（岩土工程专业论文）压力分散型锚索锚固技术研究.pdf

a37a 譬i cc l ：00 1 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名：至垒垂日期：二丝l 年月垫日 学位论文版权使用授权书 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 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 摘要 边坡支护工程中采用预应力锚固技术，能充分调用岩土体的强度和 自稳能力，减轻结构自重，节约工程材料。压力型锚索是一种新型的锚 固体系，与传统的拉力型锚索相比，其受力与传力机制更具合理性，粘 结应力分布更加均匀，防腐性能与耐久性能大为提高，在边坡支护工程 中具有广阔的应用前景。 本文在回顾压力型锚索国内外研究与应用现状的基础上，结合一大 型市政边坡压力分散型锚索锚固工程，通过理论分析与现场试验相结合， 针对压力分散型锚索锚固机理及效应等方面开展了以下的工作： ( 1 ) 基于变形协调假定，根据m i n d l i n 问题位移解、弹性力学等理论， 导出了压力分散型锚索锚固段注浆体与孔壁岩土体界面粘结应力、注浆 体内部轴力沿锚索轴线方向分布规律的理论表达式。 ( 2 ) 运用理论表达式计算分析了锚固段应力分布规律及其影响因素。 理论解计算结果与实测结果对比分析表明理论计算能较好地反映锚固段 应力分布规律。 ( 3 ) 结合依托工程，选择典型锚索进行预应力长期监测，总结了预应 力损失规律，并运用双曲线拟合法预测了后期预应力损失在控制范围之 内。 ( 4 ) 利用极限平衡法进行边坡稳定性分析，对锚索加固效果作出评 价，并对岩土体黏聚力和内摩擦角，锚索间距、锚固角、锚索长度和锚 固力大小等因素进行参数敏感性分析。 ( 5 ) 结合依托工程边坡长期变形监测资料，对边坡稳定性及支护效果 进行综合评价。 关键词：压力分散型锚索，应力分布，预应力损失，参数敏感性分析， 变形监测 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fp r e s t r e s s e da n c h o rh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h es l o p e s u p p o r t i n ge n g i n e e r i n g i tc a ne x e r tt h es t r e n g t ha n ds e l f - s t a b i l i z i n ga b i l i t yo f t h es u r r o u d i n gr o c k , a n dr e d u c et h es u p p o r t i n gs t r u c t u r el o a d s ，a sw e l la ss a v e t h ee n g i n e e ri n v e s t p r e s s u r e t y p ec a b l ei san e w a n c h o r a g es y s t e m c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lp u l l - t y p ea n c h o r , i t sf o r c et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mc a l lb e m o r er e a s o n a b l e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fb o n ds t r e s sc a nb em o r eu n i f o r l t l ， m e a n w h i l e ，t h ep e r f o r m a n c eo fc o r r o s i o np r e v e n t i o na n dd u r a b i l i t yc a nb e g r e a t l ye 1 1 1 1 a n c e d t h e r e f o r e ，i th a sab r i g h tp r o s p e c ta n db r o a da p p l i c a t i o ni n t h es l o p es u p p o r t i n ge n g i n e e r i n g t b j sp a p e r , b a s e do nt h er e