（岩土工程专业论文）深基坑喷锚支护应力波无损检测理论研究与应用.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 锚杆锚固技术在岩土工程界应用广泛，锚杆支护在实践中被证明是一种行之 有效的锚固支护技术，目前被广泛应用于矿山井巷、交通隧道、水工隧洞和各类 岩土洞室、基坑、边坡及建筑物加固补强等施工领域。但由于各种因素的影响， 锚固系统往往存在许多缺陷。用于岩土加固的锚杆如果存在内部缺陷，往往具有 很大的危险性，甚至造成巨大的经济损失。避免此种情况的出现，需靠性能优异、 准确可靠、方便实用的检测技术来实现。锚固系统的缺陷识别，质量诊断以及实 时检测、补强，一直是岩土工程界广泛关注的问题。在锚杆支护的锚固工程中， 对锚杆锚固质量的检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。 传统的静载荷拉拔试验检测方法是一种破坏性检测试验方法，难以满足工程 实际对锚杆进行大面积检测的需要，而应力波反射法这种动力测试方法作为一种 既简便经济又迅速可靠的锚杆质量无损检测技术，不会对锚杆产生破坏作用，适 宜进行大面积的质量检测，研究和应用应力反射法检测锚杆质量的技术来弥补静 载荷拉拔试验法是十分必要和具有重要意义的。 本文在应用波动理论的基础上，研究了应力波在锚杆体内波动能量的外泄特 征，得到了弹性波在锚固体系中的衰减规律及传播机制，为锚杆锚固质量的无损检 测提供了重要的理论依据；在一维杆理论研究的基础上，建立完整锚杆低应变纵 向动力响应的数学力学模型，推导出完整锚杆在杆顶受稳态正弦激励时的时域解 析解，并在此基础上得到了瞬态半正弦波激励条件下的的瞬态解析解：利用 a n s y s 有限元程序进行数值模拟计算；通过实际工程中试验锚杆的实测波形和数 值模拟动测曲线进行比较分析表明，理论曲线与实测波形基本吻合；建立了基于 遗传算法优化的b p 神经网络模型，利用经过训练的神经网络的泛化功能解决锚杆 承载力预测和锚杆完整性预测问题，实现了对锚杆锚固质量智能化评价。 本文的应力波法锚杆无损检测理论还为声波测试技术在边坡工程、地下工程 等施工过程以及后续管理中的超声监测、稳定性评价以及岩体强度预测、地应力 测量等方面的应用提供可参考的理论依据。 关键词应力波无损检测；锚杆锚固系统；低应变；有限元；b p 神经网络 重量堡三奎耋三耋堡圭耋堡篁塞 a b s t r a c t a n c h o rb o l tt e c h n o l o g yi si nt h eb r o a da p p l i c a t i o no fg e o t e c t m i c a le n g i n e e r i n g b o l t i n gi np r a c t i c ep r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ea n c h o rb r a c i n gt e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l y u s e di nam i l l es h 世t r a f f i ct u n n e l t u n n e la n dv a r i o u sh y d r a u l i cr o c kc a v e r n , p i ts l o p e a n db u i l d i n gc o n s t r u c t i o n , s u c ha sr e i n f o r c i n gt h ef i e l d h o w e v e r , b e c a u s eo fv a r i o u s f a c t o r s a n c h o r i n gs y s t e m sa r eo f t e nm a n yd e f i c i e n c i e s f o rt h er e i n f o r c e m e n to fr o c k b o l ti ft h e r ei si n t e r n a ld e f e c t s ，o f t e nw i t hg r e a tr i s ka n dc a u s e dh u g ee c o n o m i cl o s s e s t oa v o i ds u c hs i t u a t i o n ，h a v et or e l yo nh i g hp e r f o r m a n c e ，a c c u r a t e ，r e l i a b l e ，c o n v e n i e n t a n dp r a c t i c a ld e t e c t i o nt e c h n o l o g y a n c h o r i n gt h ef l a w si nt h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ，t h e q u a l i t yo fd i a g n o s i sa n dr e a l t i m ed e t e c t i o n , a c c e s s o r y , h a sb e e ne x t e n s i v