（岩土工程专业论文）压力分散型锚索锚固机理及锚固段设计方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 压力分散型锚索自研究开发成功以来，已经逐渐被应用于水利、交通等各 个领域中，对软岩和承载力较低的土体的永久性加固起到了巨大的作用。但其 理论研究还落后于工程实践，设计计算方法还不成熟，有许多问题需要进一步 研究和探讨。因此深入研究其作用机理和合理的设计方法来指导锚索的合理化 施工，对提高我国岩土工程的预应力锚固理论及实际应用技术具有十分重要的 意义。 本文依托二广高速公路( 粤境) 怀集至三水段边坡加固工程，以该公路工 程中加固边坡的压力分散型锚索为研究对象，采用室内模型试验、理论分析与 数值模拟分析相结合的方法对压力分散型锚索锚固机理展开研究，并基于数值 分析研究了注浆体与围岩孔壁间剪应力的分布状态上，提出了压力分散型锚索 锚固段设计新方法。 首先，从试验、数值分析及理论研究三方面综述了预应力锚索，特别是压 力分散型锚索的研究进展，详细介绍了压力分散型锚索的结构与受力特点、与 普通拉力型锚索的区别、自身优点及使用范围。 其次，结合室内模型试验及数值模拟，对压力分散型锚索锚固段作用机理 进行了分析，结果表明：( 1 ) 在锚索预应力相同的情况下，随着围岩体强度的 增大，注浆体与岩体孔壁间的剪应力峰值也随之增大，锚固段有效长度减小； 注浆体轴应力峰值随着围岩体强度的增加而增大，且注浆体轴力有效长度也逐 渐减小。( 2 ) 压力分散型锚索注浆体与围岩孔壁间剪应力在承压板处存在个 初始应力，最大值在距离承压板0 0 5 m 左右的地方；注浆体与围岩孔壁间剪应 力曲线分布有两种形式。 最后，在综合国内外关于预应力锚索设计方法的基础上，结合室内试验和 数值模拟的成果，提出了在不同预应力、不同界面粘结力条件下，针对注浆体 与围岩孔壁间剪应力分布的两种曲线形式，分别给出了压力分散型锚索单元锚 固长有效长度与锚索极限承载力的设计公式。 关键词：压力分散性锚索，剪应力分布，锚固段，设计方法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sp r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gs u c c e s s f u l l y , i th a sb e e n i n c r e a s i n g l yu s e di nw a t e rc o n s e r v a n c y t r a n s p o r t a t i o na n d o t h e rf i e l d s ，a n di tp l a y e d ah u g er o l eo nt h es o f tr o c ka n ds o i lb e a t i n gc a p a c i t yo ft h el o w e rp e r m a n e n t r e i n f o r c e m e n t b u tt h et h e o r yf a l lb e h i n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dt h ed e s i g n c a l c u l a t i o nm e t h o di sn o ty e tr i p e ，t h e r ea r em a n yi s s u e sn e e df u r t h e rs t u d ya n d d i s c u s s i o n i ti sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gp r e s t r e s s e d a n c h o r a g et h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni fs t u d y i n gi t sm e c h a n i s mo fa c t i o na n d r a t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa sw e l la sg u i d i n gt h er a t i o n a l i z a t i o no fc o n s t r u c t i o no fc a b l e t a k i n gt h ep a r to fe r - g u a n ge x p r e s s w a yp r o j e c tw i t h i ng u a n g d o n gp r o v i n c e ( f r o mh u a i j it os a n s h u i ) a st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d i n d o o rm o d e lt e s t ，t h e o r y a n a l y s i sa n dn u m e r i c a la n a l y s