1 i 曲w a yc o n s 咖c t i 1 1 1 e u s i n go fm e 锄c h o rc a b l e ( p o l e ) i nm a n yb i 哥s c a l ep r o j c c t s ，w h i c hi n c l u d i n gd o m e s t i c 锄df o r e i g np r o j e c t s ，i n d i c a t e si t sv a l i d i t yi np r o t e c t i n gl l i g hs l o p t h ep a t t e mo fa i l c h o re x p i r a t i o ni sd i v e r s e ，m l dm ec o n d s i o ni st h em o s tc o m m o n o n e a st h ep r o j e c t st i m i n gb o m b ，t h ea n c h o fc o r m s i o ns e r i o u s l ya f 诧c t st h el i f eo f 卵i n f o r c 跚l 跚tp r o j e c t si nm 孤y1 1 i g hs l o p n o th a v 证gp 幽t 雄p r a i s a ls t a i l 埘i l l a n c h o rm ec o r r o s i o n ，w h i c hs u r p r i s em a n yc i “lc i l 百n e e r s ，1 l 勰s 嘶o u s l yr e s t r i c t sm e d e v e l o p m e n to f 孤c h o ru t i l i z a t i o ni l lp r o j e c t t i l i sp 印c r s e 卸c h c sc o n d s i o nf h c t o ri l l t h es l o pa 1 1 c h o rs 仇l c t l l l e ，d 印e 1 1 d i n go nt h ef h n do f w e s tc o m m l l i l i c a t i o 璐c o n s 饥l c t i o n i t 锄岫d c rm em i n i s 仃yo f t h c 打a n s p o r c a t i o ni n2 0 0 4 t h i si sm em a i nc o n c l l l s i o 璐： f i r s t ，t h r o u 曲t l l ea i l c h o rm o d e le x p 甜m e n t ，is u r v e yt e m p e r a n 鹏c h a l l g c s ，m e s t r e s ss i z eo fa i l c h o r t h es 仇l c t u r ed e l l s i t yo f a n c h o r ，m ei n g r e d i e n to f m eg r o l l i l d w a t c r ，l l l e w e a t h e r d o 髓w e t i n t l l m 锄d s o o n ，柚d t h e d e g r c ee ) 【t e r i o r f k t o r t o t h e 锄m 妇c o n o s i o ni i d l u e n c e s e c o n d ，t h em a i l lm a t l l e m a t i c sm e t h o d sa r ct h el e v e la 1 1 a l ”i cm e t l l o d 锄dt h e 血i n g 姐a l y s i st h c o f y t h ee s t a b l i s h e d 印p r a i s a lm o d e lo f 觚c h o rs y s t 眦，r c n c c t st l l e i n n u 髓c et ot l l e 锄c h o rs t m c t i i r ef o me a c hp r i m a r yf a c t o r t h i r d ，d u r i n gt h e “a l u a t i o n ，io b t a i l l sm ee x t e n l a l v i r o r l l i l e n tt a r g e t 锄d i n t e n l a l s 仇l c t i i r et a r g c t ，w h i l e r c s e a r c l l i n gm ew e i g h tc o e 伍c i e n ta n dt h e 协r g e t 印p r a i s