eg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gc o n c e r n e d b o l t i n gi nt h ea n c h o rp r o j e c t ，t h eq u a l i t yo fd e t e c t i o no fa n c h o r s y s t e mh a sb e e nan e c e s s a r ya n du r g e n tt a s k t r a d i t i o n a ls t a t i cl o a dt e s t i n gm e t h o d s 、舸t 1 1d i f f i c u l t yt om e e tt h ea c t u a lb o l tf o r t h e d e t e c t i o no fl a r g ea r e a , a n dt h es t r e s sw a v er e f l e c t i o no f t h i sd y n a m i ct e s t i n gm e t h o da s ac o n v e n i e n ta n dr a p i de c o n o m i ca n c h o rr e l i a b l eq u a l i t yn d tn o tt ob o l td e s t r u c t i v e r o l e ，s u i t a b l ef o rl a r g ea r e a so fq u a l i t yi n s p e c t i o n , r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs t r e s s r e f l e c t i o nm e t h o dt oc o m p e n s a t ef o rs t a t i cl o a dt e s ti sv e r yn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n t t h i sa r t i c l eb a s e do nt h ew a v et h e o r y , s t u d yt h ee n e r g yl e a k a g ec h a r a c t e r i s t i c so f s n e s sw a v ef l u c t u a t i o n si nt h eb o d yb o l t ，o b t a i n e dt h ee l a s t i cw a v ei na n c h o rs y s t e m w e a k e nr u l ea n dt h ed i s s e m i n a t i o nm e c h a n i s m , w h i c hp r o v i d e da ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a l b a s i s f o ra n c h o r sq u a l i t yo ft h en d t ；o nt h e b a s i so fo n e - d i m e n s i o n a lb a r t h e o r y ，e s t a b l i s hac o m p l e t ev e r t i c a lb o l tl o ws t r a i nd y n a m i cr c s p o m eo fm e c h a n i c a l m a t h e m a t i c a lm o d e l ，d e r i v e dc o m p l e t eb o l ti ng a n d i n gs t a t i o n a r ys i n u s o i d a le x c i t a t i o n i st h et i m ed o m a i na n a l y t i cs o l u t i o na n do nt h i sb a s i st ob eah a l f s i n ew a v et r a n s i e n t c o n d i t i o n so ft h et r a n s i e n ta n a l y t i c a ls o l u t i o n ；a n s y sf e mp r o g r a mf o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；t h r o u g hp r a c t i c a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t sb o l tf r o mt h em e a s u r e dw a v e f o r ma n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc u r v ed y n a m i ct e s t i n gc o m p a r a t i v ea n a l y s i ss h o wt h a t t h et h e o r e t i c a lc b i v ea n dt h