（固体力学专业论文）边坡预应力锚索的应力分析与应用.pdf

摘要 贵州省由于地形地貌、地质构造的复杂性造成了交通的落后，这也给 经济的发展带来极大的不利。为了改变这种现状，近年来我省大力发展建 设。公路是交通建设的主要项目之一，而在开挖公路时，切割边坡而出现 的滑坡的工程地质灾害事故频繁发生。因此，对边坡提出有效合理的支护 方式一预应力锚索锚固具有十分重要的现实意义。 本文介绍了锚索的结构和锚索在边坡支护中的应用与发展。由于锚固 技术的优越性，它在边坡支护中占着重要的位置，因此贵州高等级公路的 边坡支护中大量应用了锚固支护形式。通过锚索在滑坡体中( 理想状态下) 自由段和锚固段的受力情况分析：提出了锚索的锚固力计算与锚固体设计： 通过对滑坡体在滑动面上的( 理想状态下) 受力分析，提出了求剩余下滑 力的计算公式。同时介绍了节理岩体锚索作用机理及通过锚索所提供的抗 滑力和锚索的安设角的关系提出了锚索的最佳安设方位角。通过假设把锚 索锚固段分为塑性变形区和弹性受力区，求出粘结剪应力在锚固段的分布 长度，最后得到合理的锚固长度。用开尔文粘弹性模型本构关系对锚索预 应力损失进行分析，预应力锚索加固岩体的效果和预应力的大小有很大的 关系。岩体随时间产生的变形、腐蚀、锚索松弛、结构的不同等因素都将 造成锚索预应力损失。本文着重研究岩体随时间的变形产生的预应力损失。 文中根据岩体的粘弹性理论，运用对应原理导出预应力损失公式o 。= o ，冲 o 。+ 1 l rl ，。最后讨论锚固段和自由段的长度对减少预应力损失的作用以及 开尔文模型的适用范围。 最后应用本文所介绍的知识对某高等级公路k 1 0 7 + 9 0 0 一k 1 0 8 + 1 6 0 段 左右边坡进行计算，提出合理的支护措施。 关键词：边坡锚固段预应力锚固应力损失松弛 a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ec o m p l e x i t yo ft o p o g r a p h i ca n d1 a n d f r o m c o n d i t i o na dg e o l o g i c a ls t r u c t u r ed ot h eb e h i n do ft r a f f i co fg u i z h o u p r o v i n c e ， t h i s b r i g sg r e a tc o r r u p t t o t h e d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y r e c e n t l yy e a r s ， o u r p r o v i n c ed e v e i o p s t h et r a f f c c o n s t r u c t i o nv i g o r o u s l y h i g h w a yi so n eo fc h i e fp r o j e c t so ft r a f f i c c o n s t r u c t i o n ，d u r i n gt h ee x c a v a t i n go ft h eh i g h w a y ，d u et oi n c i s i g t h e s l o p e s ， l a n d s l i d eo f e n g i n e e “n gg e o l o g i c a l h a z a r d so f t e n h a p p e n e d s o ，r a i s i n gt h er a t i o n a ls u p p o r tt y p e p r e s t r e s s e dc a b l e b o l t si sv e r yi m p o r t a n ta n dr i c hi np r a c t i c a le f f e c t s t e x tjn t r o d i l c e st h es t r u c t u r eo fc a b eb o 】t sa n dit su s e a n dd e v e l o p m e n ti ns l o p e s b e c a u s et h ea d v a n t a g eo fc a b i e b 0 1 t st e c h n i q u e ， i th o l d ss i g n i f ic a n t p l a c e i ns l o p e s s u p p o r t s o ， w eu s ev e r ym u c hc a b l eb 0 1 t s s u p p o r tt y p e i n h i g h w a yo f g u i z h o up r o v i n c e u n d e r i n g i d e a lc o n d i t i o n ，w e a n a l y z et h eu p h o l do ff r e ea n da n c h o r e da n dp u tf o r w a r dt h e c a l c u l a t i o na n