a l s t a l l d 盯d a l l dt h i sp r o 、，i d et h et h e o r yb a s i sf o rd i s t i n g u i s h i n gt h ea l l t i c o r r o s i o n 锄p h 髂i so fs l o p e 锄c h o rs 打l l c 恤 岫d e rt h ed i f f 白m te 】【t e m a le i l v i r o i 吼e i l t k e y o r d s ：c o r r o s i o n ，m ep r e s t r e s s c d 褫c h o rc a b k ( p o l e ) ，e x p i r e s ， t h el e v e l 柚a l y t i cm c t h o d ， t h em u l t i l e v e la p p r a i s a lm o d e l ， t h es t a l l d a r da p p m i s a l ，t i l ec h a n g e dp o w e ra p p m i s a l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝储繇压多永 日期： 。沙) 年 瑚妒日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 学位论文作者签名：矽 同期；井译月尸f 1 雌名：彻 日期年蝴笋日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1问题的提出 岩土工程研究的对象是经过漫长地质年代的复杂地质体在一定的时间或人为的 因素，一定的条件下，处于相对稳定的平衡状态，这些地质体由于自然的亦原来的平 衡状态遭到破坏，地质体过量变形而产生各种各样的地质灾害( 滑坡、地表沉陷等) 。 为预防和治理此类地质灾害，工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体，用于调动和提高 岩土体自身强度和自稳能力。这种受托杆件工程上称为锚杆它所起的作用即为锚固。 岩土锚固能充分调用锚杆周围地层自身强度，显著改善周围地层物理力学性质，节约 工程材料，从而成为解决岩土工程稳定性问题经济、有效的方法之一。近1 0 年来， 锚索( 杆) 加固技术已广泛应用于建筑结构物加固、边坡治理、大型地下洞室及深摹 坑支护等工程。随着我国基础工程建设项目的迅猛发展，可以预见，锚索( 杆) 加固 技术将获得更为广泛的应用”。 经几十年的应用和研究，用于岩土锚固技术的锚获得了巨大发展，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。在工程中，边坡岩 土锚固应用较广，特别是近年来伴随西部大开发战略号角的吹响、交通基础设施建设 的飞速发展，使得山区公路成为了我国公路建设的宅战场，山区公路建设中，高危边 坡的加固、环境地质灾害的整治等为主动锚的应用提供了更为广阔的空间。 广泛的工程实践表明，岩土锚固是一种有效的加固措施，佃由于工程介质的复杂 性以及锚固方式的多样性，至今尚未形成统一的理论。这就要求在以后的学习、工作 中，寻找突破，为将来岩土理论的发找作出自己的贡献。 由于各种建设发展迅速，永久性锚杆( 索) 施工简易迅速与费用相对低廉的特性 使其大量应用于边坡治理与结构抗浮上。在土层中使用时，地层中存在之腐蚀性物质 与地下水将对金属锚杆( 索) 造成严重威胁，腐蚀过程将减少杆( 索) 受力面积，拉 应力相对增加，可能之破坏模式一般为杆( 索) 之突然断裂或因金属杆件降伏而变形 过大造成拉应力丧失原设计功能。而预应力的状态下更易使金属锚杆( 索) 产牛应力 腐蚀破裂( s t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g ) 情形，如图1 1 ，加深了预应力锚杆( 索) 于土层中作为永久性结构物的危险。此外于锚头部分亦常因保护层填充不实或混凝土 脱落，造成金属部分腐蚀破坏，如图1 2 。若施工稍有不慎或因地层蠕变、地震等未 可预知之原因，锚杆( 索) 的腐蚀破坏最快于完工后数周即有可能发牛( f i p ，1 9 8 6 ) ， 第1 审绪论 慢则数年或数十年。 2 图1 1 边坡稳定的锚杆的框架结构破坏 圈1 2 锚杆( 索) 腐蚀锚头剥落 f l g u 婶1 1s 幽l i t y o f s l o p e 锄c h o f 如d p 叫c a l 触m ec o m 伽j c n o n d e s n l l c t i o n f 1 9 u r c1 2 卸c h o rr o d s ( r o p e ) c o 玎o d e s 柚c h o r a g en a l 【1 n g 岩土锚固作为隐蔽工程，工程实践中难以评价才施工完毕的边坡锚固工程是否满 足设计要求、施工质量是否可行? 