ea e r i a lp r o f i l ea r eb a s i c a l l yt a l l y e s t a b l i s hb pn e u r a l n e t w o r km o d e lb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n i nt h eu 北o fg e n e r a l i z e d f u n c t i o n a l c a p a c i t yo fn e u r a ln e t w o r k sa f t e rt r a i n i n g n e r v en e t w o r k ，s o l v et h e s u p p o r t i n gc a p a c i t ya n da n c h o rb o l ti n t e g d t yp r e d i c t i o n ，r e a l i z et h eq u a l i t yo fa n c h o r i n t e l l i g e n to v a l u a t i o n 1 i 童星堡三奎茎三茎堡圭茎堡堡圣 i nt h i sp a p e r , t h es t r e s sw a v eb o l tn d t t h e o r yf o ra c o u s t i ct e s t i n gt e c h n o l o g yi n s l o p ee n g i n e e r i n g ，u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to ft h e f o l l o w - u pu l t r a s o u n dm o n i t o r i n g ，e v a l u a t i o na n ds t a b i l i t yo fr o c ki n t e n s i t yf o r e c a s t s ， s t r e s sm e a s u r e m e n to f a p p l i c a t i o nc a nm a k er e f e r e n c et ot h et h e o r y k e yw o r ds t r e s sw a v en d t ；a n c h o rs y s t e m ；l o ws t r a i n ；f e m ；b pn e t w o r k 1 1 1 ，：，。：。墅矍三奎耋三耋堡圭童堡篁圣 第1 章绪论 1 1 引言 岩土工程锚固技术是当前岩土工程领域中的一个重要分支，它是在岩土体的 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a 由于锚杆锚固技术可以合理地调动围岩的自身强度和自稳能力，大大减 轻结构的自重节约工程材料取得显著的经济效果并确保施工安全与工程稳定，具 有施工简便，成本低廉，安全迅速显著优点，引起矿业和岩土工程界的广泛关注， 并且十分迅速地得到大范围的推广应用叭粥。锚杆支护在实践中被证明是一种行之 有效的锚固支护技术，目前被广泛应用于矿山井巷、交通隧道、水工隧洞和各类 岩土洞室、基坑、边坡及建筑物加固补强等施工领域，它的先进性、可靠性、经 济性无可质疑【3 】。 功j l 。 n 一 0 口 0 口 d 口 犀土 l 卜“卜 ， 凸口 口0 5 但p 硼 习占z可f ：l 纠 l r 。 |j 呻卜 8 j 9 “ 兆 骂置 r 弋 y 飞 7 图1 1 锚杆应用示意图 l 一水坝；2 一电视塔；3 一悬索桥；4 一公路一侧；5 一水池：6 一栈桥；7 一房屋建筑； 8 - - 高架电缆铁塔；9 - - 烟囱；1 0 一飞机库大跨结构；1 1 一隧道孔壁 美国于1 9 1 1 年首先用锚杆支护矿山巷道【4 l ，1 9 1 9 年西利西亚矿山开采使用预 应力锚杆，1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔坝加高工程使用预应力锚杆，1 9 5 7 年西德在 青岛理工大学工学硕士学位论文 土建深基坑维护中使用土层锚杆。据有关资料统计，目前国内外各种类型锚杆己 达6 0 0 余种，每年使用的锚杆量已超过1 0 亿根。美国、澳大利亚等把锚杆作为地 下开采、围岩支护中普遍应用的常规手段。德国、奥地利在地下工程施工中大批 量的使用锚杆，无论硬土层或软土层几乎没有不使用锚杆的。日本土锚杆的用量 也比三年前增加1 0 倍。我国岩土锚杆起始于5 0 年代后期，当时有京西矿务局安 滩煤矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，我国开始在矿山巷道、 铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护。1 9 6 4 年， 梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。7 0 年代，北京国际信托大厦等基坑工程 采用土层锚杆支护。近年来，我国岩土锚固工程的发展尤为迅速，几乎已触及岩 石、土木工程领域的各个角落，如矿山井巷、铁路隧洞、地下洞室支护、岩土边 坡加固、坝基稳定、深基坑支档、结构抗浮与抗倾、悬索建筑的地下受拉结构等， 无不与锚固技术结下了不解之缘。 