dd e s i g nf o r m u l ao fc a b l eb 0 1 t s； u n d e r i n g i d e a lc o n d i t i o n ，w ea n a l y z et h eu p h 0 1 do fs l i d es i d ea n dp u t f o r w a r dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fs u r d l u ss l i d ef o r c e t o g e t h e rt e x ti n t r o d u c e st h ef u n c t i o nm e c h a n i s mo fb e do f r o c k ，w i t ht h er e l a t i o no fr e s i s t a n c es li d ea n ds e tu pa n 9 1 e o fc a b l eb 0 1 t s ，w ep u tf o r w a r dt h eb e s ts e tu pa n g l e u n d e r i n g h y p o t h e s i s ， w ed i v i d et h ea n c h o r e da sp l a s t i c i t yd e f o r m i t y a r e aa n de l a s t i c i t yu p h o l da r e a ，a n dc o m ea tt h er a n g1 e n g t h ( ) 【- v is c oc u ts t r e s s ，l a s tw eg e tt h er a t i o n a la n c h o r e dl e n g t h w ea n a i v z et h e1 0 a dl o s s e sw i t hk e l w i nv i s 0 e l a s t i cm o d e i t h e e n f o r e de f f e c to ft h ep r e s t r e s s e dc a b l eb o l t si sv e r ym u c hr e l a t e dt o t h ev a l u eo fp r e s t r e s s t h el o a dl o s s e so ft h ec a b l eb o l t sa r ep r o d u c e d b yt h ed e f o r m a t i o no fr o c km a s sd e p e n d i n go nt i m e ， c o r r o s i o na n d d i f f e r e n tk i n d so fs t r u c t u r e se t c t h ep a p e rm a i n l ys t u d yt h el o a d l o s s e sp r o d u c e db yt h ed e f o r m a t i o no fr o c km a s sd e p e n d i n go n t i m e a c c o r d i gt ot h ev i s o e i a s t i cp r o p e n i e st h e o r ya n du s i n gt h e c o r r e s p o n d i n g p r i n c i p l e ， o t = o n + o a t +1 l r l ， i s e s t a b l i s h e d f i n a l l v ， t h ee f f e c to ft h ef r e ea n da n c h o r e d l e n g t ho nd e c r e a s i n gt h el o a dl o s s e sa n dt h ea p p r o p r i a t es c o p eo f k e l w i nm o d e li sd i s c u s s e d l a s tw eu s et h ek n o w l e d g e0 ft h i st e x tt oc a l c u l a t et h es l o p e o fk 1 0 7 + 9 0 0 k 1 0 8 + 1 6 0o fs h u i h u a n gh i g h w a y ，a n dp u tf o r w a r d t h er a tio n a ls u p p o r tm e a s u r e k e yw o r d s ： s i o p e ，a n c h o r e d ，p r e s t r e s sa n c h o r i n g ，s t r e s s 】o s s e s ，r e 】a x a t i o n 边坡预应力锚索的应力分析与应用 刖舌 随着西部大开发战略的实施，贵州省的城镇建设、高等级公路工 程、铁路工程、西电东送的大型火力及水利发电工程等涉及边坡的人类工 程活动日益增加。这些工程在为人类创造财富的同时。