虽然国内外已经总结出了许多经验，有许多相关的 规范技术指导文件，但一方面由于其针对性不强，安全评价难以完成，使得相关工程 人员无所适从；另一方面虽然我国公路部门在借鉴相关行业相关规范的基础上，通过 验收试验及其长期监控的手段来控制，但却存在国内外尚未解决的怎样依据获得的资 料来判断工程质量的问题，如：对采用螺纹钢筋作材料时的预应力锚杆，存在如何依 据试验数据来判断锚的长度是否满足设计要求等问题；对长期监控资料而言，存在边 坡位移达到什么值则边坡将不稳定、预应力损失达到何种程度则该锚固形式失效而导 致边坡不稳定以及多少根锚失效后会引起边坡滑动；如何检测与评估锚的腐蚀因素影 响大小等等。 锚固体系的腐蚀问题尤其使岩土工程界的专家、学者疑惑，如何评估锚的腐蚀因 素影响大小与如何防腐已成为当今岩土界急需解决的问题。针对对锚固工程，本文将 重点对促使锚腐蚀失效导致高边坡失稳的因素进行分析、研究、评估，找到更好防腐 蚀技术与方法。 1 2 国内外概况 岩土锚固技术在国内外使用年代比较久远。岩土锚固技术的最早应用在2 0 世纪 初，1 9 1 1 年美国首先用岩石锚杆防护矿山巷道边坡，1 9 1 8 年西利西安矿山采用了锚 索防护，当时锚索未加预应力。所谓预应力锚固，即应用于岩土体中的预应力水泥灌 浆腱体，用来阻止或控制诸如墙、斜坡岩土体等结构单元的位移。1 9 3 4 年，阿尔及利 亚c h e u r f a s 大坝所采用的垂直锚标志着现代预应力地锚时代的到来。此后，这一技 第l 幸绪论 3 术在德国、法国、英国、美国及日本等国家得到广泛应用；1 9 8 9 年，澳大利亚施工了 长1 2 0m 、工作荷载1 2 0 0 0k n 的超高荷载大坝锚( 1 0 n gu l t r ah i g hc a p a c i t yd a m a n c h o r s ) 【2 0 【2 引。 1 9 6 4 年，我国在安徽梅山水库建设中首次使用预应力锚索加固坝肩滑动岩体并取 得成功。上世纪8 0 年代以后，随着我国大规模基础设施建设高潮的到来，预应力锚固 技术在高边坡加固中得到了广泛应用，在结构设计、施工工艺、后期监测及加固机理 研究等方面取得了若干重要成果。目前，预应力锚固技术已经成为我国边坡加固的首 选方案“。 水电工程方面，天生桥一级水电站厂房边坡加固采用了1 2 l 根l 0 0 0k n 的预应力锚 索( 1 9 9 2 ) ；天生桥二级水电站房西坡加固也采用了3 9 2 根锚索，其中1 2 0 0k n 的就有 2 4 0 根( 1 9 9 2 ) ；漫湾水电站左岸边坡加固处理共采用锚索2 2 2 7 根，其中1 0 0 0k n 的1 3 1 0 根、1 6 0 0k n 级2 0 根、3 0 0 0k n 级的8 7 6 根、6 0 0 0k n 级的2 l 根( 1 9 9 5 ) 。黄河小浪底水 电站高边坡加固工程中累计施工预应力锚索近1 5 0 0 根，仅1 7 2m 高的迸水口高边坡加 固就采用了长1 8 4 0m 、预应力为4 0 0l 【n 、6 0 0k n 、8 0 0l ( n 、1 2 0 0k n 和1 5 0 0k n 的5 种 锚索7 4 7 根，加固工程于1 9 9 6 年完工。黄河上游李家峡水电站边坡加固中采用了以预 应力锚索为主的综合整治措施，施加的预应力量级为6 0 0k n 、1 0 0 0k n 和3 0 0 01 【n ，采 用的锚索总量达1 8 7 2 1 0 5k n m ( 1 9 9 7 ) 。最大高度1 7 0m 的三峡船闸高边坡及隔离 墩加固共施工预应力锚索4 3 7 6 根，其中对穿锚索1 9 8 6 根；锚索长度3 0 5 7m ，最大长 度6 9 4m ；施加的张拉应力为1 0 0 0l ( n 和3 0 0 0k n ( 2 0 0 2 ) 。此外，清江隔河及二滩等 大型水利水电工程的高边坡加固也都广泛采用了预应力锚固技术。”1 。 水运工程方面利用预应力锚索加固高边坡的典型实例当属长江链子崖危岩体整 治工程。长江链子崖危岩体位于湖北姊归新滩镇的长江南岸，是二峡库区稳定性最差 的大型崩塌滑坡体，对长江航运和三峡大坝施工构成了严重威胁；经多方案对比，整 治工程采用了预应力锚固技术。加固过程中，共施工锚索1 7 3 根，其中l 0 0 0k n 的7 3 根、 2 0 0 0k n 的5 0 根、3 0 0 0k n 的5 0 根，锚索平均长度3 5m 、最长的6 2m ；加固工程于1 9 9 5 年开始，1 9 9 7 年结束，经多年的变形观测，表明处置效果良好“。 目前，在我国的高速公路及国道主干线改造工程中，预应力锚索已成为路摹高边 坡加固的最常用手段。大保高速公路某路基边坡开挖高度达到2 0 0m ，加固过程中施 工了近2 0 0 根长2 5 3 0m 的预应力锚索，施加的预应力量级为l o o ok n ，锚固段长度大 于1 0m 。