但与此同时，锚杆锚固工程不但具有复杂性还具有高度的隐蔽性，发现质量 问题难，事故处理更难。因此锚杆检测工作是整个锚固工程中不可缺少的环节。 只有提高锚杆检测工作的质量和检测评定结果的可靠性，才能真正地确保锚固工 程的质量与安全【o6 j 。目前这一领域的理论研究和工程应用都得到了较大的发展， 但是锚杆检测是一项很复杂的系统工程，无论在理论上还是实践中，都还存在很 多的问题需要研究。由于现场施工因质量存在问题而无完备检测手段，造成的事 故与经济损失也越来越多，锚固质量的无损检测理论和新技术的研究也就成为当 今岩土工程界迫切需要解决的问题。 1 2 研究的背景及目的、意义 目前由于多方面的原因，我国锚杆锚固质量及受力状态的检测仍然停留在 利用液压千斤顶进行破坏性拉拔试验阶段，这种检测手段既费工又费时，更重要 的是这种检测手段对经锚杆加固深基坑边坡岩土体的扰动，降低了锚杆对岩土体 的加固作用，其检测过程对于软岩或较破碎岩层中的整体稳定性尤为不利，因而 仅限于个别抽检。根据相关文献检索可知，对于高强螺纹锚杆，当锚固的水泥砂 浆长度( l ) 大于钢筋直径( d ) 的4 0 倍以后，用拉拔试验直至拉拔到钢筋颈缩，甚至 断裂也不会丧失锚固力，即通过拉拔测试合格的锚杆，很有可能存在相当长度的 砂浆空腔。因此对锚杆现场检测技术的研究是矿业与岩土工程界的一个急需解决 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 的课题，它对于安全生产，保障施工质量都具有重要意义，可以预料只要检测水 平达到一定程度，锚固技术将以独特的经济效益，简便的工艺，广泛的用途，经 济的造价，在深基坑工程、矿业采掘与广泛的岩土工程界领域中显示其旺盛的生 命力。 在深基坑工程、矿业采掘等岩土工程中使用锚杆加固技术，面宽量大，且多 为隐蔽工程，寻求一种能快速实时检测锚杆锚固质量及受力状态的无损检测技术， 是保证围岩加固质量及其稳定的必要前提，是我国目前岩土加固工程及矿业采掘 急需解决的技术关键问题。 随着岩石动力学的研究深入和在岩土工程中应用的开展，以及现代计算机应 用的普及，使得采用波动理论的方法解决这一难题成为可能。在这方面，中国科 学院武汉岩土力学所在桩基质量测方面取得了较为突出的成果，并付诸于工程实 践，取得了较为明显的社会效益和经济效益。对于锚杆，不论从理论上讲，还是 从几何形体、材质、受力情况等方面，比桩基更符合一维弹性杆的波动理论，而 且就目前深基坑工程中广为使用的锚杆形式，其相对长度较桩基小得多；另外就信 号接收来讲，因其能量衰减较小，更容易一些。这样，就可以借鉴桩基动测法中 的小应变法( 即锤击法) 测定锚杆的质量及发挥性状。本文将以如下思路进行研究： 基于一维波动理论和结构动力学原理，通过波形识别，最终解决有效锚固长度、 极限承载能力和工作荷载的快速、实时、无损检测。锚固体系无损检测技术的研 究，将进一步提高岩土锚杆加固工程施工质量管理的有效性和科学性，为地下结 构的稳定性研究提供一种方便、快捷的观察手段。在一定程度上保证利用锚杆加 固技术和岩土工程及地下结构的稳定性和可靠性，将对锚杆加固理论研究的进一 步深入，为锚杆支护施工工艺的改进和锚杆支护技术的推广起到有益的促进作用。 1 3 静载荷拉拔试验检测方法 1 3 1 静载荷拉拔试验检测方法的原理 静载荷拉拔试验检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法，即通过拉力 计( 液压千斤顶) 或者扭力扳手对锚杆施加拉力直到达到设计要求或锚杆松动为止。 进行拉拔试验时，将液压千斤项放在托板和螺母之间，拧紧螺母，施加一定的预 应力，然后用手动液压泵加压，同时记录液压表和位移计上的对应读数，当压力 或者位移读数达到预定值时，或者当压力计读数下降而位移计读数迅速增大时， 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 停止加压，测试后，可整理出锚杆的位移一荷载曲线，从而分析锚杆的受力状况 和锚固质量1 7 j 。 1 3 2 静载荷拉拔试验检测方法的局限性 目前，国内外拉拔试验方法多停留在用千斤顶进行机械破损性拉拔试验阶段。 由于无控制预警系统，只能按设计的锚固力值人为控制，即拉到设计值时终止拉 拔。因此小于设计锚固力的锚杆可能被破坏。大于设计值的也无法知晓其极限锚 固力，而且只能少量抽检，对后期工程起不到提供精确修正依据的作用。 众所周知，锚杆设计的目的主要是通过锚杆将破碎或不稳定岩体与牢固稳定 的岩体连结在一起以提高整体稳定性。当锚杆发挥作用时，锚杆不同部段其功能 是不同的。假如只有外端锚固效果好，而内端锚固效果差，锚杆就会因为无法固 定而发挥不了作用；反过来，如果只有内端锚固效果好，而外端锚固效果差，又 会因外端的锚固力小于破碎或不稳定岩体的自重而导致岩体失稳。 从以上分析可知，锚杆锚固质量的好坏不但和锚杆的整体抗拔力有关，而且 还和锚杆各段的锚固力有关。而拉拔试验测定的抗拔力只是锚杆的整体抗拔力， 而不能指明锚杆各段的锚固力。目前，有些工程的锚杆抗拔力设计值远小于锚杆 实际能够达到的抗拔力值，这就有可能仅靠锚杆一段的锚固力就足以达到甚至超 过锚杆抗拔力设计值。因此，如果仅凭拉拔试验测定的抗拔力来评价锚杆锚固质 量，就有可能把只有一端锚固效果好，而另一端锚固效果差的不合格锚杆误判为 合格锚杆【刚，而且在实际工程中，类似的事情也时有发生。 