v i e w i n go ft h er e s e a r c ho ft h ep r e s s u r e t y p e c a b l eb o t ha th o m ea n da b r o a da n di t sc u r r e n ta p p l i c a t i o n , c o m b i n i n gw i t ha l l a n c h o r a g ep r o j e c to fal a r g e - s c a l em u n i c i p a ls l o p ew h i c hu s e dp r e s s u r e d i s p e r s i o n - t y p ec a b l e ，i e t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ef i e l dt e s t , c o m p l e t e dt h et a s k sc o n c e m i n gm e c h a n i s ma n dt h ee f f e c to fp r e s s u r e d i s p e r s i o n - t y p ec a b l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ea s s u m p t i o no fd e f o r m a t i o nc o o r d i n a t i o n ，a c c o r d i n gt o m i n d l i n ss o l u t i o no f d i s p l a c e m e n ta n dt h e o r yo fe l a s t f i c i t y , e l a s t i cs o l u t i o n s f o rt h er u l eo fs h e a rs t r e s sa n da x i a lf o r c ed i s t r i b u t i o n o fp r e s s u r e d i s p e r s i o n - t y p ec a b l ea r ed e r i v e d ( 2 ) t h er u l eo fs t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ea n c h o r a g es e g m e n ta n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r sa l ea n a l y s e db yu s i n gt h ee l a s t i cs o l u t i o n s t h er e s u l t c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h ef i e l dt e s ti n d i c a t e dt h a t t h ef o r m e rc a nw e l lr e f l e c tt h er u l e ( 3 ) b a s e do nt h ea n c h o r a g ep r o j e c t ，s e l e c t e dt y p i c a la n c h o rc a b l ef o r l o n g t e r mp r e s t r e s s em o n i t o r i n g ，s u m m a r i z e dt h er u l eo fp r e s t r e s sl o s s ，a n d t h r o u g hh y p e r b o l i cm o d e l ，p r e d i c t e dt h a tt h ep r e s t r e s sl o s si nl a t e rs t a g ei si n t h ec o n t r o la r e a ( 4 ) u s i n gt h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o dt oa n a n l y s i st h es t a b i l i t yo ft h e s l o p e ，a c c e s st h er e i n f o r c e m e n te f f e c to ft h ec a b l e s ，a n dr e s e a r c ht h e s e n s i t