云南元磨高速公路元江段某1 6 8m 的路基高边坡加固采用了2 8 9 根4 束预应力 锚索，平均长度2 7m ，锚固段长度1 0m ，施加的预应力为6 0 0k n 。铜川黄陵高速公 第1 章绪论 路某滑坡高5 0m ，方量近5 0 1 0 4m 3 ，加固过程中，采用了2 2 8 根9 束预应力锚索，施 加预应力l o o ok n 。京珠高速公路某路摹边坡的加固采用了2 0 5 8m 长的预应力锚索， 锚固段长度l om ，施加预应力6 0 0k n 和9 0 0k n “”。 预应力锚固在我国铁路路基边坡加固中也得到了广泛应用，其中比较典型的实例 是南昆铁路八渡滑坡整治工程。该滑坡位于贵州省册亭县乃言乡，滑坡丰滑体长约 3 l o 3 4 0m ，宽4 0 0 5 4 0m ，厚2 0 4 0m ，体积约2 9 0 万m 3 ；次级滑坡长约2 0 0m ， 宽约3 8 0 m ，厚1 0 2 0 m ，体积约1 3 0 万m 3 。滑坡加固过程中施工了1 3 2 根、总长6 4 0 0 m 的6 柬预应力锚索，锚索平均长度5 0m 、最长的7 5m 、锚固段长度1 0m ，施加的 预应力为8 0 0k n 。 露天开采矿坑边坡加固方面也己开始采用预应力锚固技术。在四川某露采边坡加 固中施工了长3 5 3 8m 的预应力锚索2 9 7 根，施加的预应力为1 0 0 0k n 。为进一步验 证锚索在露采边坡加固中的可行性，以某露天矿边坡变形体为依托，进行了预应力锚 固效果的试验研究；试验采用的是6 束、9 0 01 ( n 的锚索( 每束1 5 0k n ) ，锚索平均长 度2 7m 、锚固段长8m ；理论计算表明，锚索加固对可显著提高边坡稳定性“。 国外许多专家对岩土锚固失效进行了调查与研究，如：英国的h a n n a 教授早在2 0 世纪7 0 年代就对岩土锚固的破坏形式进行了归纳，得出其只要破坏形式主要有三种： 锚自身的强度不够断裂、锚预应力松弛、锚所承受的荷载高于设计荷载。其中，锚断 裂与锚的防锈蚀、以及锚在插入锚孔前或使用过程中的机械损害有关；预应力损失与 固定的屈服、地基的固结、过高的估计锚工作荷载、荷载在群锚中的重分布锚的某根 或多根断裂等；荷载在群锚中重分布引起荷载超过设计荷载。h a n n a 教授虽然从定性 的角度研究了锚失效的方式，但缺少具体的数据加以定量，只是主要从力学的机理上 着眼。此成果为后人的研究起到了重要作用。 近年来国内不少学者和专家对锚失效开展了广泛的调查研究。国内有关专家对煤 矿被动锚失效的现象进行了分析总结，归纳得出了五种失锚现象：锚杆断裂失效占约 2 ；托板损坏导致失效，约占5 6 ；螺母失效，约占1 5 ；粘结失效约占4 8 ；锚 空失效约占2 9 3 0 。在这些失效现象中，锚受腐蚀而失效的占了相当一部分比例。 根据国际后张预应力协会( f i p ) 的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( 杆) 应用情况的调查，在高拉应力作用下，预应力筋会出现应力腐 蚀，如法国米克斯坝，有几根1 3 0 0 0 k n 承载力的锚杆仅使用几个月就发生断裂。我国 梅山水电站的无粘结监测锚索( 9 2 4 绝缘胶浸泡及2 3 层沥青麻袋包裹) 在运行4 6 年，先后有3 束锚索( 杆) 因应力腐蚀兼氢脆而导致钢丝断裂。 第1 章绪论 5 在国内，随着锚固技术的发展，有关部门也编写了锚固技术的相关规定、规范等。 主要有：总参谋部组织编写的国家军事标准预应力锚索设计与施工规范和2 0 0 6 年国家交通部颁布的公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范。 在国外，各国家也制定了适合本国国情的相关规定、规范等，广泛的指导了各地 区的摹础设施建设，值得我国基础设施建设学习和借鉴。 通过最近深入调查与分析，对当前国内的锚杆腐蚀试验研究有了更深入和具体的 认识。同时也进一步肯定了以下看法：目前的研究设备和研究方法很难得到室内模拟 加速试验与户外现场锚杆( 索) 腐蚀情况之间的相瓦关系。也就是说，从现有的文献 资料和最新研究进展来看，目前还没有可以利用的时效关系( 即加速关系) ，需要自 己在作试验的同时获得到这一时效关系。而有关这一时效关系的试验无法在短期内完 成。 另外，从研究来的角度看，完整地讲，是研究土介质中含有多种材料( 钢材、注 浆体和塑料套管等) 且钢材受把情况下的腐蚀，因此是一种很复杂的腐蚀过程。除土 体的类型多样性、多相性、季节性变化、土体试样与现场土体结构的不同外，对于土 壤介质来说，与其他介质中的腐蚀还有两点很不相同：一是氧的传递方式不同，二是 土壤介质的宏观不均一性所引起的腐蚀宏电池，在土壤腐蚀中往往起着更大的作用。 只有能体现这些特点的室内试验才能较好地模拟现场锚杆的腐蚀。但是，在目前的室 内试验中土壤腐蚀的这些特性都无法考虑，即很难用室内试验模拟的研究手段去进行 已有土中锚杆腐蚀评价的研究。 