1 4 国内外锚杆无损检测技术研究及发展现状 声波法是近几十年发展起来的，也是工程物探界目前普遍采用的锚杆锚固质 量的无损检测方法，虽然也有人在利用电磁波法检测锚杆锚固的质量方面做了一 些理论研究工作【9 j ，但尚未付诸实施。声波法主要有声波发射检测法、超声波检 测法和应力波检测法。 1 9 7 8 年，瑞典的h f t h u r n e r 提出用超声波检测砂浆锚杆锚固质量的方法， 并试制了b o l t m e t e r 检测仪。该方法主要有两个问题：一是采用超声波衰减严重， 只能对短锚杆而且锚固介质单一的锚杆适用；二是对锚杆端头要求苛刻，即在现 场要对锚杆端头重新机械加工打磨平整，压电晶体才能将超声波发射耦合进入杆 体，故现场不适用l lo j 。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 上世纪8 0 年代末美国矿业局研制了一种顶板锚杆粘结力测定仪。它也是根据 发射和接收超声波的原理来设计的。 同时，国内铁科院与地矿部技术方法研究所协作研制出声波反射波检测仪， 即m - 7 锚杆检测仪，改用能量相对一致的机械撞击方式激振，增大了有效检测长 度。 武汉创新高科技公司生产的l x - 1 0 e 型锚杆检测仪主要用于边坡工程中的锚 杆锚固质量检测并且需要和拉拔力测试的结果结合起来进行综合分析。 南京大学的汪明武等人通过模型试验，利用声频应力波来快速普查检测锚杆 锚固质量及预测锚固力的无损拉拔试验方法，分析了声频应力波在锚固体系中的 反射相位特征和能量衰减变化规律，探讨了测定锚固力的无损拉拔试验，并将成 果应用到实际工程中【1 2 1 。 焦作工学院的吕绍林教授等人提出将声波在锚固系统中的能量特征与相位特 征相结合的方法来综合评价锚杆锚固质量，其依据是锚固系统中锚固缺陷存在时 声波在缺陷处不仅有能量变化而且有相位突变”】。 近年来山西太原理工大学的李义教授等人利用应力波反射法通过分段截取找 出了锚杆底端反射的显现与否与锚杆自由段长度、波长之间的定量关系，不仅在 理论上而且通过实验室模拟试验验证了锚固段内波速要发生变化，提出固结波速 的概念，并且验证了其速度范围介于锚杆杆体波速和锚固介质波速之间【川。 朱国维等人针对煤矿井下常用锚杆的类型及其锚固状况设计制作了相似的物 理模型并且研制了一种弹射式加速度检波器以便在锚杆端头激发并接收高频应力 波【1 5 j 6 1 。 重庆大学的许明等人利用声波原理把声波测试技术应用于锚固工程完整性无 损检测中，其基本原理是采用动力瞬态激振引起锚杆弹性振动，通过测定锚杆的 振动响应来估计和推断锚杆的完整性。利用人工神经网络进行锚杆完整性的预测， 将人工神经网络这类非线性动力学系统运用于该灰色系统的质量预测，取得了一 定的效果【。 英国伦敦大学的m d b e a r d 博士等人利用导向超声波来对锚杆进行检测，通 过对信号相速率、能量速率、衰减系数的频散曲线进行分析，并综合考虑了围岩 岩石模量、环氧层模量及厚度、锚固质量等因素，对测试结果的影响得到了在高 频和低频时最为理想的超声波激振频率，且研制了专门的激振传感器。在低频时 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 宜采用4 0k h z 脉冲进行检测；在高频时2 吁l z 是一个比较理想的激振频率。在实 际中采用高频和低频相结合的方法且通常只能对3 0m 以内的锚杆进行检测【1 8 1 。 在锚杆检测技术的工程应用方面许多单位和个人也做了大量的研究工作，如 长江科学研究院岩基研究所的汪天翼、中南勘查设计研究院的邬钢、国家电力公 司贵阳勘测设计研究院的许煜东等人，他们结合工程的实际情况制作了大量的模 型锚杆通过模型试验进行了大量的现场试验研究，对现有的一些检测方法进行了 改进，总结出了一套在实际工程中行之有效的经验，并且提出了一些问题为锚杆 检测技术研究的迅速发展起到了巨大的推动作用。上述研究工作的开展和相关仪 器的研制，极大的推动了我国岩土锚固工程和工程质量无损检测技术的发展。但 是锚杆无损检测是一项很复杂的系统工程，无论在理论上还是实践中都还存在很 多的问题需要研究【j 9 】。 1 5 本研究工作的主要内容和创新之处 本文在波动理论的基础上，采用了理论分析、数值模拟和现场测试相结合的 方法，对应力波反射法在锚杆锚固体完整性检测进行了理论上的研究，并实现在 计算机上锚固体缺陷的数值模拟，最后利用神经网络建立锚杆锚固质量预测模型， 其主要研究工作涵盖以下几项内容： ( 1 ) 在前人研究的基础上，对现有的锚杆检测方法进行了总结，针对其中存在 的一些问题进行了分析和探讨。 ( 2 ) 通过理论分析，研究应力波在锚杆体内波动能量的外泄特征，研究弹性波 在锚杆、岩土介质及其耦合体系中的传播规律，力求得到弹性波在锚固体系中的 衰减规律及传播机制，为锚杆锚固质量的无损检测提供重要的理论依据。 ( 3 ) 在桩基纵向振动理论研究的基础上，建立完整锚杆锚固系统低应变纵向动 力响应的数学力学模型，推导出该问题的半解析解，为锚杆锚固系统的动力学理 论奠定相应的基础。 ( 4 ) 采用a n s y s 结构分析中的瞬态动力学完全法，用以模拟锚杆在瞬时荷载 作用下的低应变响应，得到完整锚杆和预设缺陷锚杆的时程曲线。 ( 5 ) 通过“国家体育总局航海运动学校博物馆深基坑工程”中实验锚杆的实测 波形和数值模拟动测曲线进行进行对比分析，通过理论曲线与实测波形分析，将 模型的理论分析结果有效的反映实际锚杆瞬态纵向动力作用特征、激振力函数、 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 等效参数，以锚杆纵向振动特征的模拟为后续研究提供了样本信号。 ( 6 ) 建立基于遗传算法优化的b p 神经网络模型，利用经过训练的神经网络的泛 化功能解决锚杆承载力预测和锚杆完整性预测问题，对锚杆锚固质量智能化评价。 7 第2 章岩土锚固机理与无损检测理论研究 2 i 锚杆锚固的基本力学基础 2 1 1 锚固系统 1 基本概念 在岩土加固工程中，如果以锚杆作为加固系统的主要构件，就形成了一个锚 杆加固系统，简称锚固系统。 2 单体锚杆组成 锚固系统中通常由很多单体锚杆组成。 端部锚固锚杆由三大部分组成：锚头，杆体，锚固体。 锚头位于锚杆的外露端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固 力传给结构物或周围岩土体。 杆体连结锚头和锚固体，通常利用其弹性变形的特性，在锚固过程中对 锚杆施加预应力。杆体通常由钢筋和钢管等制成，受张拉作用。 锚固体位于杆体和地 层( 或岩体) 之间，它将拉力从杆 体传给地层( 或岩体) 。锚固体通 常为砂浆或锚固剂。 全长锚固锚杆由杆体和锚 固体组成。 3 锚杆的基本力学参数 1 ) 抗拔力 锚杆在拉拔试验中承受的 极限拉力，即锚固力。 2 ) 握固( 裹) 力 口k n 一 图2 1 锚杆联结挡土桩、墙锚固于土中的示意图 锚杆杆体与粘结材料问的最大抗剪力。 3 ) 粘结力 锚杆粘结材料与孔壁岩土之间的最大抗剪力。 4 ) 拉断力 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 锚杆极限抗拉强度。 2 1 2 锚杆的结构及分类 目前，在我国和全世界范围内，适用于不同的地质条件，具有不同功能和用 途的锚杆有数百种。锚杆分类方法按不同分类原则和分类标志有很多种。现在介 绍一些主要的分类： l 、按应用对象分为：岩石锚杆、土层锚杆、海洋锚杆。 2 、按是否预先施加预应力分为：预应力锚杆( 主动式锚杆) 、非预应力锚杆( 被 动式锚杆) 。 3 、按锚固机理分为： 粘结式锚杆：水泥砂浆锚杆和树脂锚杆；摩擦式锚杆：管缝式锚杆和水胀式管状 锚杆：机械式锚杆：胀壳式锚杆和楔缝式锚杆。 4 、按锚杆杆体材料分为：金属锚杆、木锚杆、竹锚杆、钢筋混凝土锚杆。 5 、按锚固体形态分为：圆柱形锚杆、端部扩大型锚杆、连续球型锚杆。 6 、按锚固部分大小分：全长锚固式锚杆和端部锚固式锚杆。 7 、按照锚固体内部锚索( 预应力筋) 与水泥浆之间的传力方向的不同，可分为：拉 力型、压力型、剪力型三种。 目前，国内外应用最广的是拉力型锚杆。这类锚杆的传力方式是通过锚索与 水泥浆以及水泥浆与地层间的粘结引导外力依次传递到岩石或土体中。从受力分 析来看，拉力型锚杆锚固体上的轴向力是递减的，它依靠锚固段首尾部分的不均 匀拉伸变形来带动与锚固段相结合的岩土体变形，以此调用岩土体的抗剪强度。 2 1 3 锚固力的概念及锚固机理 1 锚固力 国标g b j 8 6 8 5 将锚固力定义为锚杆对于地层的约束力。我国常用锚杆的直径 为1 4 2 0 m m ，而锚杆钻孔直径为3 2 1 5 0 r a m 。锚杆作用于地层的力可分为径向和切 向两个方向，径向锚固力含托锚力和粘锚力。托锚力是托板对锚杆孔口及附近地 层的挤压作用力，托锚力的大小由锚杆所加预应力和锚杆工作状态所决定，最大 托锚力就是锚杆拉拔试验时的最大拉拔力；粘锚力是由于地层深部与浅部变形的 差异锚杆通过粘结剂对地层施加的粘结力( 剪切作用力) ，粘锚力的反作用力就是锚 杆体内的轴力；切向锚固力是由于锚杆体贯穿弱面，改善了弱面的力学性质，限 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 制地层沿弱面的滑动和张开的力。因此锚杆是兼有支护和加固两种作用的较完美 的支护形式。径向锚固力主要起着支护作用，切向锚固力主要起着加固作用。锚 固力是在锚杆与围岩相互作用过程中形成和变化的。锚杆的锚固力不仅取决于锚 杆本身的结构、参数、锚固方式和锚固长度，金属网、钢带和梁等护表构件，锚 固岩体的坚硬程度、结构和性质等，还取决于锚固岩体的位移、流变、离层和破 裂等围岩的损伤破坏过程1 2 0 - 2 a 1 。在围岩大变形巷道中，随着锚杆锚固岩体的松动 破裂，锚杆的锚固力大都会迅速下降，实际的锚固力往往远低于理论计算值，甚 至完全失效。 2 抗拔力 作为受拉杆件的锚杆，其承受拉力的能力，一方面取决于预应力筋的截面积 和抗拉强度，这是容易较精确地设计并满足使用要求的；另一方面，则取决于锚固 体的抗拔力。锚固体的抗拔力事先不易准确确定，它与许多因素有关，如锚固体 几何形状、传力方式、锚固体与周边地层的粘结摩阻强度及上覆层厚度等，锚固 体的抗拔力是影响单根锚杆极限承载力的关键所在。一般来说，可以采用以下方 法来提高锚固体的抗拔力和锚杆的承载力：增加锚固体长度；高压灌浆：端头扩体 或多段扩体。阻止锚固体从岩土体中被拔出的抗力是由岩土体与锚固体界面上的 粘结摩阻力决定的。粘结摩阻力在整个锚固体长度上分布是不均匀的，它与岩土 体的渗透性、灌浆压力有很大关系。粘结力的大小是用锚固体中力的变化率来衡 量的，在任意两个截面之间的锚固体应力如果没有变化，粘结应力就不存在。