i v i t yo f t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa b o u ts l o p e ( 5 ) a c c o r d i n gt o t h el o n g - t e r md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t ao ft h e e n g i n e e r i n gs l o p e ，m a k eac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ft h es t a b i l i t yo ft h e s l o p ea n dt h ee f f e c to f t h es u p p o r t k e y w o r d s ：p r e s s u r ed i s p e r s i o n - t y p ec a b l e ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，p r e s t r e s s l o s s ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h ef a c t o r s ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g i i i 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究目的与意义1 1 2 国内外应用与研究现状4 1 2 1 压力分散型锚索锚固技术应用发展与现状4 1 2 2 压力分散型锚索锚固技术研究现状5 1 2 - 3 存在的问题9 1 3 主要研究内容9 第二章压力分散型锚索结构及工程应用1 1 2 1 压力分散型锚索结构及锚固机理l l 2 1 1 压力分散型锚索结构特点一1 1 2 1 2 压力分散型锚索锚固机理1 2 2 2 压力分散型锚索承载能力1 3 2 2 1 压力分散型锚索破坏形态分析1 3 2 2 2 压力分散型锚索承载能力的控制条件1 4 2 3 压力分散型锚索设计步骤及施工工序1 5 2 3 1 压力分散型锚索的设计步骤一1 5 2 3 2 压力分散型锚索的施工工序1 7 2 3 3 压力分散型锚索的设计要点和主要施工工艺2 0 2 4 压力分散型锚索工程应用优劣势分析2 1 2 4 1 压力分散型锚索工程应用的主要优势2 1 2 4 2 压力分散型锚索工程应用的不足之处2 2 2 5 本章小结2 3 第三章压力分散型锚索锚固工程实例及边坡原位测试2 4 3 1 压力分散型锚索锚固工程实例：2 4 3 1 1 边坡场地及工程地质概况2 4 3 1 2 边坡支护结构概况2 4 3 2 现场测试方案2 5 3 2 1 注浆体应力分布测试试验2 6 3 2 2 锚索预应力变化长期监测2 8 3 2 3 边坡变形监测2 9 3 3 边坡变形监测成果及边坡稳定性评价3 4 3 3 1 边坡地表竖向位移监测结果3 4 3 3 2 边坡地表水平位移监测结果3 5 3 3 3 边坡土体深部位移监测结果3 5 3 4 本章小结3 8 i v 第四章压力分散型锚索锚固段应力分布规律研究3 9 4 1 引言3 9 4 2 预应力锚索锚固段应力分布模式研究进展3 9 4 3 压力分散型锚索锚固段应力分布规律理论推导4 1 4 3 1 计算模型4 2 4 3 2 基本假定4 2 4 3 3m i n d l i n 弹性位移解4 3 4 3 4 单元锚索锚固段应力分布理论推导。4 4 4 - 3 5 压力分散型锚索锚固段应力分布弹性理论解4 7 4 4 锚索锚固段应力分布规律理论计算及分析4 7 4 4 1 单元锚索锚固段应力分布规律计算分析4 7 4 4 2 单元锚索锚固段应力分布规律影响因素分析4 8 4 4 3 压力分散型锚索锚固段应力分布规律计算分析5 1 4 5 理论计算与试验结果对比5 1 4 6 本章小结5 6 第五章压力分散型锚索预应力变化规律研究5 8 5 1 引言5 8 5 2 预应力锚索预应力变化规律研究现状5 8 5 3 预应力损失过程6 0 5 4 预应力损失影响因素分析6 1 5 4 1 锚索材料对预应力损失的影响6 l 5 4 2 岩体性质对预应力损失的影响6 2 5 4 3 锚索施工对预应力损失的影响6 2 5 4 4 群锚效应对预应力损失的影响6 3 5 4 5 预应力变化的环境因素6 3 5 5 压力分散型锚索预应力变化监测成果分析6 4 5 5 1 锚索张拉锁定引起的预应力损失6 4 5 5 2 锚索预应力长期变化规律6 5 5 5 3 锚索预应力长期变化最终预应力值预测6 7 5 6 本章小结6 8 第六章边坡锚固效果评价及参数敏感性分析7 0 6 1 引言7 0 6 2 极限平衡法理论7 0 6 2 1 瑞典条分法7 1 6 2 2b is h o p 法7 2 6 2 3j a n b u 条分法。