也改变着和即将改变 着地球表层的自然状态，打破了经过千年来地质发展演化而达成的“人一 地”平衡体系，引起地质灾害和工程事故，给人类生活造成损失和不便。工 程灾害和边坡事故( 主要是崩塌、滑坡和泥石流) 的发生越来越频繁。1 5 6 8 年至1 9 3 4 年，我省发生有记载的崩滑灾害3 2 起，平均一百年9 起：1 9 5 6 年 至1 9 8 4 年的2 8 年间，发生崩滑灾害2 3 7 起，年均8 5 起：而从1 9 9 3 年至 1 9 9 8 年，贵州省境内频繁发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，其中较大灾 害1 3 5 0 起，年均2 2 5 起，涉及到6 0 多个县，共造成5 8 0 人死亡，2 0 0 0 余人受 伤，摧毁房屋3 8 0 0 余间，毁坏耕地表o 8 4 公顷，破坏公路、铁路1 0 0 万平方 米，造成直接经济损失1 4 2 亿元，年均损失2 8 亿元。 盘州省地处云贵高原，平均海拔1 千多米，山体多发育薄层或中层的 _ i 灰岩乖白云岩及其风化产物。由于地壳抬升，江河切割强烈，河谷切深大， 地彤破碎。据统计，我省平均地面坡度达1 8 度，个别县达到3 0 度以上，正所 谓“地无三里平”。贵州省陡峻的地形地貌条件和层状沉积岩发育、软弱 夹层多、岩层经过多次构造变动、岩层破碎等；同时崩塌、滑坡、泥石流 的发生显然也与森林砍伐、毁林开荒有关，实际上是水土流失作用的继续和 发展。加之贵州属多雨的亚热带岩溶山区，夏季多大雨和暴雨，尤其容易引 发崩塌、滑坡和泥石流。由于山高路险，历来交通不便，经济文化落后是 贵州的面貌。近几年为了改变贵州省交通落后的面貌，因此修建了关兴、 水黄、贵毕、清黄等高等级公路。由于滑坡现象经常发生，给人民的生命 和财产带来巨大的灾害。如何采用经济安全的手段进行加固，咀保证公路 的畅通无阻，是一个值得研究的课题。 长期以来，由于缺乏对各类岩土( 石) 边坡破坏机理的认识和相应的分 析手段以及加固边坡的手段落后( 如重力式挡墙、抗滑桩) ，这些加固设施 多在边坡发生位移后才产生作用，又因其自重大，对地基要求高。它们能 支护边坡高度有限，当遇到地质条件差的边坡，往往要大刷坡、宽平台等， 造成了经济浪费。近年来，岩土锚固技术开始用于边坡加固。它们以安全 稳定、轻巧美观著称。它们主动改善边坡的受力状态，结合适当的排水措 施，对于高陡的路堑边坡，其综合造价及社会经济效益要明显优于传统的 重型支挡结构。同时由于公路历程长、勘测时间短，所以山区锚固技术加 固的研究更加重要。 本课题所研究的边坡涉及多个工程学科，从学术上可促进相关学科的 交流和互动；在经济上，它有助于贵州省频繁的边坡事故的防治，现实性强； 也可应用于工程实践，为公路建设提供新的边坡处治资料，为贵州省的经济 建设和发展服务。 贵州土学埙士学位论文 边坡预应力锚索的应力分析与应用 第一章绪论 一锚固技术概述 1 锚固技术的应用与发展 岩土工程锚固技术是以锚索( 杆) 支护为主要技术措施在岩土体的利 用、整治和改造中，有效控制岩土体的稳定性，使之具有服务功能的加固 技术的总称。这种技术是把一种受拉杆件埋入地层中，以提高岩土自身的 强度和自稳能力的一门工程技术；由于这种技术大大减轻结构物的自重， 节约工程材料并确保工程的安全和稳定，具有显著的经济效益和社会效 i ；：，因而目前在工程中得到极其广泛的应用。岩土锚固的基本原理就是利 川锚索( 杆) 周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开 挖j 白身稳定，由于锚索( 杆) 的使用，它可以提供作用于结构物上以 爪受外付的抗力；可以使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作 川；町以增强地层的强度，改善地层的力学性能：使之形成一种共同工作 的符合体。 锚固技术的发展分为三个阶段，即结构工程、岩体工程和地质工程【l ”。 结构工程概念来源于建筑工程，其基本特征是荷载一结构模式，即把岩土 体破坏坍塌部分作为荷载，由锚索( 杆) 结构来承担，它利用那些传统支挡 结构计算荷载的方法提出锚索( 杆) 的支护理论。岩体工程概念是以现代 岩土力学、数值计算方法与支护作用理论等为基本依据的，其基本特征是 充分发挥岩土体的自稳能力，防其破坏于未然，支护适时、合理的施工步 骤，主要作用是控制岩土体的变形与位移，以改变岩土体应力状态使之达 到新的平稳状态。地质工程概念是充分考虑环境因素的影响，强调岩土体、 环境因素、工程措施三者的相互作用，从维护与改善环境稳定性出发，把 科学、技术、管理三者结合起来。 2 锚索的结构与分类 锚索是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系。主要由锚头、自 由段和锚固段组成。 锚头：锚索外端用于锚固或锁定锚索拉力的部体，由垫墩、垫板、锚 具、保护帽和外端锚筋组成。 锚固段：锚索远端将拉力传递给稳定地层的部分，锚固深度和长度应 按照实际情况计算获取，要求能够承受最大设计拉力。 自由段：将锚头拉力传至锚固段的中间区段，由锚拉筋、防腐构造和 注浆体组成。 锚索配件：为了保证锚索受力合理，施工方便而设置的部件，如定位 支架、导向帽、架线环、束线环、注浆塞等。 