粘 结作用大致由三部分组成：( 1 ) 水泥胶体与岩土体表面的化学胶着力；( 2 ) 锚固体外 表面与岩土体接触面上的摩擦力；( 3 ) 锚固体外表面粗糙产生的机械咬合作用。化 学胶着力很小，发生相对滑动后，粘结力主要由摩擦力和咬合力所提供。一般说 来，在外荷作用下最大粘结摩阻应力分布在锚固体的前半段，随着荷载的增加， 粘结摩阻应力峰值逐渐向锚固体后端转移，在锚固长度范围内结合应力的分布和 转移类似于摩擦桩。 长期以来，人们把锚杆拉拔试验时的抗剪强度当作锚杆剪锚力( 锚固力) ，现场 也认为通过拉拔试验测得的是锚杆锚固力，其实不然，因为锚杆在工作时和拉拔 试验时受力分布完全不同，而且两者的变化过程也不相同。锚杆拉拔试验测得的 最大抗剪强度实际上是锚杆可能达到的最大托锚力，锚杆在工作时抗剪强度的失 效过程，远比拉拔试验的破坏过程复杂。剪锚力沿锚杆全长呈非线性分布，且随 l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 地层变形而变化，所以要给出锚杆剪锚力的简单计算公式或实测值是很困难的， 故锚杆拉拔抗剪强度只能在一定程度上反映锚杆剪切锚固力大小，但拉拔试验对 检测锚杆的安设质量、分析锚杆的工作状态具有重要意义，目前仍普遍采用锚杆 在拉拔试验时的抗拔力来评价锚杆剪锚力 2 5 6 1 。 3 锚固机理【2 7 1 1 岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层或岩体的抗剪强度来传递结构 物的拉力或保持地层或岩体开挖面自身的稳定。 2 岩土锚固的主要特点是：1 ) 调用岩土自身的强度，达到提高其自稳能力的目 的；2 ) 岩土体成为工程结构的一部分；3 ) 大大减轻了加固结构物的自重，节约工程 材料；4 ) 主动防治措施效果明显。 3 岩土锚固的主要功能是：1 ) 提供作用于结构物上，用来承受外荷的抗力， 其方向朝着与岩土相接触的点。2 ) 使被锚固地层产生压应力区或对通过的岩石起加 筋作用( 非预应力锚杆) 。3 ) 加固并增加地层强度，也相应的改善了地层的其它力学 性能。4 ) 当锚杆通过被锚固结构时，能使结构本身产生预应力。5 ) 通过锚杆，使结 构与岩石连锁在一起，形成一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效的承受拉 力和剪力。 锚杆的这些功能是相互补充的，对某一特定工程而言，也并非每一个功能都 能发挥作用。 2 1 4 荷载从锚杆转移到灌浆体的力学机理 虽然锚杆和围绕它的灌浆柱之间的结合强度还研究得很不够，但由于灌浆与 周围地层的结合处常常更危险，相对来说较少注意锚杆的前一个特性。理想化的 机理应是：锚杆钢筋上有微观粗糙度或肋纹，灌浆围绕锚杆充满这些皱曲而形成 灌浆柱。 灌浆体与锚杆钢筋表面发生复杂的化学相互作用1 2 8 - 3 2 】，一旦承受荷载，它们 之间的结合( 胶着) 作用就得以发挥，但在一定的相对位移下，有效的化学胶着就遭 破坏，锚杆与侧限灌浆之间的阻抗力就由摩擦作用产生，增大钢锚杆表面的粗糙 性，由此产生的机械咬合作用使得一部分灌浆的剪切强度增大。由于钢索是相当 长的弹性构件，相对于灌浆的锚索位移量是沿着它的长度变化的。在位移很小的 地方，摩阻力的变化主要是附着力作用，在工作荷载下，这种情况发生在靠近锚 青岛理工大学工学硕士学位论文 固长度的下端。在锚固长度的上端，由于锚索的弹性伸长，相对位移较大，将产 生摩擦或许还有连锁效应。在产生摩擦型阻力的地方，它的值取决于灌浆柱提供 的限制程度。为此，对于钻孔壁的屈服和灌浆柱的饱满度必须给予特别注意，尤 其是对于承受高荷载量的锚杆，更需如此。若灌浆出现压碎和屈服，则相对于灌 浆柱的锚索位移将会大的多。 锚索钢表面凹凸愈明显，灌浆的开裂愈显著。一般说来，随着施加荷载的增 加，结合应力的最大值移向锚杆的下端，以渐近方式发生滑动并改变着结合应力 的分布。随着锚索内施加荷载的增加，沿锚固长度以类似于摩擦桩的方式转移结 合应力。当锚固区内锚索全长都发挥了最大结合粘着力时，就要发生相对于灌浆 柱的锚索滑动，随着进一步的滑动，进而发挥摩擦阻力。假定结合应力的分布按 指数关系形式： 一生 f x 2 t o p 4 ( 2 i ) 式中：为距锚固顶端x 处的结合应力；0 为锚固顶端处的结合应力；d 为 锚索直径；a 为锚索中结合应力与主应力有关的常数。 沿锚固长度l 积分，应用边界条件，施加于锚杆的荷载p 为 ，= 型( 2 - 2 ) 锚索的埋设长度愈短，愈能发挥结合阻力。锚固长度必须使发挥的结合应力 平均值有足够的储备，以保证锚索灌浆交界面不发生结合破坏。为了发挥结合应 力，需要一定的转送长度来转移锚索中的荷载于灌浆。 2 1 5 灌浆与钻孔壁结合的力学机理 如长度为l 直径为d 的一个圆柱形锚固区，平均工作结合应力为f ，则锚杆 荷载p p = f t d l r ( 2 - 3 ) 假定灌浆体与钻孔壁的交界面上不存在局部剥离，则灌浆与地层的交界面上由剪 切产生破坏；于是在锚固的整个交界面上均匀分布着结合应力。事实上并非如此， 这些理想的假定不适用。地层钻成锚杆孔时，安装锚杆，灌浆以及旌加锚杆荷载， 相邻地面经受到一种很复杂的加载过程，相继出现的锚杆性能无疑地就与这个加 青岛理工大学工学硕士学位论文 载过程有关。一般来说，锚杆孔的粗糙度，岩土介质的强度控制着破坏面，同时 亦受在紧靠锚杆孔附近的施工工作引起地层的改变的影响。打孔首先引起应力释 放和机械的扰动，在灌浆阶段更要出现很复杂的应力变化。