7 3 6 3 锚固效果评价7 5 6 3 1 计算剖面及岩土参数取值7 5 v 6 3 2 计算结果分析7 5 6 4 加锚边坡稳定性影响因素敏感性分析7 6 6 4 1 加锚边坡稳定性影响因素7 6 6 4 2 敏感性分析方法7 6 6 4 3 正交试验设计7 9 6 4 4 影响因素敏感性分析8 0 6 5 本章小结8 1 第七章结语8 2 7 1 主要工作及结论8 2 7 2 进一步展望8 3 参考文献8 4 致谢。9 0 攻读硕士学位期间参加的科研项目及论文发表情况9 l v i 硕士学位论文第章绪论 第一章绪论弟一早珀。化 1 1 研究目的与意义 目前，随着我国国民经济的发展，高速公路、铁路网建设的全面铺开、以及 城市扩建改造和大型水电工程的上马，边坡工程飞速发展，锚固支护技术已经成 为其中的重要分支。在边坡工程中采用锚固技术，能充分挖掘其岩土体能量，调 用岩土体的自身强度和自稳能力，大大减轻结构自重，节约工程材料，取得显著 的经济效果，并确保边坡施工安全与稳定n 吲。 目前对于稳定状况较差的边坡，大多采用预应力锚索加固技术。与其它支护 体系相比，预应力锚索加固边坡岩土体时具有以下特点呛1 ：能在地层开挖后立 即提供支护抗力，有利于保护地层的固有强度，阻止地层的进一步扰动，控制地 层变形的发展，提高旋工过程的安全性；对岩土体扰动小、可以提高岩土体( 包 括结构面和潜在滑动面) 的力学特性、改善边坡岩土体的应力状况、提高边坡整 体稳定性的特点；预应力锚索的作用部位、方向、结构参数、间距和施工时间 可根据需要及时进行调整，能以最小的支护抗力获得最佳的稳定性效果，施工快 速高效：预应力锚索将结构物与岩土体紧密地联系在一起，形成共同工作体系， 使锚固体抵抗地震及其它动力荷载的能力显著增强，设计施工安全可靠；伴随 着结构物体积的减小，能显著节约工程材料，有效地提高土地的利用率，经济效 益十分显著；预应力锚索应用的灵活性与施工的快速性使得其对于预防、整治 滑坡，加固、抢修出现病害的边坡具有独特的功效，有利于确保工程的安全，保 障人民生命财产安全。因此，预应力锚索加固技术在边坡工程中应用十分广泛， 已成为提高边坡工程稳定性最为经济有效的手段之一。 岩土工程加固使用的锚索种类繁多，按不同的分类方法可将锚索分为不同的 类型h 3 。按锚头结构形式可分为欧维姆锚、群锚及弗氏锚等；按锚索服务年 限可分为临时性锚索和永久性锚索；按锚索体材料种类可分为钢绞线束锚索、 高强钢丝束锚索等；按锚固段受力状态可分为拉力型、压力型和荷载分散型， 其中荷载分散型又可以分为拉力分散型、压力分散型、拉压分散型等。国内外大 多采用锚固段的受力状态对锚索进行分类，其更有针对性和实用性。 拉力型锚索是目前国内边坡加固领域里最常用的锚索类型，这类锚索采用纯 水泥浆或水泥砂浆将锚固段部分锚索体固结在岩土体稳定部位，主要依赖其锚固 段索体与注浆体( 或者注浆体与岩土体) 界面上的剪应力( 粘结力) 由顶端( 锚 固段与自由段交界处) 向底端传递来保证预应力的施作，常用的全长粘结式锚索 和自由段无粘结锚索均属于拉力型锚索，具有结构简单、施工方便、造价较低的 硕士学位论文第一章绪论 特点。但其锚固段的受力机制不尽合理，当锚索受力时，锚固段砂浆体与孔壁间 的剪应力分布很不均匀，锚固段前端存在严重的应力集中现象，从而导致注浆体 易出现拉裂、有效锚固段后移现象，整个锚固段长度范围内的岩土体抗剪能力无 法充分利用，同时由于近端注浆体受拉而产生不同程度的开裂使得钢绞线的防锈 防腐难以保证，不宜作为永久性防护措施。 压力集中型和压力分散型锚索自研究开发成功以来，已逐渐应用于水利、工 业与民用建筑及道路等领域，特别是压力分散型锚索，在软弱岩体和承载能力低 的土体永久性加固工程起到了不可替代的作用。 压力集中型锚索与拉力型锚索内锚固段受力机理不同。压力集中型锚索的索 体采用无粘结预应力筋( 钢绞线、钢筋等) ，与锚固段注浆体全长无粘结，索体 直接与安放在孔底的承载体联接。张拉时，将荷载直接传至底部承载体由底端向 锚固段的顶端传递，使得锚固段注浆体由传统的受拉状态转变为受压状态，从而 改善了锚索的受力状态。其应力状态比拉力型锚索合理，承载能力也有大幅度提 高，但压力集中型锚索仍然在锚固段末端存在着应力集中现象。 压力分散型锚索是在同一个钻孔中安装若干个单元锚索，每个锚索单元都有 硕十学位论文第一章绪 论 防腐效果，对于卸荷裂隙和构造裂隙发育的边坡，压力分散型锚索更能显示其优 越性。 