锚索按应用对象可分为岩石锚索和土层锚索：岩石锚索是指内锚段锚 贵州土学硕士学位论文 边坡预应力锚索的应力分析与应用 固于各类岩层中，而自由段可以位于岩层或土层中。土层锚索是指锚固于 各类土层中的锚索。按是否预先施加应力分为预应力锚索和非预应力锚 索：非预应力锚索是指锚索锚固后不施加外力，锚索处于被动受力状态， 它通常用i l 、i h 级螺纹钢筋，锚头较筋单。预应力锚索是指锚索锚固后 施加一定的外力，使锚索处于主动受载状态，它的设计和施工比较复杂， j 锚筋一般采用精螺纹钢筋( 中2 5 3 2 ) 或钢绞线。按锚固形态分为圆柱 形锚索，端部扩大型锚索和连续球型锚索。此外，按锚固机理还可分为有 粘结锚索、摩擦型锚索、端头锚固型锚索和混合型锚索。 3 锚固技术的优越性 锚固技术能较充分地调用和提高岩土体的自身强度和稳固能力，大大 缩小结构物体积和减轻结构物自重显著节约工程材料，利于施工安全，已 经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程问题最经济最有效的 方法之一，它在边坡工程中的优越性主要体现在： ( 1 ) 可调整性。根据工程的实际情况可随时调整锚索的数量和预应力 大小，弥补初步设计的不足。 ( 2 ) 深层加固。根据岩土体加固需要达到的深度，合理调整锚索的长 度，控制深层岩土体的变形达到改变深层岩土体应力状态的目的。 ( 3 ) 主动性。预应力锚索主动控制岩土体的变形，充分调动岩土体的 自稳能力，使之达到最好的稳定状态。 ( 4 ) 经济效益。节约材料，不需大规模的削坡和造平台。对地基没有 特别要求。 ( 5 ) 环境效益。锚固结构轻巧美观，它与边坡绿化结合起来，有效地 达到了环境保护目的。 二锚索在边坡处治中的应用及本文研究意义 l 锚索( 杆) 在边坡工程中的应用 在边坡工程中，当潜在的滑体沿剪切面的下滑力超过抗滑力时，将会 现剪切面的滑移和破坏。在坚硬的岩体中，剪切面多发生在断层、节理、 裂隙等软弱结构面上。在土层中，砂性土的滑面多为平面，粘性土的滑面 一般为圆弧状，有时也会出现沿上覆土层和下卧基岩问的界面滑动。为了 保持边坡的稳定，一种办法是大量削坡直至达到稳定的边坡角；另一种办 法是设置支挡结构。在许多情况下单纯采用削坡或挡墙往往是不经济或难 咀实现的。这时采用锚索( 杆) 技术。采用锚索( 杆) 加固边坡，能够提 高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移。在土层中，边坡安设 锚索( 杆) 后，所提高的安全系数可用下式条分法分式计算1 8 l ( 图1 一1 ) 青州上学最士学位论文 2 边坡预应力锚索的应力分析与应用 。一，( 善e + 昂) + 磊q 三r k ；= l j = l 一 置五+ b 式中：n ；一作用在第j 条滑面上的法向力： t t 一作用在第i 条滑面上的切向力 c 。一第i 条滑面上的粘聚力； l ；一一第i 条滑面上的长度： p n 一一锚索锚固力沿滑面法向分力； p t - 一锚索锚固力沿滑面切向分力； ，一滑面上的摩擦系数。 一7 二 在岩体中，由于岩石产状及软硬程度存在严重差异，岩石边坡可能出 现不同的失稳和破坏模式，如滑移倾倒、转动破坏等。锚索( 杆) 的安设 部位、倾角为抵抗边坡失稳与破坏最有利的方向。一般锚索( 杆) 应与岩 石主结构面或潜在面呈大角度相交。 锚索( 杆) 在边坡加固中通常与其他支挡结构联合1 8 】。 1 ) 锚索( 杆) 与钢筋混凝土桩联合使用，构成钢筋混凝土排桩式锚杆 挡墙。排桩可以是钻孔桩、挖孔桩或劲性混凝土桩，锚索( 杆) 可以是预 应力或非预应力锚杆。 2 ) 锚索( 杆) 与钢筋混凝土格架联合使用形成钢筋混凝土格构架挡墙， 锚索( 杆) 锚点设在格构结点上。锚索( 杆) 可以是预应力或非预应力锚 索( 杆) 这种支挡结构主要用于高陡岩石边坡或直立岩石边坡，以阻止岩 石边坡因卸荷而失稳。 贵州土学硕士学位论文 3 边坡预应力锚索的应力分析与应用 3 ) 锚索( 杆) 与钢筋混凝土板肋联合使用形成钢筋混凝土扳肋式锚杆 挡墙。这种结构主要用于直立开挖的i i i 、i v 类岩石边坡或土质边坡工程， 一般采用自上而下的逆作法施工。 4 ) 锚索( 杆) 与钢筋混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定板挡墙， 这种结构主要用于填方形成的直立土质边坡。 5 ) 锚索( 杆) 与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构，适用于 岩石边坡。锚索( 杆) 在边坡支护中主要承担岩石压力，限制边坡侧向位 移，而面板则用于限制岩石单块塌落并保护岩体表面防止风化。锚板可根 据岩石类别采用现浇板或挂网喷射混凝土层。 2 本文意义 贵州省地处云贵高原东部，平均海拔1 千多米，这里气候湿润多雨， 山体多发育薄层或中层的石灰岩和白云岩及其风化产物。由于山高路险， j j j 米交通不便，经济文化落后是贵州的面貌。近几年为了改变贵州省交通 讯“的l 面貌，因此修建了关兴、水黄、贵毕、清黄等高等级公路。由于滑 坡j 见盈经常发生，给人民的生命和财产带来巨大的灾害。