也就是说，短期内的研究成果很难能应用到对已有锚杆( 索) 结构的工作现状( 主 要指耐久性方面) 或使用寿命进行评价上。 f u 是，通过调研发现，在锚杆应力腐蚀方面的试验研究国内外几乎没有展开，结 合有限的时间，我们可以在这一方面进行一些探索性的试验工作。 1 3 本文的研究内容、技术思路及其方法 1 3 1 研究对象 本文以边坡锚固结构中最常见的锚锈蚀，导致预应力锚强度降低、甚至失效，而 引起边坡失稳的各方面影响因素为研究对象进行分析和讨论。侧重岩土锚固结构腐蚀 程度的评估。即结合岩土锚固结构的特点，在总结分析岩土锚固结构材料的腐蚀机理、 自然环境的腐蚀性评价和影响锚固结构腐蚀因素研究的基础上，对各腐蚀影响因子进 行分析、研究与评估。 第1 幸绪论 1 3 2 主要研究内容 本论文总体从影响腐蚀的各个方面出发，重点分析了各影响因素在锚腐蚀失效过 程中占有的比例以及各腐蚀因素的影响权重比，研究了对待不同腐蚀因素的防护方 法。 ( 1 ) 锚固结构的力学原理与腐蚀机理 从锚的摹本力学原理与生产锚所需要的材料出发，充分考虑锚结构所处环境以及 在其所处环境中受内外力作用下，各因素对锚结构腐蚀的不同影响程度，为后面锚的 室内试验提供理论依据： ( 2 ) 锚的应力腐蚀模型试验形式 考虑锚处于的地下水环境，针对锚腐蚀的几个主要的因素，设计试验模型，初步 分析试验结果，更好的为锚的综合评估打好基础； ( 3 ) 锚固体系的评估模型与评估方法以及权重系数和指标评估标准的研究 详细分析锚结构不同组成部分的材料，以及各材料在锚工作状态下主要受到那种 介质的影响及其影响形式。 ( 4 ) 锚结构腐蚀防护方法与措施 主要针对目前锚运用于工程中后与地下水中各种杂质接触，发生的物理化学反应、 电化腐蚀、应力腐蚀等现象，导致锚固结构不能充分发挥其作用，甚至失效等状况， 提出有效防腐方法与措施。 1 3 3 技术思路与方法 论文总体上采用室内模型试验、辅以数值分析、配合实体工程的技术思路及方法 开展。针对本文的核心内容，即锚固体系的评估模型与评估方法以及权重系数和指标 评估标准的研究，采用如下的技术思路与方法： ( 1 ) 将物元分析理论引进层次分析法，建立岩土锚固结构腐蚀程度的多层次评 估模型： ( 2 ) 根据各项指标确定评估标准，分析评估模型各部分，得出初始权重； ( 3 ) 分析评估中如何反映众多影响因素之间的复杂关系，研究实际评估时采用变 权评估。 箜! 童堕哑丛丝塑塑堂堕望兰堕丝塑里：二 第2 章锚固结构的力学原理与腐蚀机理 在边坡工程中，要对锚受到的腐蚀因素进行准确的评估，弄清楚锚结构的力 学原理与腐蚀机理很有必要。 2 1 锚内、外部结构 在实际高边坡加固工程中，我们通常运用的加固方式有：土钉、无预应力锚轩 和预应力锚索。各加固方式有其自身的结构。在本节中主要以锚杆与拉力预应力 锚索的结构为例，进行基本结构与基本原理的简单分析。 2 1 1 锚杆的组成 锚杆由锚头、钢拉杆( 钢索) 、塑料套管定位分隔器以及水泥砂浆等组成，它 与挡土桩墙联结构成支护结构，图2 1 为锚杆与地下墙联结构造图。锚杆的钢材 分粗钢筋，钢管及钢铰线，统称钢索，一般要求材料强度高。在钢索全长分自由 段与锚固段，自由段的钢索套塑料管以保证张拉时钢索能自由伸长。锚固段内要 求灌浆或压力灌浆密实，与钢筋有足够的握裹力。钢筋的锚头如图2 2 所示， 图2 1 锚杆构造图图2 ，2 钢筋锚杆头装置 f 1 9 i l r c2 1 c h o rr o dc o l l 咖l c t i o nf l g i l 2 2s 把e lb a fa n c h o f dh e a di n g t a l l m e n t 篡黧鬻至捌誓 预应力锚索分锚固端、自由端和张拉端。2 纠i 曩强1 其中，锚固段为锚索通过破裂面伸入稳定土体靠孵霹跫瓢玉】趴 内的孔段，靠砂浆与钢绞线的粘结，砂浆与孔矿一一锄嚏誓 第2 章锚i 州结构的力学原理与腐蚀机理 8 部分( 孔段) 。自由段锚索要能自由伸缩，通过对锚索的张拉，使自由段钢绞线产 生弹性变形，从而产生预应力传递到锚固段；张拉段是锚索实现张拉和锁定的部 位，包括斜托、钢绞线、锚具、封头的桩身外侧面部分。是锚索段反力的承载体。 通过对锚锁的锁定，使自由段钢绞线产生弹性变形，从而产生预应力传递到锚固 段。预应力锚索结构如下图2 4 图2 4 预应力锚震结构图 f i g i 】r e2 4p r e s 打e s s e da n c h o rc a b l ec o m 仇i c n o n 2 1 3 常用锚固段形式 锚固段为锚索( 杆) 通过破裂面伸入稳定土体内的孔段，靠砂浆与钢绞线的 粘结，砂浆与孔壁的粘结，使孔周稳定岩体成为承受预应力的载体。不同形式的 锚固段施工方法不一样，处于互异的地理环境中，受异样的外界因素影响，受大 小不一的内、外力作用，受异同的腐蚀介质的侵蚀。在各地层中的锚固段形式有 较大的差别，所以有必要对锚固段形式进行分析和研究。