压力分散型和压力集中型锚索相比较而言，压力集中型锚索由于将预应力集 中作用在单一承载体上，容易导致注浆体局部破坏，尤其在承载板上部o - 4 3 3 m 范围内的注浆体容易受压破坏导致预应力损失，而压力分散型锚索将施加的预应 力比较均匀分散的作用在各承载体上，使注浆体应力应变峰值减小，锚固体不易 破坏，因此压力集中型锚索主要用于锚固荷载不太大和锚固段岩体工程性质较好 的情况，而压力分散型锚索则尤其适用于锚固段岩土体工程性质较差而锚固荷载 较大的情况。表1 - 1 列出了压力分散型锚索与拉力型锚索、压力集中型锚索工作 性能的比较情况乜1 。 表卜1压力分散型锚索与拉力型锚索及压力集中型锚索工作性能比较嘲 锚索的内力分布锚索类型 及t 作特性拉力型锚索压力集中型锚索压力分散型锚索 受荷时杆体轴力峰值高，麻力集中峰值高，应力集中 峰值显著降低 及粘结应力现象严重现象严重 受荷时粘结应力 分布极不均匀，在荷载传分布极不均匀，在荷载传递 可沿锚固段伞长较均匀 递过程中，会发生粘结作过程中，会发生粘结作用的 沿锚固段分布状况 分布 用渐进性破坏渐进性破坏 注浆体受拉，不会对孔壁注浆体受压时，会对钻孔壁注浆体分段受压，会对钻 粘结强度产生径向力，不能使原有产生一定的径向力，并使粘孔壁产生较均匀的径向 的粘结强度增大结强度提高力，使粘结强度提高 锚固长度超过8 l o m 锚同长度超过8 l o r e 后， 锚索承载力随锚同段长 锚索承载力后，承载能力增长极其微 承载能力增长极其微弱或 度增加而成比例地提高， 不增长，且注浆体的抗压强 弱或小增长可得到高承载力的锚索 度制约着锚索承载力 受荷时，注浆体受压，不 受荷时，注浆体受拉，易 受荷时，注浆体受压，不易易开裂，预戍力筋外有油 耐久性 开裂，防腐性差开裂，防腐性好脂、p v c 涂层及水泥浆体 多层防腐，耐久性好 使用功能完成后，锚索芯使用功能完成后，锚索芯体 需要时，锚索芯体能拆 可拆芯性体不能被拆除，构成对周能拆除，不构成对周边地层除，不构成对周边地层开 边地层开发的障碍 开发的障碍 发的障碍 从以上分析介绍可知，压力集中型锚索和压力分散型锚索能够在一定程度上 弥补传统拉力型锚索的不足，受力机理相对最为合理的是压力分散型锚索，其也 具有最强的工程适用性。然而，压力分散型锚索作为一种新的锚索体系，在我国 的应用与研究还相对落后于其它工程技术发达国家，对于该种锚索相关配套设备 与附件设计，锚索传力机制与工作特性，锚固段受力状态，设计计算方法，尤其 是设计中针对不同软弱地层锚索极限承载力的确定，锚索的破坏特性，工作锚固 硕士学位论文第一章绪论 力与钻孔直径、承载体间距及数目的关系，各设计参数取值，锚索群锚效应及预 应力损失等方面仍需作进一步的研究工作。 因此，开展对压力分散型锚索的进一步研究具有较为重要的意义，将会推动 这种锚索结构在国内边坡工程中的应用。本文作者结合一大型市政边坡压力分散 型锚索锚固工程，在导师的指导下，以现场试验为依托进行理论分析，对压力分 散型锚索的锚固机理及效应进行研究，为该类锚索在永久性边坡工程的应用提供 参考，为这种新型锚索结构在边坡工程中的推广应用起到一定的作用。 1 2 国内外应用与研究现状 1 2 1 压力分散型锚索锚固技术应用发展与现状 工程需要是工程技术发展的动力，压力分散型锚索是在拉力型锚索的受力机 理不尽合理及其在软弱地层中无法实现较高承载力的情况下应运而生的。 英国人t o n y b a r l e y 通过试验研究，首次提出了单孔复合锚固系统( t h e s i n g l e b o r em u l t i p l ea n c h o rs y s t e m ) 的概念乜副，在同一个钻孔中安装若干个单元锚索， 各单元锚索均有对应的索体、自由段和锚固段，通过各自的张拉千斤项施加预应 力，该锚固系统可合理调整单元锚索的固定长度，以使不同地层的强度都能得到 充分利用，既可用作高耐久性的永久性锚索，也可作临时性工程加固的可回收式 锚索。 19 8 8 年，压力分散型锚索首次商业应用是在英国s o u t h a n p t o n 的某粘土地层 中，由五级承载体组成的锚索其承载力达到1 3 3 7 k n o 几乎在同一个年代，日本 k t b 协会在多年研究永久性锚索技术基础上开发出了k t b 压缩分散型锚固工法， 并在日本的边坡加固工程中广泛采用口，。 2 0 0 1 年1 2 月，在英国d u b l i n 港新船坞板桩挡墙支护工程中，由4 级单元锚 索，锚固长度分别为3 m ，自由总长1 1 5 m 的单孔复合锚索在中密密实砂层、卵 石层中的锚固力达2 0 0 0 k n , 最大试验承载力达5 0 0 0 9 # 8 1 。 