如何采用经济安 伞的手段进行加固以保证公路的畅通无阻，是一个值得研究的课题。 艮期以来，由于缺乏对各类岩土( 石) 边坡破坏机理的认识和相应的分析 手段以及加固边坡的手段落后( 如重力式挡墙、抗滑桩) ，这些加固设施多 在边坡发生位移后才产生作用，又因其自重大，对地基要求高，它们能支 护边坡高度有限，当遇到地质条件差的边坡，往往要大刷坡、宽平台等， 造成了经济浪费。 近年来，岩土锚固技术开始用于边坡加固。它们以安全稳定、轻巧美 观著称。它们主动改善边坡的受力状态，结合适当的排水措施，对于高陡 的路堑边坡，其综合造价及社会经济效益要明显优于传统的重型支挡结构。 同时由于公路历程长、勘测时间短，所以山区锚固技术加固的研究更加重 要。 三本文主要内容 1 首先介绍了锚索的结构和锚索在边坡支护中的应用与发展。由于锚 固技术的优越性，它在边坡支护占着重要的位置，因此贵州高等级公路的 边坡支护中大量应用了锚固支护形式。 2 通过锚索在滑坡体中( 理想状态下) 自由段和锚固段的受力情况分 析，提出了锚索的锚固力计算与锚固体设计：通过对滑坡体在滑动面上的 ( 理想状态下) 受力分析，提出了求剩余下滑力的计算公式。 3 介绍了节理岩体锚索作用机理及通过锚索所提供的抗滑力和锚索的 安设角的关系提出了锚索的最佳安设方位角。通过假设把锚索锚固段分为 塑性变形区和弹性受力区，并求出粘结剪应力在锚固段的分布长度，最后 得到合理的锚固长度。 贵州土学项士学位论文 4 边坡预应力锚索的应力分析与应用 4 用开尔文粘弹性模型本构关系锚索预应力损失进行分析，根据岩体 的粘弹性理论，运用对应原理导出预应力损失公式o 。= or 。+ o 。+ 1 l rl ，。 5 应用本文所介绍的知识对某高等级公路k 1 0 7 + 9 0 0 一k 1 0 8 + 1 6 0 段左 右边坡进行计算，提出支护措施。 幸州上学咦士学位论文5 边坡预应力锚索的应力分析与应用 第二章力学模型的建立 第节滑坡的力学分析 滑坡是坡体受开挖或其他外力的作用使斜坡岩( 土) 体应力平衡遭到 破坏而产生的，边坡是否稳定，取决于滑力( 矩) 与抗滑力( 矩) 的对比 关系。斜坡的地形基本上决定了斜坡内部的应力状态( 剪应力) 组成，岩 土性质和结构又决定了抗剪强度的大小。一般来说，如果边坡岩( 土) 体 内部某一个面上的滑动超过了岩( 土) 体抵抗滑动的能力将产生剪切破坏 l 盯滑动。滑坡体将自动的调整其内部应力分布情况，下面我们简要谈一谈 h 成稳定性。 i 坡的滑动面近似一个圆弧，如下图( 2 - 1 1 ： 在滑动面a b 上作用的滑动力达到土的抗剪强度时土坡即发生破坏 土坡的稳定安全系数用f s 表示 “。 f t f s = f 式中：f ，一沿整个滑裂面上的平均抗剪强度。 z 一沿整个滑裂面上的平均剪应力。 当外界力作用破坏了土体原来的应力平衡状态或土的抗剪强度受外界 因素的影响而降低时，稳定安全系数将随之降低。预应力锚索张拉在滑面 上产生一个正应力和个平行于滑动面的抗剪力；同时，由于坡体处于受 压状态，其抗剪强度、凝聚力c 和内摩擦角中值也相应的提高。 责州土学两士学位论文 6 边坡璜应力锚索的应力分析与应用 第二节锚索锚固理论 1 预应力锚索工作原理 边坡的稳定受自身的物理力学性质的影响，如抗剪强度f 内摩擦角由，凝 聚力c 1 、容重。此外，边坡的坡度和高度、外部荷载等也会对边坡的稳定产 生影响，所有不利的因素总是使边坡沿某一滑面有向下滑动的趋势。 预应力锚索就是把受拉杆件深入到滑面以下，把下滑力传到稳定的岩 土体中，从而提高了边坡的稳定性。预应力锚索由锚头、杆件和锚固体组 成，锚头位于外端，通过对锚头施加预应力，并将锚固力传给结构物，自 由段位于锚头和锚固体之间，利用其弹性变形的特性而产生预应力。锚固 体位于锚索根部它把拉力传给稳定的岩土体。预应力锚索主动地改变了 边坡的受力状态，使内部应力重新分部，提高了岩土体的整体性且增加了 滑面上的抗滑力，从而有效地加固了边坡。 2 预应力锚索作用机理及破坏形式 锚索受拉时与注浆之间的锚固机理有三种【1 3 】：( 1 ) 锚索表面与注浆之 间的化学粘结作用：( 2 ) 锚索钢绞线表面与注浆之间的物理摩擦作用：( 3 ) 锚索与注浆之间的结合阻力，即锚索受拉的扩张阻力。其中占主导作用的 是第三种机理，即扩张阻力。 锚索加固的摩擦阻力与锚索和注浆之间的摩擦系数及锚索周围的径 向压力成正比 1 ”，即： t = p l t a n ( 中+ i ) 式中：p ，一锚索周围径向压力；中一锚索与注浆之间的摩擦角；i 一锚索 的扩张角。 锚索加固的主要破坏形式是锚索与注浆之间的粘结破坏，因此其主要 的破坏形式就是钢绞线从注浆体中拔出【l “。其次，锚固段沿孔壁拔出。再 次当锚距太小时相邻锚索之间相互作用而导致内锚段形成整体拉裂面从而 形成群锚失效。此外，钢绞线的内部缺陷及钢绞线之间在张拉受力不均匀 也会造成钢绞线断裂。 3 预应力锚索的理论探讨 1 ) 锚固段的受力情况 从预应力的传递过程及钢绞线、砂浆体、孔壁周边围岩体受力机制来 分析，当施加预应力时，自由段钢绞线受拉伸并将拉力传至锚固段，锚固 段钢绞线通过与砂浆体的粘结力，将力传至该段砂浆体上，锚固段砂浆体 受拉产生位移，促使自由段砂浆体产生位移，尽管自由段钢绞线与砂浆体 分离，但其砂浆受到锚固段砂浆的推动而与其周围岩( 土) 间产生摩擦力， 因此自由段砂浆体也提供一定的锚固力。 