i s a r eu s e dt or e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fp r e s s u r e d i f f u s i o nc a b l e d i s t r i b u t i o no fs h e a rs t r e s sb e t w e e ni n j e c t i n gc e m e n tp a s t ea n dh o l e w a l la r eg m n e db yn u m e r i c a la n a l y s i s t h ed e s i g nm e t h o do fp r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l e a n c h o r a g es e c t i o ni sg i v e nb yt h er e s u l t s f i r s to fa l l ，s t r e s sm e c h a n i s m ，e s p e c i a l l yt h ep r o g r e s so fa r er e v i e w e dt h r o u g h e x p e r i m e n t a l ，n u m e r i c a la n a l y s i s a n dt h e o r e t i c a l t h ep a p e ri n t r o d u c ep r e s s u r e d i f f u s i o nc a b l ei n c l u d i n gs t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed i f f e r e n c e b e t w e e no r d i n a r yp u l l t y p ec a b l e ，t h ea d v a n t a g e sa sw e l la sa p p l i c a t i o nr a n g ei n d e t a i l s s e c o n d l y , c o m b i n i n gw i t hm o d e le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e a n c h o r a g em e c h a n i s mo fp r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l ea r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ：( 1 ) i ft h ep r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l ea r er e c e i v e ds a m ep r e s t r e s s ，w i t ht h er o c k s t r e n g t hi n c r e a s e s ，s h e a rs t r e s sb e t w e e ni n j e c t i n gc e m e n tp a s t ea n dh o l e w a l la l s o i n c r e a s e da n dt h ee f f e c t i v el e n g t ho fa n c h o r a g es e c t i o nd e c r e a s e d t h es a m er u l et o t h ea x i a lf o r c eo fg r o u t i n g ( 2 ) s h e a rs t r e s sb e t w e e ni n j e c t i n gc e m e n tp a s t ea n dh o l e w a l lo fp r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l ei nt h eb e a r i n gp l a t et h e r ei sa ni n i t i a ls t r e s s ，t h e m a x i m u m p r e s s u r ep l a t ea tad i s t a n c eo fa b o u to 0 5 mp l a c e ；t h es h e a rs t r e s sb e t w e e n i n j e c t i n gc e m e n tp a s t ea n dh o l ew a l lo fp r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l ed i s t r i b u t i o nc u r v ei n h 武汉理工大学硕士学位论文 t w of o r m s f i n a l l y , c o m b i n i n gw i