2 0 0 1 年5 月，在新加坡的极软弱砂岩地层中，带双层防护的单孔复合锚索 承载力达4 5 0 0 批且未出现破坏，工作锚固力锁定在1 6 0 0 批显示了优 作性能嘲。 京中国银行大厦基坑开挖深度为2 1 5 2 4 5 m ，穿越的地层为人工堆积层、 土、细、中砂和砂卵石层，采用3 4 排预应力锚杆背拉厚8 0 c m 地下连续 挡结构。共采用设计承载力为8 0 0 k n 的锚杆1 3 0 0 余根，成功地维护了基 定。基坑周边的最大位移量仅为3 0 m m 。该基坑东侧的3 3 7 根预应力锚杆 力分散型锚杆，在其使用功能完成后，全部按要求实现了抽芯拆除技术， 4 硕士学位论文第一章绪 论 为同后顺利地建造地下商场创造了良好条件口1 。 江苏淮安京杭运河三线船闸，地层属于亚粘土混粉砂、粘土夹薄层粉砂、局 部为粉砂层，可塑状土体。采用四级承载体的压力分散型锚索，最高荷载超过 8 0 0 m n ，该工程中共应用此类锚索1 6 0 0 余根n 引。 小湾水电站设计采用的锚索荷载为1 - 6 m n 。为适应复杂地质状况，选用的 锚索结构形式几乎包括了国内现有的各种类型：拉力型、压力集中型、压力分散 型、双层防护型等均在被选之列，小湾水电站在不良地质环境下的预应力锚索大 规模应用引领我国预应力锚固技术达到世界先进水平n 。 首都机场扩建工程的地下车库采用1 3 0 0 余根压力分散型锚杆以抵抗地下水 浮力。锚杆钻孔直径为2 0 0m m ，设计承载力为2 3 0k n ，由3 级单元锚杆组成， 单元锚杆的杆体分别由5 、5 、4 根1 5 2 4m m 无粘结钢绞线组成。它们的固定长 度分别为3 、3 、2m 。锚固段所处地层为用旋喷桩加固的砂与砂卵石层。该工程 采用预应力锚杆抗浮，可取代厚6 0m 的地下室底板压重式结构，经济效益十分 显著1 刳。 北京虎峰山庄位于北京八达岭处，二期工程开挖边坡高1 5 - 2 5 m ，坡度 7 0 8 0 。，其中北侧和西侧主要分布有杂填土、粉质粘土和碎石土，而南侧主要系 强风化砂岩和片岩。根据边坡不同的地质条件，采用了不同的支护结构。对土质 边坡，采用了压力分散型锚杆背拉框架的结构形式，对岩质边坡则采用长1 5 1 8 m 的压力分散型锚杆、长3 o r e 的砂浆锚杆与厚1 0 c m 的喷射混凝土支护。压力 分散型锚杆直径为1 1 0m m 由两级单元锚杆组成。单元锚杆固定长度为5 0 m ，锚 杆设计承载力为5 0 0 k n 。该工程采用以压力分散型锚杆为主的加固结构后，有效 地维护了边坡的稳定性n 羽。 浙江金丽温高速公路边坡加固工程中也采用了压力分散型锚索，锚索由三级 单元锚索组成，单元锚固长度分别为3 m ，设计承载力7 5 0 k n , 孔径1 3 0 m m ，其 加固岩性主要为含碎石亚粘土、含亚粘土碎石、强中风化凝灰岩，岩层破碎， 节理裂隙发育u 驯。 目前，压力分散型锚索在国内的基坑与边坡工程中取得了良好的工程效果， 在工程实践中推广这种新型的锚索结构。 1 2 2 压力分散型锚索锚固技术研究现状 工程界对于压力分散型锚索的研究是从对压力型锚杆的试验开始的。早在 1 9 7 7 年，m a s t r a n t u o n o 和t o m i o l o 就报道了一个很有价值的现场试验瞳3 ，在试验 中他们比较了在同一场地上传统拉力型锚杆与压力型锚杆工作性能的不同。试验 者对于压力型锚杆，采用预应力钢绞线持荷，并沿杆件全长进行防腐设计，然后 5 硕+ 学位论文第一章绪论 对其工作性能及变形情况同普通的拉力型锚杆进行了比较，结果显示，在同等荷 载作用下拉力型锚杆的应变要远大于压力型锚杆，压力型锚杆的传力机制优于拉 力型锚杆，其抵抗锈蚀侵袭的能力也更强。 1 9 7 8 年，t o n yb a r l e y 在钢绞线末端安装锚具后，然后在钢绞线末端很短的 一段长度上用树脂密封作为承压锚固段，然后将这样的三根单元杆体按一定间距 布置于钢管中进行拉拔试验，试验证明荷载能够充分地由钢绞线传递给较短的树 脂密封段进而传递到注浆体上n 4 ，。 t o n yb a r l e y 通过在相同地层和钻孔条件下普通锚索与压力分散型锚索的对 比试验，得出了如图1 - 1 所示的粘结应力分布。 a ，普通锚索牯结应力分布 比较 但经 定的 拔试 示压 对4 试结 向应 们还 硕士学位论文 第章绪论 进行了压力分散型锚索与拉力型锚索的对比性抗拔试验，由试验结果发现，在粉 质粘土、中细砂及破碎岩石中，在同等锚固条件下，压力分散型锚索对比拉力型 锚索的承载力提高2 3 5 8 。同时，对于位于粉质粘土和砂卵石地层中设有4 级 承载体的压力分散型锚索，当每对钢绞线施加2 2 2 k n 的张拉力时，注浆体的轴 向压应变较小，最大仅为3 3 7 胆，压应变峰值均出现在靠近承载体处，随着承 载体距离的增大，压应变急剧衰减，其分布区间主要在2 5 m 的范围内n 2 l 。 