对于地质条件差，岩体破碎的边坡，自由段存在于风化程度高而破碎 的滑体。因此，如果让自由段砂浆承受一定的锚固力，无凝是个不利的因 责州大学磺士学位论文7 边坡预应力锚索的应力分析与应用 素，所以在锚固段和自由段之间设置了一个橡胶环将两段的砂浆体分开， 这样就保证了不会把锚固力传到自由段砂浆体上。 下图( 2 2 ) 是理想状态下锚索砂浆体受力示意图 图2 2 2 ) 自由段的受力情况 在设计预应力值时，我们通常认为自由段钢绞线将预应力全部传到锚 固段。虽然自由段采用了许多措施来避免预应力损失，但是由于砂浆体的 收缩及注浆时施加的压力，自由段砂浆体对钢绞线也产生一定的摩阻力。 因此，在锁定张拉荷载时要考虑预应力损失。 第三节锚索锚固力的计算及锚固体的设计 在计算锚固力和最小锚固体长度时，假设锚固段处于理想状态。一般 情况下在锚索锚固近端形成应力集中，当地层的弹性模量越大时，近端应 力越集中。 i 圆柱型和端部扩大头型锚索锚固力和锚固长度计算嗍 1 ) 圆柱裂锚索锚固力与锚固长度计算 锚索锚闸力由下式计算： p u2 庇由， 式中：卜锚固体长度； d 锚固体直径； 吼一锚固体与周围岩土体之间的粘结强度。 锚索的最小锚固长度： b 芑k 以础， 式中：l m 一一锚固长度： k 一安全系数，对于临时锚杆取1 6 1 8 ，对于永久锚索取2 2 2 4 ； 。一锚索锚固力设计值。 贵州土学嘎士学位论文 8 边坡预应力锚索的应力分析与应用 说明：。2 爿pk k n 式中：n 一设计荷载： k 一安全系数； ，。一所配锚筋( 钢绞线) 的抗拉强度设计值； 爿。一配筋截面面积。 2 ) 端部扩大头型锚索锚固力和锚固长度计算 端部扩大头型锚索的极限锚固力由三部分组成，其受力如下图所示 图2 3 砂土中锚索的极限锚固力计算： p u = 碰1 d 鼋。+ 疽2 由，+ 万( d 2 _ d 2 ) b cyh 粘性土中锚索的极限锚固力计算： p u = 花l d 口，+ 元2 由，+ 石( d 2 一d 2 ) b 。c u 斗 式中：p u 一锚索的极限锚固力； l - ，1 。，d ，d 一锚索体结构尺寸： 吼一一锚固体表面与周围岩体之间的极限粘结强度标准值： y ，h 一扩大头上覆土体容重和土层厚度： c u 一土体不排水抗剪强度； b 。一锚固力因子，与h d 呈正比例增加，当h d 1 0 时，b 。保持 恒定。 最小锚固长度公式： 砂性土：k gs 庇l 由，+ 元2 由，+ 言“( d l d 2 ) b cy h 粘性土：k gs 碰1 嘶，+ 碰，2 d 臼。+ “( d 2 一d 2 ) b 。c u 在工程设计中，根据经验简化的最小锚固长度公式为： 贵州土季嘎士学位论文 9 边坡预应力锚索的应力分析与应用 ；s 吐由，+ 元：由，+ 去“( d 2 - d 2 ) b c c u k 式中：一锚索锚固力设计值； k 一安全系数； b 一扩大头承载力修正系数，对于临时锚索取4 5 6 5 ，对于永久 性锚索取3 0 5 。0 ； 吼一锚固体表面与周围岩体之间的极限粘结强度标准值。 2 锚筋与锚固砂浆问的晟小握裹长度计算 前面介绍两种锚索锚固力计算公式的应用条件是锚索破坏首先从锚固 体与周围岩土体之间的界面产生剪切滑移，这对于土层或较软的岩石满足 这种条件。但对于较坚硬的岩层锚索的破坏首先从锚筋与锚固砂浆之间 开始剪切破坏。此时，应根据锚筋与锚固砂浆之间的粘结强度来计算锚索 的锚固长度。 极限锚固力公式为： p u = 兀l n d 。鼋g 式中：l 一锚固体长度； d 。锚筋直径； n 一锚筋数量： 留；锚筋与锚固砂浆间的极限粘结强度。 锚索最小握裹长度： l e 2 k n e ，勰ds qs ，中：l 。锚筋与锚固砂浆间的晟小握裹长度； k 一安全系数，对于临时锚索取1 5 1 8 ，对于永久性锚索取 2 0 2 3 ： 锚筋与锚固砂浆间的极限粘结强度标准值。 3 材料的屈服极限 p c 2 0 7 5 式中：品一一张拉控制力； 钢绞线总的破坏荷载； 最必须大于极限锚固力p u 。 贵州土学嘎士学位静文1 0 边坡预应力锚索的应力分析与应用 4 锚索的设计长度和施加的极限预应力t 锚索的设计长度l = 工。+ k + 。 式中：工。一锚固段长度； 厶一自由段长度： 三。一锚头段长度，一般取1 2 米。 极限预应力t 的表达式为： t = a bp u 式中：a 一千斤顶的摩阻损失一般取1 0 3 b 一锚具部分的摩阻损失一般取1 0 2 p u 一极限锚固力 第四节滑坡推力和附加力的计算 1 滑坡推力的计算 滑坡推力的计算是在己知滑动面形状、位置和滑动面( 带) 上岩土体 的抗剪强度指标的基础上进行的，计算方法一般采用剩余下滑力法。 计算滑坡推力时，作了如下假设： ( 1 )滑坡体是不可压缩的介质，不考虑滑坡体的局部挤压变形； ( 2 )块间只传递推力不传递拉力； ( 3 )块间作用力( 即推力) 以集中力表示，其方向平行于前一块滑 动面； ( 4 )乖直于主滑动方向取l m 宽的土条作为计算单元，忽略土条两侧 的摩阻力； ( 5 )滑坡体的每一计算块体的滑动面为平面，并沿滑动面整体滑动。 根据滑动面的变坡点和抗剪强度指标变化点，将滑坡体分成若干条 块，如图2 3 所示，从上到下逐块计算其剩余下滑力，最后一块的下滑力 即为滑坡推力。 