工程中常用锚的锚固形 式可归为a d 四种，有如下示意图2 1 ( 1 ) a 型锚固段 图2 5 锚固段形式 f 1 9 u r e2 5 卸c h o fs e c n f o r n l 第2 章锚同结构的力学原理与腐蚀机理 9 主要用于岩体或黏性土层。其锚固段钻孔为直筒状，采用较小的压力，p g 2 0 0 转变为y f e 2 0 3 ( 富氧) ，4 0 0 5 0 0 转 f e 3 m 黑 5 2 变为q f e 2 0 3 a f e 0 d h黄4 22 0 0 失水生成。一f e 2 0 3 b f e o o h 淡褐2 3 0 失水生成q f e 2 0 3 y f e 0 0 h橙 3 9 72 0 0 时转变生成a f e 概 y f e 2 0 3 褐 4 8 8 2 5 0 时转变生成a f e 2 m a f e 2 0 3由磁红到黑 5 2 5 0 0 9 8 m p a ，1 4 5 7 分解为f e 3 0 4 疲劳腐蚀 腐蚀疲劳是由交变应力和腐蚀的共同作用引起的破裂。由于锚杆( 索) 在施 工中受到多次振动或者张拉，反复的操作很容易都产生腐蚀疲劳。 酸露点腐蚀 如果边坡加固工程离重油或含硫瓦斯为燃料的锅炉和工业加热炉不远，常由 于烟气中生成的硫酸在温度较低的地面处凝聚而引起锚腐蚀，因此，这种现象被 称为硫酸露点腐蚀。 所有腐蚀都是按照由表及里方向进行的，因此，锚的表面防护为重中之重。 2 4 本章小结 本章从力学与化学的角度对锚结构进行了多方面的分析研究，如下： ( 1 ) 通过锚固体系的基本构成和力学原理分析，对一般锚杆( 索) 的力学图 形进行了概述，阐述了锚在结构中承受的巨大作用力； ( 2 ) 还通过对锚所处的环境，从定性的、规律性的角度分析了锚筋的腐蚀以 及混注浆体的腐蚀机理； ( 3 ) 归纳影响边坡工程中锚的可能腐蚀类型，为后面的模型试验的选择打好 基础。 第3 章锚室内应力腐蚀模犁试验 第3 章锚室内应力腐蚀模型试验 在本试验方案中，不再考虑时间效应的问题，而是注重不同预应力水平的锚 杆在不同腐蚀环境下腐蚀状况的比较。同时，我们对能否有效减少类似试验的试 件数量进行了分析，把正交试验方法应用在锚杆腐蚀试验的设计中。这样，不仅 本次试验任务的完成可以是用最少的试验数量获得具有同样价值的试验结果，而 且还可以尝试研究解决腐蚀试验试件数量庞大、试验工作量巨大、试验经费昂贵、 实验时间漫长的问题。 3 1 试验方案 3 1 1 试验中考虑主要影响因素 实际工程中，如果土中有腐蚀性离子，则锚固结构中均有一些防腐措施。但 是完全按照实际情况来设计试验会使试验速度过慢，所以在设计试验时，不考虑 防腐措施的影响。 由于主动锚腐蚀的主要特点是需考虑锚杆( 索) 中有预应力，而且预应力设 计的吨位也不断提高，应力腐蚀应予高度重视，所以这里考虑的主要也是在锚杆 ( 索) 体上施加预应力后的腐蚀问题。 预应力锚结构在边坡路基等工程中受外界的影响因素非常复杂，故锚在地下 受到的腐蚀因素相当多，要在试验中一一模拟出来非常困难。所以，一般说来，研 究锚的腐蚀问题我们只能考虑其中的几个主要因素，围绕这几个主要的腐蚀因素 建立简化的试验模型。本次试验中所考虑的影响因素如下： ( 1 ) 环境因素：用不同浓度的酸性溶液来模拟环境的影响，试验时按p h 值 来考虑，考虑两种p h 值的情况；还要考虑试件的放置方式( 见下) ； ( 2 ) 锚杆状态：被砂浆包裹，砂浆上有一明显缺损( 人为制造裂缝) ； ( 3 ) 应力状态：考虑有两种或三种应力水平； ( 4 ) 放置方式：永久浸泡或干湿交替： ( 5 ) 测试季节：考虑不同季节不同天气情况； ( 6 ) 筋材形式：钢筋、钢丝束或钢绞线；或配置钢筋大小有所不同。 试验所采取的方法很多，但受方面条件限制，本试验将采用预应力锚腐蚀失 重法。为了方便试验的可操作性，本试验只对前五种因素进行试验分析。 3 1 2 试验方案的设计 如前所述，本试验只考虑前几种影响因素，按萨交试验进行设计。设计是在 第3 章锚空内应力腐蚀模捌试验 选定筋材的基础上进行的，即筋材在试验中是不变的。同时，因为应力水平和环 境情况( 腐蚀溶液浓度) 对锚杆试件的腐蚀是耦合作用的，所以有必要考虑这两 者的交互作用。 本试验中考虑的四种因素的水平数及具体数值如下： ( 1 ) p h 值：两种水平。分别为：5 5 ：6 5 ： ( 2 ) 应力水平：三种水平。分别为：不张拉；材料极限抗拉强度的5 0 9 6 ( 按 设计常用的取值) ；材料极限抗拉强度的7 0 9 6 ； ( 3 ) 砂浆裂缝：仅考虑不张拉情况，即一种水平。3 个试件：裂缝宽度分别 为：o 2 啪；0 5 m ；1 0 舢； ( 4 ) 干湿交替：仅考虑不张拉情况，即一种水平。3 个试件：干湿交替问隔 分别为：7 天，1 5 天、3 0 天。 