t hp r e s t r e s s e dc a b l ed e s i g nm e t h o di nh o m ea n da b r o a da s w e l la st h er e s u l t so fl a b o r a t o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t w oc u r v e sf o r mo fs h e a r s t r e s sb e t w e e ni n j e c t i n gc e m e n tp a s t ea n dh o l ew a l lo fp r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l ea r e p r o p o s e do nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tp r e s t r e s sa n db o n df o r c e a tt h es a m et i m e ， b a s i n go nt h et w o c u r v e sf o r m ，t h ef o r m u l ao fe f f e c t i v el e n g t ha n du l t i m a t es t r e n g t h a r eg i v e n k e y w o r d ：p r e s s u r ed i f f u s i o nc a b l e ，s h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l m i o n ， d e s i g nm e t h o d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：造型艺一日期： 竺世： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) n 研究生( 签名) 寸毫吩导师 研究生( 签名) ：r 岈导师 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 复杂地质体经过漫长的地质年代在一定的时间、一定的条件下，处于相对 稳定的平衡状态。但是由于自然或人为因素，致使地质体原来的平衡状态遭到 破坏产生过量变形而导致各种各样的地质灾害。为预防和治理此类地质灾害， 工程上通过在地层中或岩土体中埋设锚杆，使锚杆与地层或岩土体紧密的联系 在一起，并依赖锚杆与周围地层或岩土体的粘结剪应力来传递锚杆的拉力使地 层或岩土体自身得到加固，从而保持地层或岩土体的稳定。这种依靠受拉杆件 对地层进行加固作用即称为锚固。岩土锚固能增强锚杆周围地层的承载能力， 是解决岩土工程稳定性问题经济有效的方法之一，并且获得了广泛的应用。 1 1 岩土锚固技术的发展 相关的文献记载】，最早在1 8 9 0 年，北威尔士的煤矿加固工程中就利用钢 筋加固岩层，这是最初的锚固工程。1 9 0 5 年在美国的矿山中也出现了相类似的 加固工程。随后，。在各国相继出现了锚杆加固工程。1 9 1 8 年，波兰的m i r 矿采 用岩石锚杆进行加固。1 9 3 4 年在阿尔及利亚切尔伐斯坝加固工程中采用预应力 锚杆。随后在印度、南非、英国等国家的工程中也同样采用预应力锚杆加固。 2 0 世纪6 0 年代，前捷克斯洛伐克的l i p n o 电站主厂房、前德国的w a l d e s k i i 地下电站主厂房等大型地下洞室采用高预应力长锚杆和低预应力短锚杆( 张 拉锚杆) 相结合的支护形式。 2 0 世纪7 0 年代，美国纽约的世界贸易中心深基坑开挖采用锚杆技术进行支 护。而法国、瑞士、前德国、澳大利亚等国家先后颁布了地层锚杆技术规范， 之后，瑞士、法国、澳大利亚、巴西、美国、日本等国家采用岩土锚杆技术维 护工程中边坡稳定。 进入2 0 世纪8 0 年代，单孔复合锚固技术被日本、英国等国家研究开发出来 并广泛应用于实际工程中。1 9 8 9 年澳大利亚w a r r a g a m b a 重力坝加固工程中就采 用了此项技术，并取得良好结果。2 0 世纪9 0 年代以来，国外岩土锚固技术在理 论发展和工程应用方面均取得了飞速的发展。 2 0 世纪5 0 年代后期，我国的锚杆工程的相继开始应用、研究。1 9 6 4 年安徽 武汉理工大学硕士学位论文 梅山水库采用设计承载力2 4 0 0 - 3 0 0 0 k n 的锚杆加固坝基。2 0 世纪9 0 年代以来， 锚索加固技术已广泛应用于铁路、公路滑坡及高边坡治理工程中。据资料统计， 1 9 9 3 - - - 1 9 9 9 年，仅边坡工程和深基坑工程，锚杆的年用量达到了3 0 0 0 - - , 3 5 0 0 k m 。 小浪底水利枢纽工程主厂房拱顶采用设计荷载1 5 0 0 k n 、长2 5 m 、间距4 5 m 6 0 m 的预应力锚杆与长6 - 8 、间距3 0 m 3 0 m 的系统张拉锚杆加固取得了良好的效 果。