如果滑动面为单一平面( 如图2 4 所示) 时， 滑坡推力为： e = k w s i n a 一( w c o s a t g 巾+ c l ) 贵州土学硕士学位论文 1 1 边城预应力锚索的应力分析与应甩 一 图2 3 滑块块体分块 图2 4 单一滑面滑体 式中： e 一滑坡体下滑力，k n ： w 一一滑坡体总重，k n ： a 一滑动面与水平面间的倾角； 卜一滑动面长度，m ； c 一一滑动面岩土体的粘聚力，k p a ； 中一一滑动面岩土体的内摩擦角； k 一一安全系数。 如果滑动面为折面( 如图2 5 所示) ，根据第i 条块的受力情况( 如 图2 6 所示) ，其剩余下滑力为： e j = k t i 十e 1 1 c o s ( a i l a f ) 一n f 十e f l s i n ( a h a ；) t g 巾j + c ；l j 式巾： e 。 第i 条块的剩余下滑力，k n t i 一一第i 条块自重w - 的切向分力，k n n 。一第i 条块自重w 。的法向分力，k n a ；一第i 条块所在的滑动面的倾角 巾；一一第i 条块滑动面上岩土的内摩擦角 责州太学唾士学位静文 边坡预应力锚索的应力分析与应用 c 。一一第i 条块滑动面上岩土的粘聚力 l ：第i 条块滑动面的长度，m 。 上式亦可表示为： e f = k t j 一( n f t g 巾。+ 。 l j ) + e f lv i 式中，1 l r j = c o s ( a h a f ) 一s i n ( a f 一】一a f ) t g 咖f ，v f 称为传递 系数，即上一条块的剩余下滑力e 。通过该系数转换变成下一条块剩余下 滑力e ；的一部分。 对于第一条块，其剩余下滑力e 。的计算与单一滑动面的相同，即： e l = k t l 一( n l t g 巾l + c l l l ) = k w l s i n a l一( w l c o s a l t g 由l + c 1 l 1 ) 如果是圆弧滑动面其推力可采用条分法进行计算。 当e ；为正值时，说明滑坡体有下滑推力，是不稳定的，应传给下一 条块；e j 为负值时，表示第i 条块以上滑坡体处于稳定状态，e f 不能传递； e ：为零时，第i 条块以上滑坡体也是稳定的。 在滑坡推力计算中，关于安全系数k 的使用目前认识尚不一致，有的 建议采用c i = 心士：= 警；而有自q 贝! i 采用扩大自重下滑力，即采用 责州土学碛士学佳格文 1 3 边坡预应力锚索的应力分析与应用 k w ，s i n a i 来计算推力。以上各式是用后者来计算滑坡推力的。 用以上各式计算推力时应注意： ( 1 )计算所得e - 为负值时，说明以上各条块在满足安全情况下已 能自身稳定。根据假定，负值e i ( 即拉力) 不再往下传递，因此，下条块 计算时按上一条块的推力等于零考虑。 ( 2 ) 断面中有反坡时，由于滑动面倾角为负值，因而分块w t s i n a t 也为负值，即它已不是下滑力了。在计算推力时，w t s i n a t 项就不应乘安 全系数k 。 应该指出，剩余下滑力法只考虑力的平衡，没有考虑力矩平衡的问题。 虽有缺陷，但因计算简便，工程上应用较广。 2 附加力的计算”3 在计算滑坡推力的同时，还需要考虑附加力的影响，应考虑的附加力 有( 如图2 7 所示) ： 图2 7 作用于滑体分块上的附加力系 ( 1 ) 滑坡体上有外荷载q 时，如：建筑物自重、汽车荷载等，应将 q 加在相应的滑块自重w 之中。 ( 2 ) 对于水库岸坡等地带的滑坡，滑体有水，且与滑带水连通时， 应考虑动压力和浮力。动水压力d ，其作用点位于饱水面积的形心处，方 向与水力坡度平行，大小为： d = y - qi 式中：y - 一一水的容重，k n m 3 ： q 一一滑坡体条块饱水面积，m 2 ；( 3 ) r 一一水力坡度。 浮力p ，其方向垂直于滑动面，大小为： 贵州土学嚏士学位论文1 4 边拔预应力锚索的应力分析与应甩 p = ny - q 式中：n 一一滑坡岩土的孔隙度。 ( 3 ) 当滑动面水有承压水头h 0 时，应考虑浮力pr 其方向垂直于滑动 面，大小为： p f = y - i i o ( 4 ) 滑坡体内有贯通至滑动面的裂隙，滑动时裂隙充水，则就考虑 裂隙水对滑坡体的静水压力j ，作用于裂隙底以上h ；3 高度处，水平指向 下坡方向，大小为： j = 三v 山； 式中：h 一一裂隙水深度，m 。 ( 5 ) 在地震烈度兰7 度的地区，应考虑地震力p “的作用p “作用于 滑坡体条块重心处，水平指向下滑方向，其大小可按相关计算公式计算。 贵州土学嘎士学位论文 1 5 边坡预应力锚索的应力分析与应用 第三章预应力锚索加固作用分析 现在锚固技术已广泛应用于岩土工程各个领域，并且取得显著的经济 效益，其主要的原因是锚固技术能充分挖掘岩土体的强度潜能，调动岩土 自身的强度和自支承能力，从而大大节约了工程材料，同时也加快了工程 建设速度。 锚固技术在岩土工程运用中，锚索的运用占有相当重要的地位。锚索 支护已在深基坑开挖、边坡稳定工程、矿山地下采矿、隧洞及地下工程等 领域得到广泛运用。在深基础开挖和边坡稳定工程中，主要采用预应力锚 索及其组合结构方式。