共1 2 个试件，正交实验如下表3 1 ： 表3 1 应力水平按三种考虑时的正交试验因素与水平表 1 a b l e3 1 硎l 0 9 0 i l a le x p c r i m e n t 盘c t o r sa n dh o r i z o n t a lt a b l ew h i l ec o 璐i d e n n g t h e ek m d so f s 仕e s sl e v e l s 试件应力水平砂浆裂缝 干湿交替 p i i 值 编号 ( 极限抗拉强度的) ( c m ) ( 天) 1 #5 5o 无无 2 #5 55 0 无无 3 #5 57 0 无无 4 #6 50 无无 5 #6 55 0 无无 6 #6 57 0 无无 7 # 5 50o 2 无 8 #5 50 0 5无 9 #5 5o1 o 无 1 0 #5 50 无 7 1 1 #5 50无1 5 1 2 #5 5o 无 3 0 需要说明的是： ( 1 ) 环境条件( 即浸泡溶液及其浓度) ，充分考虑西南地区的地下水多呈酸性的 情况进行设计； ( 2 ) 裂缝深度宜能刚接触到杆体为好。 第3 章锚室内府力腐蚀模型试睑 3 2 试验模型的制作 为了使模型的强度及其变形与工程实际中相似，模型材料、模型形状及其荷载 等都得遵循相似原理。由于涉及到试验中模型材料的重度、密度、弹性模量、泊 松比、抗拉强度、极限抗拉应变等都是独立的物理量。在选择一种材料后，它可 能只满足某一个主要相似，而不满足其他的相似，所以模型很难完全相似。 3 2 1 模型试验的基本原理 近年来，随着计算机数值模拟技术的不断成熟，大量的岩土工程试验已逐渐 被数值模拟所取代，但直观的物理模拟试验仍然是今后岩土工程不可缺失的方法 之一，是验证数值模拟准确性的有效途径。在物理模拟试验中目前应用较多的主 要是相似材料模型试验，本节在分析锚的锈蚀机理的基础上，应用相似材料模型 试验进行大量的破坏性模拟试验，为怎样更有效的防止锚锈蚀提供更多的依据和 方法。 所谓相似原理是指“若两个系统相似，则它们的几何特性和各对应的无论量 必然互为一定的比例关系。这样就可以通过试验测定某一系统的物理量，再按一 定的比例推求另一系统的对应物理量。 本模型试验中很重要的就是满足试验中所用预应力锚的受腐蚀的环境及受腐 蚀预应力锚的表面物理化学基本性质与实际工程中所用面临的地下水环境及预应 力锚的自身的物理化学性质基本相似，尽量符合公路工程混凝土结构防腐蚀技 术规范j t g 厂rb 0 7 0 1 2 0 0 6 和岩土锚杆( 索) 技术规程c e c s2 2 ：2 0 0 5 中的 技术要求。 为了使模型的强度及变形发展与实体工程相似，模型材料、模型形状和荷载 等必须遵循相似原理。完全相似的模型应满足以下的相似判据。 矗2 q 2 e2 毒2 鲁= 毒= 刮 式中，巳为应力相似常数，g 为体积力相似常数，c ，为几何相似常数，巳为泊 松比相似常数，e 为应变相似常数，q 为弹性模量相似常数，g 为位移相似常 数，c i 为边界应力相似常数，c 为残余应变相似常数。 鲁：鲁：等：c ，：- c ；c ；c ； 式中，c 为凝聚力的相似常数，c ：为抗拉强度的相似常数，q 为抗压强度的相 第3 章锚室内应力腐蚀模叩试验 似常数，c ，为内摩擦系数的相似常数。 = c ：= 1 式中，c 为单轴极限拉应变相似常数，e 为单轴极限压应变相似常数。 可推导预应力和表面积的相似基本原理如下： 2 2 n f p | sp f p | l j f 。s mf m i l ： f m = fp y c i 、 式中，品，瓯分别为原型和模型的面积：z ，乇分别为原型和模型的几何尺寸； 兄，l 分别为原型和模型的荷载。 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，实际的模型试验只能满足 主要的相似判据，这样的模型称为基本相似模型。 在本试验主要是研究预应力锚在公路边坡加固工程中受腐蚀的机理及各腐 蚀机理对预应力锚腐蚀影响程度的失重试验模型，所以试验模型材料与原型材料 的物理化学性质相同，即c ，= 1 、模型材料与原型材料的应力关系在整个极限荷 载范围内必须保持相似、模型材料与原型材料的受腐蚀的环境大致相似、原型材 料与模型材料强度必须是相似的。 3 2 2 模型试验尺寸与材料 为方便试验的实施，模型试件的大小控制在合适的尺寸，如下： a 、本试验中所用预应力锚与非预应力锚的外部结构尺寸为o 5 m o 1 5 m o 1 5 m ( 长宽高) 长方体水泥混凝土墩，为了能承受所要加载的拉力，此水泥混 凝土墩的强度必须达到4 0 m p a 。