图卜2 压力分散型锚索整体张拉沿锚索轴线应变分布图 一l - 0 鬣 霹o 0 0 i l 了 j 、l ，气2 7 5 旷i o 旷1 5 2 0 f 爵1 8 塞l 6 r1 2 型0 8 l 蜜o 4 l 0 0 ( 151 01 5 轴线方向m 【a )( b ) a - 玉力型锚杆b 一压力分散型锚杆 图卜3 压力型与压力分散型锚杆的轴力曲线与粘结应力分布曲线n 2 1 冶金部建筑设计研究院曾建立过基于d p 屈服准则的有限元模型，对压力 集中型及压力分散型锚杆在土层介质中的应力分布规律进行了研究，得到了两种 锚杆沿杆长方向的轴力与孔壁处的粘结剪应力的大致分布趋势n 2 儿埔1 ，如图1 - 3 所示，由图中所反映的应力分布规律可见，压力分散型锚杆的应力分布更加均匀， 避免了应力集中的不利状况，其受力机理是十分合理的。 姚智全等n 劬使用半无限体内的m i n d l i n 解，建立锚索的平衡方程，求出了锚 索的粘结应力与位移，并对不同参数下压力分散型锚索的受力特性进行了分析。 计算表明，在具有相同的最大位移时，压力分散型锚索的承载力是拉力型锚索承 载力的2 倍，且最大剪应力小于拉力型锚索；在相同的荷载作用下，拉力型锚索 的粘结应力与位移均是压力分散型锚索的2 倍以上，且拉力型锚索的应力较为集 7 硕士学位论文第一章绪 论 中，而压力分散型锚索则克服了拉力型锚索应力集中的缺点，应力分布比较均匀， 能够充分的调用土体的抗剪强度。 王建宇啪1 依据共同变形原理进行计算的结果表明，位于泥岩中锚固长度均为 5 m 的普通拉力型，压力集中型锚索、单元锚固长度分别为l m + l m + 3 m 和 1 6 5 m + 1 6 5 m + 1 6 5 m 的压力分散型锚索，其抗拔力分别为3 5 8 k n , 3 2 9 k n , 4 8 4 k n , 6 1 4 k n , 杆体材料的利用率分别为3 9 8 、3 6 6 、5 3 8 、6 8 2 。 台湾廖洪均乜妇晗2 1 通过对位于沉积岩地层中设有3 级锚索单元的压力分散型 锚索进行破坏性试验，发现压力分散型锚索的破坏均是由于其中某一级的注浆体 被压碎所致，从而得出在张拉过程中各锚索单元的实际受力大小及其拉力变形 行为并不一致的结论，各锚索单元在张拉过程中存在着相互干扰的情形，单根锚 索的承载力一般只有各单元锚索承载力的7 5 。 尤春安汹3 从弹性理论角度导出了压力分散型锚索锚固段应力分布规律 ( 1 - 1 ) ，基于理论解讨论了影响锚固段受力的主要因素，锚固段所受剪应力与锚 固力成正比，即锚固力越大，锚固段所受的剪应力就越大，但剪应力的分布形式 不变，此外，剪应力分布还受锚固体直径、锚固体弹性模量及泊松比、岩土体弹 性模量及泊松比以及锚固体与岩土体界面内摩擦角等因素的影响。为该类锚索设 计和计算提供了参考依据。 压力分散型锚索锚固段剪应力与轴力分布理论解啪1 ： r = 喜去e x 杉引卜h ， = 喜只e x p 一引卜讲， 式中，e 为第i 级单元锚索承载体所承受荷载( 埘) ；a 为锚索钻孔半径( m ) ； 级承载体的位置；仁l l ( 1 + ) 导+ ( 1 一) i ，e ，为锚固体的弹 l a g q ol 也 j m p a ) 、泊松比；e ，为岩土体的弹性模量( m p a ) 、泊松比；9 为 岩土体界面内摩擦角。 光随1 结合现场试验，对压力分散型回收式锚索的传力机制和锚固性能进 ，并对设计方法与施工工艺进行了探讨，提出了设计与施工的基本方法。 的尾高英雄等乜盯根据变形剪应力理论关系式提出了压力分散型锚 方法，该方法假定锚固体( 锚索体与注浆体的复合体) 与孔壁岩土体界 强度r 。为定值，不随锚固体的长度变化来计算锚索的极限承载力： 8 硕+ 学位论文第一章绪论 2 警。鼬( m 2 ) 式中，t 为综合切向刚度系数；l 为地层与注浆体界面的粘结强度( 朋砌) ； c 为锚固体的长度( r a m ) ；e 为锚固体的弹性模量( m p a ) ，e ：墨掣； 4 + 4 a = 4 + a s ：疋为注浆体的弹性模量( 彪砌) ；巨为锚索体的弹性模量( 彪砌) ； 4 为锚固体中注浆体部分的截面积( 小m 2 ) ；4 为锚索体的截面积( 脚，1 2 ) ；y 为 张缈= 屠= 2 压圳锚固体直埘) o 锚固体与孔壁之间的相对位移以及粘结应力为： = 害毛c o t l l ( 沙i s ) ；f = 恕名 ( 1 3 ) 式中，为锚固体与孔壁之间的相对位移( 聊m ) ；巧为锚固力( 埘) ；r 为 锚固体与孔壁之间的粘结应力( m p a ) 。 