对于松散节理破碎岩体的开挖及高应力岩体开挖支 护，也经常采用锚索加固以防节理岩体塌落、崩落、滑移。在大型地下硐 室、厂房等预应力锚索也得到了广泛的运用。总之，锚索加固技术在未来 将发挥越来越大的作用。因此，探讨锚索加固的作用机理及锚固性能具有 重要的意义。 第一节节理岩体锚索作用机理及锚索方位角的确定 1 节理岩体锚索作用机理 节理岩体中锚索与岩体相互作用的关系比较复杂，其主要原因是锚索 与岩体节理面相交处存在多种位移。岩体产生变形后，锚索受岩体作用会 产生拉伸、剪切、弯曲、扭曲等变形，但受岩体几何形状的约束，锚索一 般会产生拉伸、剪切以及二者的合成作用。实际作用中很少会发生纯拉伸 或纯剪切的情况，而主要是二者的结合。 节理岩体中，锚索安装后，锚索加固体的破坏模式主要有4 种；岩体 变形破坏、岩体与注浆粘结破坏、注浆与锚索粘结破坏、锚索材料破坏。 实践证明，锚索加固的最主要破坏模式是注浆与锚索之间粘结破坏。因此 探讨锚索加固作用机理时，研究的重点就是注浆与锚索之间的粘结强度。 研究最主要的手段就是拉拔试验。锚索受拉时注浆与锚索之间的作用机理 可参看第二章第二节。 锚索受拉时，由于锚索的扩张会使与锚索紧密接触的注浆表面产生一 个径向位移u 。这个径向位移u 。引起锚索表面产生径向压力p l ( 图3 1 ) 。径 向压力p 1 位移u ，的关系为注浆与岩石的刚度、注浆的强度、锚索与钻孔的 几何形状的函数i l 。 锚索加固摩擦阻力，即锚索的粘结强度t 与锚索和注浆之间的摩擦系 数以及锚索周围的径向压力p 1 有关，即： t = c ，+ p i t a n ( 中+ i ) 式中：中为注浆与锚索之间的摩擦角；i 为锚索的扩张角； c 。为灌浆体的粘结力。 贵州太学曩士学位论文 1 6 边坡预应力锚索的应力分析与应用 岩体应力变化 ( a ) 锚素扩张 b ) 圈 1 钳索加固作用机理分析 上述分析表明，影响锚索粘结强度的主要因素有岩体及注浆的刚度、 注浆的强度、锚索的围压等。在内锚固段靠近上端的部分，锚索和胶结体 之间的剪应力存在着相当严重的应力集中现象。因此，当预应力较大时可 能会造成结合面发生局部粘结破坏，甚至引起内锚头严重破坏。 预应力锚固方式一般有两种：一是用端部锚固方式：二是全长粘结锚 固方式。对于端部锚固形式，内锚固段一般采用灌浆锚固形式，在锚固段 锚索和灌浆截面之间应力是非均匀的，锚固段的应力集中程度与岩石和锚 索的变形模量有关，当两者别差较小时，应力服从非均匀分布。 对于全长粘结锚固式预应力锚索，钢绳锚索通过注入灌浆与孔内壁胶 结成一体，实现沿锚索全长与岩体之间的粘结力或摩擦力进行锚固，从而 改变了岩体自身的力学形态，提高了岩体的自支承能力，其作用主要体现 在： 1 ) 加固筋作用：钢绳锚索具有较高的抗拉强度，由于锚索和砂浆、岩体 胶结成一体，就使所加固的岩体增加了抗拉能力，其作用就象在混凝土结 构中加抗拉钢筋一样。 2 ) 缝合作用：锚索所穿过的断层、裂隙、节理等构造弱面被锚索缝合 起来，增加了岩体的整体性和稳定性。 3 1 胶凝作用：通过灌浆泵注入的水泥砂浆有些沿着孔壁渗入到一些张 开的断层、裂隙之中发生胶凝作用，从而增加了这些构造弱面的内摩擦力。 另外由于钢绳具有很好的柔性，锚固深度可以很深，可以预先加固、 缝合、胶结表层以里比较深的构造弱面，使张开的构造弱面趋向闭合，通 过锚索加固综合作用，增强了岩体的整体性和稳定性，提高了岩体自支承 力。在边坡、深基坑以及其它一些岩土加固工程中，端部锚固形式有较为 广泛的应用，本文主要讨论端部预应力锚固方式。 2 预应力锚索安设方位角的确定 预应力锚索加固岩体就是将锚索插入预先钻好的孔内，一端固定在滑 动面或潜在滑动面以内的稳定岩体内，另一端固定于岩体表面，然后通过 张拉对锚索施加预应力，预应力锚固使岩体直接受到人为菔加的外力作 用，从而使不稳定的岩体处于较高围压的三向应力状态，这样岩体强度比 贵州上学磺士学位论文 1 7 r岛蠕嚣错世怔每 边坡预应力锚索的应力分析与应用 加固前得到了提高，并且变形特性也得到了改善，由于预应力的作用，使 岩体结构面里压紧状态，从而显著提高了岩体的整体性。再就是锚索的加 固力直接改变了滑面上的受力状态，见( 图3 2 ) ，由预应力锚索的加固力所 增加的抗滑力增量p ： p = p n t a n o + p t = p 【s i n ( a + b ) t a n 中+ c o s ( a + b ) ( 4 1 ) 式中：p 一增加的抗滑阻力增量； p 一锚索设计预应力值； n 一为p 沿滑动面的法向分力； p ，一为p 沿滑动面的切向分力；a 一滑动面的摩擦角； b 一锚索与水平面的夹角；中一滑动面的内摩擦角。 图3 2 由上式可知，预应力锚索一方面可直接在滑动面上产生抗滑阻力；另 一方面通过增大滑动面上的正应力，来增大抗滑摩擦阻力。 锚索安设的方位角依赖于滑动面的产状粗糙程度及其力学性能。为此， 必需将锚索布置在与滑动面或可能滑动面走向垂直的平面内，这样可防止 预应力在滑动面走向方向上产生分力，使施加的预应力全部用于增加滑动 面的抗滑阻力，对于单根锚索来说，其所提供的最大抗滑力可通过对( 4 1 ) 式求导，即令d p db = 0 ，可得： c o s ( a + b ) t a n 中= s i n ( a + b ) t a