其中c 4 0 混凝土配合比所需要材料及质量比如下表 3 2 ： 第3 章锚室内应力腐蚀模型试验 表3 2 试验外部结构材料成分 r r 拈l e3 2t h ee x t 蹦o rs 仃1 l c t t l f cm a t e n a le l e m 朋to f e x p e r i m e n t a t i 嘣料 水泥细集辩( 砂)粗集科( 石)外加剂拌和及养护水 分嘉 采用重庆重庆 科华水泥采用长采用东十混凝七乐德公司 产地及 厂生产的寿河砂，该厂生产的碎石，按生产的高 性能 4 2 5 r 普砂符合区 5 2 0 m ：1 6 3 1 5 m = 5 效减水剂，饮用水 通硅酸盐中砂级配 o ：5 0 ( 质鼍比) 配为掺量取 水泥；不5 3 1 5 m 连续粒径o 8 _ j 6 c ，减 考虑水泥水率约2 0 强度富余 质量比 5 3 96 2 91 0 2 73 5 42 0 5 b 、本试验中，腐蚀环境由长4 0 c m ，直径l o c f i l p p r 管模拟。如下图4 1 ，槽 中空部分为此材料： 图3 1 成型的外部试验结构 f l g 呱e3 1 “洲o r “p e m r 蛐协l s 廿u c t i l r e sw h l c hi sf b r m a t e d c 、本试验模拟的实体为锚杆，采用重庆钢铁集团有限责任公司生产的，直 径1 0 m m 的低碳热扎钢筋2 根，裁剪成1 2 段长6 5 c m 的直条。其力学性质、化学 成分如下表3 3 ： 表3 3 钢筋物理化学指标表 1 a b l e3 3t h ep h y s i c a la n dc h e 咖c a li i l d e xo f r e i l l f o r c i n gs t e e l 化学成分百分比力学性能 c s ips屈服点抗拉强度伸长率冷弯实验 0 1 6o 2 6o 5 50 0 1 9o 0 1 73 3 0 m p a4 7 0m p a2 7m p a 完好 相应的锚头由边长l o c m ，厚5 m m 的钢板与m l o 的螺母模拟。用来对锚杆施加应 力。 第3 章锚室内应力腐蚀模氆试验 d 、本试验中，还需要精确度为0 0 1 克的电子天平，用来称每次试验后的锚 杆的失重状况，如下图3 2 ： 图3 2 试验中所用的电子天平 f l g i i 3 2t h ee l e c 协，n i cb a l a n u s e di ne x l 增r i i 增n 协 e 、本试验还需要除锈剂，用以清除每次试验后钢筋上的锈斑，方便下次试验 用。如下图3 3 ： 图3 3 试验中所用除锈剂 f 1 9 u 化3 3 t h em s tr c 脚、，盯瑚e dj ne x p e n m e n t s f 、本试验中还需要许多工具，如下表3 4 ： 表3 ，4 试验中所需要的其它材料与工具 t 矗b l e3 4o t h e rr t e 6 a l sa 1 1 dt 0 0 1 sn e e d e di ne x p e n m e l l 诅t i i1 ：具名称剪刀刷子透明胶带长5 0 c m 盲径1 0 m m 钢精1 2 根 打扫试件表 作用裁剪胶带密封p v c 管预制试什时，留孔 面 3 2 3 模型的制作 实验装置 本试验设备采用自制的装置，完全通过购嚣模板自己装订而成，如下图3 4 ： 第3 章锚室内应力腐蚀模叩试验 图3 4 锈蚀试验 f l g 埘_ c3 4 c o f m s i o nc x i c r i 如舳协 模型的制作 模型的制作不仅需要比较长的准备时间，还需要仔细对待过程中的每一个细 节： 首先，用木质模板按照试件的几何尺寸加工好开口箱形状的木质模。将模具 水平摆放整齐，有利于模型浇筑与管理。 其次，用电锯在p v c 管侧面锯一宽1 c m 的直缝，而后用宽6 c m 透明胶带密封 好此侧面直缝。预制2 4 片铁帽，铁帽的中央刚好能穿越1 0 棚直径的钢筋，每支 p v c 筒用两个铁帽盖上，并用透明胶带固定好铁帽于p v c 管上，以免铁帽滑动。将 准备好的长5 0 c m 的制模钢筋从p v c 管中央穿过，用来预制锚孔。其中铁帽用来密 封p v c 管的两端，避免p v c 管内部空间在试件成型时，被混凝土填塞。将预制好 的p v c 管放入模具中央位置，即p v c 管的两端距离模具侧面各5 c m ，所锯的直缝 在上，直缝离模具上部端口的垂直距离2 c m 。并用铁钉与铁丝支架将p v c 管固定好 在木质模具上。 然后，准备好普通归酸盐水泥、砂、石子、水、早强剂等材料。在事先准备 好的光洁的地面上拌和好各集料，然后再加比较纯净的水及高效减水剂，仔细搅 拌均匀后，将流塑性的水泥混凝土浆体铲入木质模具中，并振捣密实。考虑到混 凝土在外加剂的影响下，初凝时间比较短，在夏天制作此模型时大约要超过4 5 m i n ， 所以必须迅速拌均匀各集料。需要说明的是：在成型过程中，p v c 管的上部直缝 预留好，有利于在试验中添加更换溶液。 最后，等待模型成型。在浇筑后的几天时间里，隔一定时间给模型喷水养护， 直至达到试验所需要的强度等物理化学指标。其中养护水为日常生活用水。在模 型满足所需要的强度等指标后，拆除外面的模具，拔掉5 0 c m 的制模钢筋，清除渗 入p v c 管中的杂质。 试验的实施过程试验在一个相对开放( 即在通风条件良好) 的环境