1 2 3 存在的问颢 综上，目前岩土工程界通过模型试验、现场试验、数值模拟及理论分析等， 对压力分散型锚索的展开了研究与探讨，在理论与实践中都取得了长足的进步。 但是由于问题的复杂性，当前对于压力分散型锚索锚固技术的研究也存在着不少 问题，主要有： 1 理论研究仍滞后于工程应用的需要； 2 对于压力分散型锚固体荷载的传递及应力应变的分布规律缺乏统一的认 识，在实际应用中大都只能采用粘结应力均匀分布的理想状态进行设计计算； 3 工程设计中缺乏成熟的合理计算方法； 4 工程应用中，张拉设备制约了压力分散型锚索的张拉工艺，且采用逐根张 拉方式进行张拉时，张拉过程中各钢绞线之间影响难以控制； 5 对压力分散型锚索预应力损失规律及其影响因素研究较少。 1 3 主要研究内容 本文依托一大型市政边坡压力分散型锚索锚固工程进行压力分散型锚索试 验研究，在此基础上进行系统的分析和深入的讨论，推导出相应的理论计算公 9 硕士学位论文第一章绪 论 式，具体研究内容如下： 1 总结压力分散型锚索的结构构造、锚固机理、承载能力及其控制因素、设 计及施工工艺。 2 研究压力分散型锚索锚固段注浆体应力分布规律。 ( 1 ) 基于变形协调假定，根据m i n d l i n 问题位移解、弹性力学等理论，导出压 力分散型锚索锚固段注浆体与孔壁岩土体界面的粘结应力及注浆体内部的轴力 沿锚索轴线方向分布规律的理论表达式。通过算例分析总结应力分布规律及影响 因素。 ( 2 ) 通过在锚索注浆体轴向布设应变测点，测定各单元锚固体在荷载作用下注 浆体内的轴向应变分布，研究锚固段的应变与应力分布状态，探索压力分散型锚 索的荷载传递机制。 3 研究压力分散型锚索预应力变化规律。 ( 1 ) 分析压力分散型锚索预应力变化的一般规律及影响因素。 ( 2 ) 预应力变化监测成果分析。结合依托工程，选择典型锚索进行预应力长期 监测，总结了预应力损失规律，并预测了后期预应力损失在控制范围之内。 4 结合工程边坡，利用极限平衡法进行边坡稳定性分析，对锚索加固效果作 出评价，并对粘聚力，内摩擦角，锚索间距、锚固角、锚索长度和锚固力大小等 因素进行参数敏感性分析。 5 结合边坡长期监测资料，对边坡进行整体稳定性评价，对边坡稳定性及支 护效果进行综合评价。 1 0 硕士学位论文 第二章压力分散型锚索结构及工程应用 第二章压力分散型锚索结构及工程应用 2 1 压力分散型锚索结构及锚固机理 2 1 1 压力分散型锚索结构特点 压力分散型锚索是一种新型锚索，是在拉力型锚索等传统锚索结构的受力性 能不尽合理以及在软弱岩土体中无法实现较高承载力的情况下应运而生的锚索 结构形式。一般来说，压力分散型锚索主要由锚头、无粘结预应力钢绞线、承载 体和锚固段注浆体等组成，根据需加固岩土体的实际条件，在锚固段内按一定间 距安装数个承载体，其中各承载体连同与之相对应的钢绞线和锚固段注浆体组成 一个相对独立的锚索单元，不同的锚索单元有着各自的索体、锚固段和自由段。 具体结构见图2 1 所示。 锚板 锚垫板 钢筋混凝土墩 图2 - 1 压力分散型锚索结构图 压力分散型锚索的承载体一般有两种结构形式。其一是用聚酯纤维等材料制 成的复合体，其具有高强与高韧性的特点，在组装压力分散型锚索时，将无粘结 钢绞线绕承载体弯曲成“u ”型口副，构成相应的锚索单元，然后再将其组装成整 道锚索。当孔内注浆固结后，承载体及“u 型钢绞线就被固定在不同深度处， 当使用功能完成后，“u ”型钢绞线还能从注浆体中抽出，也称为可拆式锚索， 其构造如图2 - 2 中所示。另一种承载体则由钢板制成，一般呈圆形，承载体钢板 的直径比锚索的孔径略小，板厚2 0 , - , 3 0 m m ，钢板上按所需通过的钢绞线根数开 有相应数目的圆孔，圆孔径一般为1 8 2 0 m m ，同时还设有灌浆孔道。在锚固段 不同深度布置若干个承载板，无粘结钢绞线也相应分成若干组与各自承载板相 硕士学位论文第二章压力分散型锚索结构及工程应用 连，在安装带有此种承载体的锚索时，先将钢绞线穿过承载体圆板上相应的孔道， 然后再借助挤压套( p 锚) 进行压接固定汹1 ，挤压套( p 锚) 是钢绞线与承载板 的主要联接件。其构造见图2 - 3 所示。 束紧带无桔结钢绞线 图2 - 2 压力分散型锚索“u ”型承载体构造图 ( a ) 铜板承载体( b ) 钢绞线挤压套连接构造 图2 - 3 压力分散型锚索钢板承载体构造图 与传统的拉力型锚索相似，压力分散型锚索也是采用钢绞线作为受拉主体， 同的是压力分散型锚索采用了涂有油脂的钢绞线，外面敷裹着高密度聚乙烯 防护套，所有钢绞线与注浆体之间无粘结，具有良好的防护性能乜 。安装锚 ，又间隔设置了对中支架( 隔离环) ，使得钢绞线均匀分布在孔内，受力充分。 2 压力分散型锚索锚固机理 当锚索受拉时，锚索的拉力通