李家峡水电站采用设计荷载1 0 0 0 0k n 的预应力锚杆成功对其重力坝进行加 固：北京中国银行大厦深基坑开挖2 1 5 - 2 4 5 m ，共采用设计荷载为8 0 0k n 的 锚杆1 3 0 0 余根，成功围护了基坑的稳定；三峡水利枢纽工程采用4 0 0 0 余根长 2 5 - - - 6 1 m 设计荷载为3 0 0 0 k n 的预应力锚杆和近l o 万根长8 1 4 m 的高强锚杆 作系统加固或局部加固，它对提高边坡的整体稳定性发挥了重要的作用；首都 机场扩建工程中地下车库采用了1 0 0 0 多根设计荷载大于2 0 0 0 k n 的压力分散型 锚杆来抵抗地下水的上扬力。等等。 回顾国内外锚固技术的发展，岩土锚固技术的应用日趋广泛，几乎涉及土木 工程的所有领域。在深基坑支护工程、边坡工程、大坝加固工程、抗浮工程、 隧道工程、大跨度地下洞室、地下厂房等实际工程中，岩土锚固技术的优势得 到了充分的发挥。与此同时，锚固新型结构的不断出现，岩土锚固新型机具的 完善，新型锚杆材料的出现以及施工和设计的规范化很大程度上促进了岩土锚 固的发展，使之更好的在实际工程中发挥作用。 1 2 预应力锚索类型 预应力锚索结构多样且工作性能复杂，其一般分类方法如下： ( 1 ) 根据其内锚固段注浆体受力状态，可将预应力锚索分为拉力型、压力 型和拉压复合型。 ( 2 ) 根据锚索体内锚固段固定的位置，可将预应力锚索分为：荷载集中型 和荷载分散型。其中荷载集中型又可以分为拉力集中型和压力集中型；荷载分 散型可以分为拉力分散型、压力分散型和拉压分散型。 ( 3 ) 根据锚索体内锚固段与周围注浆体粘结方式，可将预应力锚索分为： 为粘结式和机械式。 ( 4 ) 根据单孔锚索施加预应力的大小，可将预应力锚索分为：巨型锚索( 单 孔加力 8 m n ) ；大型锚索( 3 8 m n ) ；中型锚索( 1 一- - - 3 m n ) ；小型锚索( 1 m n ) 。 ( 5 ) 根据预应力锚索体使用的材料种类，可将预应力锚索分为：由高强钢 2 武汉理工大学硕士学位论文 丝、钢绞线等柔性材料制作的预应力锚索；由各类钢筋制作的预应力锚索。 ( 6 根据预应力锚索体在使用完成后的可拆除性，可将预应力锚索分为： 可拆除式和不可拆除式。 1 3 压力分散型锚索研究现状与存在问题 岩土锚固的锚固机理是锚固设计方法的基础，因此锚固机理研究一直是国 内外锚固技术的研究重点。 1 3 1 国内研究现状 我国学者通过采用理论研究、现场试验、数值模拟的手段对普通拉力型锚 索和压力分散型锚索做了大量的研究： 1 3 1 1 拉力型预应力锚索锚固机理研究 我国学者针对拉力型锚索做了大量的研究： ( 1 ) 在理论研究方面：蒋中信口j 认为普通拉力型锚索锚固段剪应力分布曲线 是单峰曲线，且以零为渐进线；他对不同工程类型的锚索的实测数据进行拟合， 结果表明，剪应力分布曲线用三参数的高斯曲线来描述较为合适，并导出了曲 线的极值、积分等特征值，讨论了锚固段的有效长度及其安全储备。张季如、 唐保付【3 l 基于假定注浆体与围岩体间的剪应力与剪切位移呈递增的线性关系的 基础上，建立了锚杆荷载传递的双曲线函数模型，并得到锚杆与围岩间剪应力 和剪切位移沿锚固段长度的分布规律及其影响因素。张端良等【4 】采用弹性理论的 分析方法，对锚索锚固段剪应力进行求解，得出锚固段剪应力沿轴向分布的曲 线，并将结果与现场试验的结果进行对比，从而得出锚固段剪应力合理分布规 律。何思明【5 】认为预应力锚索锚固段长度的大小影响锚固段粘结力应力大小，因 此，在锚索锚固段长度的取值成为了设计中的一个重要参数，它与岩体的种类、 完整性及风化程度有关，也与施工中成孔工艺、灌浆材料以及灌浆压力等因素 有关。 ( 2 ) 在试验研究方面：程良奎等| 6 】基于上海太平洋饭店和北京京城大厦两个 实际深基坑工程，测定了普通拉力型锚杆锚固段剪应力的分布形态，发现拉力 型锚杆锚固段的剪应力分布不均，出现严重应力集中现象，且剪应力主要分布 武汉理工大学硕士学位论文 在锚固段前端的8 1 0 c m 。顾金才等【_ 7 8 j 采用室内模型试验的方法研究了拉力型锚 索锚固段的受力特点，试验得出了拉力型锚索内锚固段剪应力分布规律：注 浆体与围岩孔壁间剪应力峰值为平均剪应力的4 8 倍；注浆体与钢绞线之间剪 应力峰值为平均剪应力的8 1 0 倍；注浆体与围岩孔壁之间的剪应力分布峰值点 在近端以里2 3 d 处( d 为钻孔直径) ，注浆体与钢绞线之间的剪应力分布峰值点 在内锚固段近端。张发明f 9 】通过结合现场试验和室内试验，得到预应力锚索内锚 固段轴力、剪应力沿轴向长度方向的分布规律，同时，建立了锚固效应影响范 围的经验公式。范宇洁等【lo j 结合理论分析、模型试验和曲线拟合，研究了预应 力锚索内锚固段界面性状、传力机理和界面应力，建立了预应力锚索束体与水 泥砂浆界面上应力的表达式，径向开裂准则与滑移条件及剪应力与位移之间的 关系式等。朱维申等1 1 1 1 通过室内模型试验，得到在不同的布锚参数下三峡船闸 高边坡节理岩体的抗压强度、弹性模量、泊松比等力学性质的变化规律。 ( 3 ) 在数值模拟研究方面：徐前卫，尤安春等【l7 】采用数值模拟的方法对预 应力锚索锚固机理进行研究，分析了在对锚索施加预应力的作用下锚索和岩体 的受力变形特征及影响因素。