在灌浆凝结期间，液 体由灌浆向周围地层以及由地层向凝固了的灌浆体流动，由于自然界存在种类繁 多的地层，这样的流动就使灌浆和地层之间的交界面远远没有弄清楚。在锚杆负 载时，从灌浆柱到地层的应力转移，是以径向应力和剪应力的形式出现，但破坏 发生在何处是不确定的孤3 4 3 8 1 ，在进入地层内某一段距离，或在交界面上，这 取决于交界面和相邻地层的相对强度。当地层是坚硬岩石时，破坏出现在灌浆体 与岩石的交界面上，甚至于在灌浆体中。若为较软的地层，如软岩或硬粘土，破 坏会进入地层内一段距离( 大约几毫米) 。由于交界面具有脆性，破坏通常出现在交 界面上，对于锚固长度大的锚杆剥离现象特别明显。 2 1 6 锚杆的失效 锚杆通常有五种失效方式： ( 1 ) 杆体钢筋拉断。这种失锚现象约占2 ，主要表现：锚杆杆体材质差，不能 承受围岩应力而断裂，常出现在杆体尾部丝扣段，采用车丝法加工丝扣时，破坏 杆体的结构，致使丝扣段易产生应力集中而断裂。采用滚丝法加工丝扣，或对该 段进行热处理，是防止该失效的有效措施。 ( 2 ) 托板失效。这种失锚现象约占5 6 ，有3 种情况：托板材质差碎裂失效； 托板尺寸、厚度达不到设计要求；强度降低变形失效；托板与杆体脱离失锚。托 板可能受到的最大压力就是锚杆的最大拉拔力，为了提高托板承载力，可增大托 板厚度，或采用高强度的钢材。 ( 3 ) 螺母失效失锚 螺母失效失锚约占5 ，主要表现：螺母扭力太小、扭矩不够，托板不能紧贴 岩面( 预紧力小) 失锚。 ( 4 ) 粘结破坏。粘结失效约占4 8 ，这种破坏有三种情况：丑锚杆粘结剂接触 面破坏；b 围岩粘结剂接触面破坏；c 破坏面深入到围岩体内几个毫米，常发生在 软弱围岩，一般软岩的抗剪强度小于7 m p a ，粘结剂与围岩的粘结强度为 5 - 1 6 m p a ，粘结剂与杆体粘结强度为6 7 3 1 6 7 m p a 。采用树脂锚固剂，增加锚 固长度，可有效防止粘结破坏。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 锚空失效。大量工程实践表明【3 9 4 3 1 ，由于局部围岩破坏造成的锚空失效是 锚杆失效的主要形式。锚杆或锚喷支护深基坑，由于岩土荷载及岩土介质的不均 匀性，常发生局部破坏，导致锚杆切向锚固力迅速丧失，径向锚固力( 托锚能力和 粘锚能力) 也大幅度降低，从而引起更大范围的破坏。在喷锚支护中设置格构梁及 钢筋网面层时，局部破坏被护表构件所抑制，锚空失效会得到有效控制。 此外，爆破、重型机械和地震力发生的冲击引起的锚杆预应力损失量，较之 长期静荷载作用引起的预应力损失量可能大得多。潮汐、风荷载等变异荷载，对 保持锚杆预应力和锚固体的锚固力，都具有不利影响。 2 2 锚杆无损检测理论 2 2 1 应力波在锚杆中的入射、反射、透射h 4 。4 7 l 由一维弹性波理论可知，当杆中某一截面面积或材料性质发生改变时，入射 波将在该截面处发生反射和透射，其反射和透射波的大小与截面面积和波阻抗相 对变化的程度有关。 i毛一i 山岛p i 蔫厩i 焉i i 睦匿 图2 2 变截面杆中的入射波、反射波和透射波图2 3 应力波传播示意图 当锚杆头受瞬态力激振后，引起锚杆头质点振动，并以应力波的形式向杆底 传播。当波在均匀介质中传播时，波的传播速度，幅度和类型均保持不变；但当 波在不均匀介质( 波阻抗发生变化) 中传播时，它将产生反射、透射或散射现象，波 的强度将发生突变，导致扰动能量重新分配，一部分能量穿过界面向前传播为透 射波，而另外一部分能量反射回原介质，称为反射波。在实际工程中透射波不易 测得，但反射波可在其传至锚杆顶时由安装于锚杆顶的传感器( 加速度计或速度计) 测得。由于反射波携带锚杆体内的信息，利用反射波内所含的信息，就可以对锚 杆的锚固质量进行分析。 与变截面杆相类似，在锚杆体系中如图2 3 ，锚杆、砂浆和围岩三者之间浇灌 均匀密实时，应力波的能量大部分透射到围岩体中，只有小部分能量反射回来， 且反射信号极有规律。当砂浆浇灌不均匀、密实时，在砂浆中出现空穴，在空穴 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 处将出现不同程度的波阻抗变化面。表现在原有的信号中迭加了强度不同的反射 信号威在不应出现反射波处有反射信号，根据反射波位置和反射信号的强弱，就 可以确定锚杆锚固质量并为其分级。图中i ，r ，t 分别表示应力波的入射波、反射 波和透射波。p ，v ，a 分别为介质的密度、波速和截面积。 根据应力波理论，波阻抗比力2 差羞2 昙( 2 - 4 ) 反u ，a不 z 为波阻抗，由连续性条件和牛顿第三定律得到反射系数口( 反射波的振幅与入射 波的振幅之比) 由下式决定 ( 伊) 2 嚣寿等= 高( 2 - 5 ， 式中矿为反射波与入射波的相位差，而透射系数由下式决定 ：j 孕警了( 2 - 6 ) 。 岛屿4 + 一q 4 由此看出，总是正值，即入射波与透射波总是同号的。口的正负视n 的大 小而定，它存在以下三种情况 4 s - 5 0 】： ( 1 ) 如果岛呸4 岛u 1 4 ，即波从波阻抗大的介质进入波阻抗小的介质时，则有 c o s ( 矿) = - 1 ，即妒= 7 ，有相位差，存在半波损失。对于被锚固剂握裹的锚杆，在 握裹段的下界面，可近似认为沿杆体轴向广义波阻抗减小，这时反射波相位与入 射波相位相反。由于反射波被传感器接受的方向是反射波再一次在杆顶的反射， 故被传感器记录的锚杆