朱训国，关洪峰 1 3 1 基于试验建立了在不同试验条 件下预应力锚索锚固段粘结破坏的本构方程，同时也进行了数值模拟，得到不 同试验条件下锚索的轴向载荷位移，轴向位移一径向位移关系，将模拟结果与 试验测试结果进行了对比，得出了影响锚索锚固效果的相应的影响因素。丁秀丽 等【1 4 j 利用f l a c 有限元差分程序，建立了预应力锚索锚固数值模型，获得了单锚、 群锚作用下岩体沿锚索轴向的应力、变形分布规律。江文武i l5 j 基于f l a c _ 3 d 对 预应力锚索进行了数值模拟，分析了预应力的大小、预应力锚索内锚固段的长 度以及外锚头混凝土垫墩尺寸等因素对锚固性能的影响，获得影响预应力锚索 锚固效应主要因素、内锚固段锚索轴力分布规律、内锚固段锚索注浆体界面处 剪切应力的分布规律以及在锚索附近岩体的应力分布规律等等。 1 3 1 2 压力分散型预应力锚索锚固机理研究 我国学者对于压力分散型锚索也做了大量研究，具体表现在： ( 1 ) 在理论研究方面：赵世华【l6 】认为影响压力分散型锚索承载力的因素有： 注浆体与围岩间的粘结强度、锚索锚固段的长度、孔径、钢绞线的强度、注浆 体的抗压强度。吴学兵，靖洪文【1 7 1 运用弹性理论分析方法，求解出压力分散型 锚索锚固段剪应力沿轴向分布曲线，并与压力型锚索对比，得出压力分散型锚 索应力分布特点。尤春安0 8 1 基于压力型锚索锚固段受力特征，推导出了压力型 4 武汉理工大学硕士学位论文 锚索锚固段剪应力和轴力分布的理论解，并就岩土体和锚固体的相关力学参数 对剪应力、轴力分布的影响进行了分析。张四平，侯庆t 1 9 1 通过在软岩中进行压 力分散型锚杆的现场承载力试验，证明了压力分散型锚杆的承载能力与同条件 的拉力型锚杆相比有较大幅度的提高，分析了承压板间距对于压力分散型锚杆 承载能力的影响。同时基于m i n d l i n 弹性位移解得到了压力分散型锚杆的锚固段 剪应力分布规律。盛宏光m j 同样根据局部变形假定和m i n d l i n 位移解，分别推导 出锚索锚固段注浆体内的粘结应力、轴力与应变分布公式。同时，考虑沿各个 单元锚固段上的粘结应力分布并不是均匀的，并引入了一个长度有效系数来考 虑这种现象，从而建立了各单元锚索极限承载力和锚固长度等参数的设计计算 公式。曹兴松，周德培1 2 1 j 基于w i n k l e r 假设分析了压力分散型锚索锚固段受力状 态和应力分布规律，并结合理论推导与试验分析提出了压力分散型锚索锚固段 基于峰值剪应力的设计方法。姚智全等1 2 2 利用半无限体内的m i n d l i n 解，以弹性 理论作为基础，通过对锚索的受力平衡建立方程，求解出锚索位移及粘结应力 的分布解，同时针对压力分散型锚索，进行了受力特征分析。其计算结果表明： 在相同最大位移时，压力分散型锚索的承载力是普通拉力型锚索的2 倍，且锚固 段最大剪应力小于普通拉力型锚索；在相同荷载作用时，压力分散型锚索的位 移及粘结应力均为普通拉力型锚索的一半，且压力分散型锚索克服了普通拉力 型锚索应力集中的缺点，将粘结应力分散分布于锚索锚固段上，因此能充分调 动周围岩土体的抗剪强度。 ( 2 ) 在试验研究方面：许有飞曙引结合实际工程现场试验和数值模拟，分别 研究了压力型和压力分散型锚索地面位移与应力、锚固段注浆体应力与应变， 以及锚固段注浆体与围岩之间接触面的剪应力分布规律；建立了压力型锚索内 锚固段注浆体轴向位移、应力和接触面剪应力计算表达式，并分别基于是否考 虑了压力型锚索径向变形效应假定，导出了内锚固段有效长度计算公式；研究 了围岩变形模量对压力型锚索的力学影响，以及压力分散型锚索相邻锚固段相 互作用与影响。李国正瞄3 依托于宜水高速公路高陡边坡危岩治理工程，同样采 用了现场试验和数值模拟相结合的方法，着重研究了压力分散型锚索锚固力、 应变和位移的分布规律，明确了中、小吨位锚索的承载力、有效锚固长度、预 应力损失和群锚间距等锚固特征值的变化范围，揭示了压力分散型锚索对软质 危岩的加固机理。王虎法瞄】针对福宁高速公路福鼎分水关至福安坞段a 3 标段八 尺门互通区滑坡整治工程，对现场采用的压力分散型锚索进行抗拔试验，试验 发现在相同条件下相对于拉力型锚索，压力分散型锚索能有效地避免了锚固段 武汉理工大学硕士学位论文 应力集中的现象，且锚固能力远大于普通的拉力型锚索。 ( 3 ) 在数值模拟研究方面：王树仁等1 2 6 - 2 7 在利用有限元差分程序f l a c 对压 力分散型锚索锚固机理进行数值模拟的同时，对比拉力集中型锚索，分别得出 这两类锚索锚固段轴力及界面间剪应力的分布规律。罗渝等 7 8 j 针对压力分散型 锚索建立三维有限元计算模型，通过研究在不同锚固力和围岩变形模量条件下， 压力分散型锚索地面位移与应力、锚索注浆体应力与应变、锚索注浆体与围岩 孔壁间剪应力分布，从而揭示围岩变形模量对压力分散型锚索力学性能的影响。 邢占清】对于压力型锚索采用有限单元法建立了数值模型，得到了压力型锚索 注浆体轴应力分布规律和注浆体与围岩孔壁间的剪应力分布规律，结果表明： 注浆体中的轴应力和注浆体与围岩体孔壁间的剪应力由大到小衰减很快，实际 工程中，考虑经济因素应根据实际工程情况确定内锚固段长度。 1 3 2 国外研究现状 对于预应力锚索锚固机理的研究，国外学者进行较早，且做了大量的研究： l u t z 和g e r g e l e y l 3 0 】，h a n s o n 3 i ig o t o 等t 3 2 q a y 习在锚索表面上，注浆体围绕着粗糙 皱曲面形成一个浆柱，在锚索和注浆体之间粘结破坏前，由其粘结力发挥作用。 f u l l e r 和c o x 3 3 1 通过一系列拉拔试验研究了荷载由锚索向注浆体传递的规律，试 验表明，对于拉力型锚索，其表面剪应力沿锚固长度上的分布呈指数关系， p h i l l i p s f 3 4 】将其表述为下式： a x 彳工= f o p 口 ( 1 1 ) 其中，t 是距锚固段近端x 处的剪应力；为锚固段近端的剪应力；d 为锚索直径；a 为锚索中结合应力于主应力相关的常数。 h e y t t 、b a w d e n 及r e i c h e r t t a s l 结合现场和室内试验得出影响锚索承载力的 主要因素是：锚索锚固长度、水泥砂浆的特性和岩体围压。j a r r e d 和h a b e r f i e l d 【j 6 j 通过室内试验，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 与注浆界面力学性质的影响，认为杆体与注浆体界面剪切强度随侧限刚度的增 大而增大。o s t e r m a y e r 和s c h e e l e l 3 7 1 通过对非粘性土地层锚固工程做了大量试验， 得出了几点重要结论： ( 1 ) 致密砂层中最大表面剪应力只分布在很短的锚固长度范围内，但在松 砂和中密砂中，表面剪应力近似于理论假定的均匀分布： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 随着外加拉拔力的增加，锚固段剪应力的峰值点向锚固段远端转移； ( 3 ) 较短锚索与较长锚索相比，表面剪应力的平均值要大一些； ( 4 ) 地层密度变化影响锚索的锚固力的大小，从松散到致密地层中，锚索 表面粘结强度值要增大5 倍。 n a k a y a m a 和b e a u d o i n r 3 8 】对锚杆注浆体和钢筋的粘结强度进行研究；g o r i s 9 l 等进行了锚杆支护的试验研究。 压力分散型锚索是单孔复合锚固体系( s b m a 法) 中最有实用价值的， e u r i n g a db a r l e yb s c 等柏 4 lj 通过对单孔复合锚索，对单元锚索采用不同锚固长 度，不同土体，施加不同荷载等进行了大量的试验，发现单孔复合锚索在土层 和软岩中可以提高锚索承载力。锚固长度为3 0 m 的锚索的破坏荷载2 0 0 0 到 3 0 0 ( 0 。这种锚杆完全处于多层防腐的环境中，既可作为高耐久性的永久性锚 杆，也可用作拆除芯体( 钢绞线) 的临时性锚杆4 1 j 】。n a k k y u n gk i m 4 二利用 低压力灌浆在风化土中进行了大量不同锚索类型的拉拔试验，试验采用四组压 力型锚索，三组拉力型锚索，其钻孔直径1 6 5 m m ，锚固段长9 1 2 m ；分别进行 了锚索的性能试验、蠕变试验和长期应力松弛试验并得到了相关结论，研究了 注浆体与土体和注浆体和索体之间接触面的特征；应用简易梁一弹簧数值模型， 通过对比，对拉力型锚索和压力型锚索荷载传递机理进行了分析与评价。 n a k k y u n gk i m t 4 3 】等利用a b a q u s 有限元程序分别对拉力型和压力型锚索荷 载传递机理进行数值模拟研究，并将模拟结果与现场试验结果对比，结果表明 锚索荷载分布及传递与土体注浆体和注浆体锚索体界面性质有关。 1 4 本文研究的目的和意义 在近代岩土工程领域中，岩土锚固已经成为的一个重要分支，在岩土工程 中采用锚固技术已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂岩土工程问题最经济 最有效的方法之一。岩土锚固己在我国边坡、基坑、隧道、矿井、地下工程、 航道、坝体、水库、机场及抗倾、抗浮结构等工程建设中活的广泛应用i 1 j 。 随着我国资源的大规模开采及基础工程建设的大规模开展，在能源、交通、 水电等建设过程中，高陡边坡的稳定性问题成为日益突出的工程问题之一，预 应力锚索加固技术也成为应用最广泛的边坡加固技术【i 删5 1 。预应力锚索加固边 坡岩土体时具有对岩土体扰动小、可以提高岩土体的力学特性、改善边坡岩土 体的受力状况、增强边坡整体稳定性、安全可靠、施工快速高效的特点【l j 。为 7 武汉理工大学硕士学位论文 了能够使得预应力锚索锚固效果满足岩土体的安全稳定经济要求，选择合适的 锚索形式显得非常有必要的。 压力型和压力分散型锚索自研究开发成功以来，已经逐渐被应用于水利、 交通等各个领域中，特别是压力分散型锚索，对软岩和承载力较低的土体的永 久性加固起到了巨大的作用1 4 7 - 4 8 j 。压力分散型锚索与现在运用最广泛的拉力型 锚索相比具有以下优点1 “9 】- ( 1 ) 压力分散型锚索注浆体与围岩孔壁间剪应力峰值和注浆体轴应力降低。 各锚固段长度上剪应力沿轴向均匀分布，因此能充分调用锚固岩土体的抗剪强 度。且随锚索长度的增加，锚固力可成比例的提高。 ( 2 ) 压力分散型锚索改变了注浆体受力状态，承压板把对锚索张拉力转化 对注浆体的压力，注浆体受压力产生径向扩张，因而可提高注浆体与围岩界面 间剪应力。 ( 3 ) 压力分散型锚索防腐性能更好。由于锚固体内注浆体始终处于受压状 态，不易开裂，且注浆体和外裹塑料皮构成钢绞线双重防腐体系，因此大大提 高了锚索耐久性。 虽然压力分散型锚索在近代岩土工程中得到了广泛应用，但其理论研究还 落后于工程实践，设计计算方法还不成熟，有许多问题需要进一步研究和探讨。 同时由于压力分散型锚索锚固作用机理复杂，影响预应力锚固效果的因素众多， 因此需要深入研究锚索的作用机理，研究锚索的锚固机理来指导锚索的合理化 施工，对提高我国岩土工程的预应力锚固理论及实际应用技术具有十分重要的 意义。 1 5 本文的主要内容 本文结合广东省科技计划项目( 6 3 1 2 3 ) “高速公路高陡边坡失稳预测与处 治关键技术研究 和国家自然科学基金( 5 0 8 7 4 0 8 5 ) “边坡加固的压力分散型锚 索的加固机理与设计方法 ，利用f l a c 3 d 有限差分软件进行数值模拟并结合足 尺室内模型试验分析了在不同预应力及围岩强度条件下压力分散型锚索锚固段 注浆体轴应变及注浆体与岩体孔壁间剪应力的分布特点。同时就压力分散型锚 索内锚固长度进行讨论，基于力学分析以及室内试验和数值模拟的结果提出简 化设计方法。 主要工作包括以下内容：( 1 ) 国内外相关文献的收集整理。( 2 ) 压力分散 8 武汉理工大学硕士学位论文 型锚索室内足尺试验的介绍以及试验结果分析。( 3 ) 利用f l a c 3 d 有限差分软 件针对室内试验进行数值模拟，并且将两者结果对分分析，得到压力分散型锚 索锚固段的应力分布状态。( 4 ) 基于压力分散型锚索锚固段的应力分布规律， 利用理论分析与数值模拟结果相结合的方法，简化压力分散型锚索锚固段设计 方法。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章压力分散型锚索结构与特点 2 1 压力分散型锚索的结构特点与作用机理 2 1 1 压力分散型锚索的结构特点 隧一r - - - 套一 1r 图2 1 压力分散型锚索 单孔复合锚固体系中最有实用价值的是压力分散型锚杆( 杆) 。它最早由英 国人研究成功。近l o 年来，这种锚杆在日本得到了很大发展，并被命名为k t b 工法，主要用于永久边坡工程f l 】。我国长江科学院、治金部建筑研究总院等单位 在1 9 9 7 年在国内首次开发了这种压力分散型锚杆，并对其受力特性进行了较为 系统和深入的研究，取得了令人满意的效果。 压力分散型锚索结构形式多种多样，其中有些结构很复杂。在国内经常使用 的有两种形式：多级承压板式和多级环绕式。 多级承压板式锚索多级承压板式锚索的特点是：锚索是采用无粘结钢绞 线，在束体内锚段不同深度处布置数个承压板，无粘结筋也相应分成数组与各 自承压板联结。束体注浆固结后张拉时，总张拉力将被分散成若干个较小的力， 通过承压板作用于较小的固定段上，导致固定段上的粘结应力峰值大大减小且 分布也比较均匀。承压板的数量、位置和间距要依据承载地层的地质情况而定， 这样才能从不同位置调动锚固区内岩土体的承载能力，使地层提供较大的锚固 l o 武汉理工大学硕士学位论文 力。 多级环绕式锚索多级环绕式锚索的特点是：束体采用1 2 系列无粘结 钢绞线，每根钢绞线绕过承载体并被弯曲成u 型，每根u 型筋对应一个承载体， 一般全孔可安放1 4 个承载体，当孔内注浆固结后，承载体及u 型筋就被固定 在孔内不同深度处。但使用功能完成后，u 型筋还能从地层中抽出，因此此类锚 索也被称为可拆芯式锚索，此种锚索的预应力筋( 钢绞线) 全长均被油脂、聚 乙烯护套包裹，并被完整的送入孔内，注浆后受到灌浆体包裹，形成多层防腐 保护。 2 1 2 压力分散型锚索的作用机理 压力分散型锚索由几个不同长度的无粘结钢绞线组成的若干锚固单元组 成，在其锚固段内分散设置多个承压板，每个承压板上用p 型锚索对称固定2 4 根无粘结钢绞线，锚索一次全孔注浆i 5 例。其作用机理如图2 2 所示。由于钢绞线 是无粘结的，外锚头在受力张拉时，借助按一定间距分布的承压板，将较大的 总拉力通过p 型锚转化为几个作用于承压板上的压应力，从而使注浆体受压变 形，最终使孔壁周围的岩体受剪。压力分散型锚索的内锚固段被承压板割分成 几个锚固单元，分散了整个内锚固段的承载力，使注浆体与围岩孔壁问剪应力 均匀的分散到各锚固单元内，与拉力型锚索比较，较大的避免了孔壁间剪应力 的应力集中现象，因此，在具有相同有效锚固长度的条件下，压力分散型比普 通拉力型锚索可提供更大锚固力。 图2 - 2 压力分散型锚索受力机理简图 2 2 压力分散型锚索与拉力型锚索区别 ( 1 ) 锚索内锚固段受力状态及工作性能的不同 武汉理工大学硕士学位论文 大量的研究资料1 7 珈引1 已经证实普通的拉力型锚索内锚固段应力分布是极 不均匀的，如图2 3 所示，剪应力在锚索内锚固段的近端出现应力集中，随着锚 索预应力的增大，会导致砂浆体的拉裂，注浆体与围岩孔壁间产生剪切破坏，从 而致使地层强度的利用率大大降低。 t m p q 【o l n 图2 - 3 拉力型锚索内锚固段剪应力分布规律 压力分散型锚索的内锚固段剪应力分布如2 - 4 图示。压力分散型锚索采用的 是无粘结钢绞线，通过设置的承压板，将外荷载转化成对注浆体的压力。注浆 体受压，不易开裂。同时在各锚固单元内，锚固段上的剪应力和轴应力在承压 板的作用下分散作用于各锚固单元。由于单元锚固长度较短，因此承受的外荷 载也小，锚固长度上的轴力和剪应力分布较均匀，不会产生逐步“粘脱 现象。 因此压力分散型锚索能以较为合理的受力机理，它以简单的结构，最大限度地 调用岩土体强度。从理论上讲，由于压力分散型锚索的整个锚固长度可无限制 的增大，则锚索承载力也能随着锚固长度的增加而提高。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 t m p q 图2 _ 4 压力分散型锚索内锚固段剪应力分布规律 表2 1 列出了压力分散型锚索与拉力型、压力型锚索工作性能的区别。 表2 1 压力分散型锚索与拉力型、压力型锚索工作性能比较1 】 锚杆的内力分布单孔单锚固 单孔复合锚固 及工作特性拉力型压力型压力分散型 受荷时杆体轴力峰值应力高，应力 峰值应力高，应力峰值应力显著降 及粘结应力集中现象严重集中现象严重低 受荷时粘结应力 分布极不均匀，在 分布极不均匀，在 沿锚固段分布状 荷载传递过程中，荷载传递过程中，沿内锚固段全长 会产生“粘脱 作会产生“粘脱 作较均匀的分布 况 用渐进性破坏用的渐进性破坏 注浆体受压，不会注浆体受压时，会注浆体分段受压， 对钻孔壁产生径对钻孔壁产生一会对钻孔壁产生 粘结强度向约束力，不能使定的径向约束力，较均匀的径向约 原有的粘结强度并使粘结强度提束力，使粘结强度 增大 古 提高闻 锚固长度超过 锚固长度超过锚杆承载力随锚 8 l o m 后，承载力 8 l o m 后，承载力固长度增加而成 锚杆承载力增长及其微弱或比例地提高，可得 增长及其微弱或 不增长，制约着锚到高承载力的锚 不增长 杆承载力 杆 武汉理工大学硕士学位论文 受荷时，注浆体受 受荷时，注浆体受受荷时，注浆体受 压，不易开裂，且 耐久性拉，易开裂，防腐压，不易开裂，防 预应力钢绞线外 有油脂、p v c 涂层 性能差腐性能好 及水泥浆体多层 防腐，耐久性好 使用功能完成后，使用功能完成后，需要时，锚杆芯体 锚杆芯体不能被 锚杆芯体能拆除，能拆除，不构成对 可拆芯体 拆除，构成对周边不构成对周边地周边地层开发的 地层开发的障碍层了开发的障碍障碍 ( 2 ) 锚索构造不同 普通拉力型锚索是由几根长度相同的有粘结钢绞线组成。其内锚固段的长度 控制较为严格，不能随意增长，而其锚索的自由段也必须进行防腐处理。 压力分散型锚索是由几个锚固单元组成，每个锚固单元分别由两根无粘结钢 绞线通过挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承压板上( 要求单的连接强度 2 0 0 k n ) 。锚索锚固段由各单元锚索的固定长度共同组成，不同锚固单元的钢绞 线长度也是不相同的。 ( 3 ) 索体材料不同 普通拉力型锚索的材料一般选用有粘结预应力钢绞线，压力分散型锚索的 材料则采用无粘结预应力钢绞线。无粘结预应力钢绞线出厂时就用塑料管包裹 着，管内注满油脂。其技术要求是：塑料管厚度为1 0 8 - - 1 1 2m i l l ，油脂厚度 t 5 0 每米钢绞线。因此，较之于前者，后者具有较强的防腐蚀能力。 ( 4 ) 理论伸长量的计算不同 普通拉力型锚索每根钢绞线的理论伸长量均相同。其计算公式为： a l = p l i ( e a ) ( 2 1 ) l 单根钢绞线在给定最终张拉荷载作用下的伸长量，m ； p 给定最终张拉荷载作用下单根钢绞线束荷载，k n ； l 自由段长度，1 1 1 ； e 钢绞线的弹性模量，m m 2 a 单根钢绞线束的横截面面积，m 2 在压力分散型锚索中，由于锚索各锚固单元的钢绞线长度不一致，因此每个 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 锚固单元钢绞线的理论伸长量也不同。虽然压力分散型锚索也有锚固段和自由 段，但是在计算钢绞线理论伸长量时，忽略压力分散型锚索的锚固段的伸长量， 而自由段分单元按实际全长计算。以3 单元共6 束压力分散型锚索为例，其计 算公式为： 她= p 厶i ( e a ) 必= p l 2 i ( e a ) ( 2 2 ) 必= ( e a ) 式中：厶、l 2 、厶分别为第一、二、三单元锚索的长度且厶 l 2 厶，m ； 她、必、必为各单元锚索在给定最终张拉荷载作用下的伸长量，m 。 ( 5 ) 张拉程序不同 普通拉力型锚索在张拉时，采用同步分级张拉，即对所有的钢绞线一起施加 张拉荷载，直至设计锁定荷载。 压力分散型锚索用差异分步张拉，按定的次序分单元张拉。即首先根据锚 固单元长度和设计荷载计算确定出各锚固单元之间差异荷载，然后补足各锚固 单元的差异荷载，最后才能进行整体同步分级张拉。计算差异荷载时，同样以3 个锚固单元，6 束锚索为例，其计算公式如下： 舭= 2 e a ( a l , 一址2 ) 厶 ( 2 3 ) 必：2 戤( 些二些i - z 屿- a t _ , 2 ) ( 2 - 4 ) 厶厶 。 式中卸、必分