（水工结构工程专业论文）压力（分散）型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟.pdf

y7 7 8 7 6 2 堕删查堂堡主兰篁堡兰 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 水工结构工程专业 研究生李国正指导教师陈新 摘要 预应力锚索技术是近年来发展最快，应用最广的边坡防护技术之一。压力 ( 分散) 型锚索因其结构新颖，受力合理，施工便利，可靠性强，耐久性好等 优点，有逐渐取代传统拉力型锚索的趋势，因此对这类新型锚索( 体系) 锚固 作用的研究，具有重要的理论意义和应用价值。 本文依托于宜水高速公路高陡边坡危岩治理工程，采用现场试验和数值模 拟相结合的方法，着重研究了在侏罗系砂质泥岩地层中，压力( 分散) 型锚索 锚固力、应变和位移的分布规律，明确了中、小吨位锚索的有效锚固长度、承 载力、群锚间距和预应力损失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。 文中首先在分析现场试验条件的基础上制定了锚索试验的张拉、测试方案 以及相应的质量控制和安全措施。然后采用循环加、卸载方式，分别在路堑平 台和边坡上进行了压力型、拉力型锚索的多方案对比试验和压力分散型锚索的 原位试验。根据对试验数据的整理、计算和分析，得出了压力型锚索锚固段砂 浆体压应变沿程分布规律，各型锚索锚头位移与锚固力的变化规律，平台试验 锚索地面位移的分布规律，边坡试验锚索锚固力随时间的变化规律，压力型与 拉力型锚索的承载力及破坏方式等，为研究压力( 分散) 型锚索的锚固机理， 确定锚索的锚固特征参数提供了实测依据。同时应用大型通用有限元分析软件 a n s y s 对3 根压力型锚索进行了三维有限元分析，得出了锚固段砂浆体应变 和应力，地面位移和应力的分布情况，并将计算成果与试验成果进行了对比分 析。另外，以边坡锚索原位试验为例，总结了压力分散型锚索的施工工艺和质 量检测措施，提出了推荐张拉工艺。 ：8 i 墓 、 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 现场试验和数值模拟成果分析表明：锚固段长度为2 m 4 m 的压力( 分 散) 型锚索实测最大弹性工作荷载为7 3 4 k n 1 1 5 1 k n ，可达到钢绞线强度标准 值a ：的5 5 6 0 。与传统拉力型锚索相比，压力( 分散) 型锚索受力更 合理，设计承载力更大，钢绞线强度利用更充分；压力( 分散) 型锚索锚固 段砂浆体轴向应变以承压板为界，上侧受压、下侧受拉。受压区的压应交沿程 衰减较快，实测压力型锚索的有效锚圆长度不超过2 4 0 c m ，说明压力分散型锚 索相邻承压板之间的距离按不小于2 4 0 c m 设计是合适的；压力( 分散) 型锚 索的破坏过程是渐进的，比拉力型锚索更安全可靠。压力( 分散) 型锚索单 锚的变形影响范围是1 5 0 c m 2 0 0 c m ，表明群锚间距按4 0 0 c m 设计是合适的： 压力分散型锚索的预应力损失仅占张拉锁定锚固力的2 5 。 关键词：压力( 分散) 型锚索承载力 锚固单元间距群锚间距 预应力损失 i i 婴查兰堡主兰堡堡兰 f i e l dt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e i n f o r c e m e n te f f e c t o np r e s s u r e ( d i f f u s i o n ) a n c h o rc a b l e h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g ，c o l l e g eo fw a t e rr e s o u r c ea n dh y d r o p o w e r ， s i c h u a nu n i v e r s i t y p o s t g r a d u a t e ：l ig u o z h e n g a d v i s o r ：c h e nx i n a b s t r a c t p r e s t r e s s i n ga n c h o rc a b l et e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tr a p i d l yd e v e l o p e da n d w i d e l yu s e dt e c h n i q u e si ns l o p ep r o t e c t i o ni nr e c e n ty e a r s p r e s s u r e ( d i f f u s i o n ) a n c h o rc a b l eh a sg r a d u a l l yt a k e nt h ep l a c eo ft r a d i t i o n a lt e n s i l ea n c h o rc a b l ed u et o i t sn o v e ls t r u c t u r e ，r e a s o n a b l eb e a r i n gl o a d ，e a s yc o n s t r u c t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n d g o o de n d u r a n c e i th a sb o t hg r e a tt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yo n r e i n f o r c e m e n te f f e c t o f t h i sn e w t y p eo f a n c h o r c a b l es y s t e m i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r o j e c ty i s h u te x p r e s s w a yh i 曲一s t e e ps l o p ec r a g r e i n f o r c e m e n t ，d i s t r i b u t i o no fa n c h o rf o r c e ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n to fp r e s s u r e ( d i f f u s i o n ) a n c h o rc a b l ei nj u r a s s i cs a n d s t o n e - m u s k e gs t r a t u mi ss t u d i e da n dt h e r a n g eo fc h a r a c t e r i s t i cv a l u eo fa n c h o rw h i c hi sm i d d l eo rl i t t l et o n n a g ei n c l u d i n g v a l i da n c h o rl e n g t h ，c a r r y i n gc a p a c i t y , s p a c eb e t w e e ng r o u p so fa n c h o r s ，t h el o s so f p r e s t r e s s i n gf o r c ea n de t ei sm a d ec l e a ra n dr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fs o f tc r a g r e i n f o r c e db yp r e s s u r e ( d i f f u s i o n ) a n c h o rc a b l ei sr e v e a l e dw i t ht h em e t h o do ff i e l d t e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h es c h e m e so fl o a d i n ga n dm o n i t o r i n ga n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sf o r q u a l i t ya n ds a f e t yc o n t r o la r em a d e o u tb a s e do nt h ea n a l y s i so ff i e l dt e s tc o n d i t i o n i nt h ef i r s tp a r to f t h i sp a p e r a f t e rt h a t ，m u l t i - s c h e m e sc o m p a r i s o nt e s t sf o rp r e s s u r e a n dt e n s i l ea n c h o rc a b l e si np l a t f o r ma n ds l o p ea n dt h ep r o t o t y p et e s tf o rp r e s s u r e d i f f u s i o na n c h o rc a b l ea r ec a r r i e do u tb ym e a n so fr e p e t i t i o nl o a d i n ga n du n l o a d i n g b a s e do nt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ef i e l dt e s td a t u m ，t h er e s u l t sa r e i i l 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 p r e s e n t e di n c l u d i n gs t r a i nd i s t r i b u t i o na l o n ga n c h o rs e c t i o no f p r e s s u r ea n c h o rc a b l e ， d i s p l a c e m e n ta n da n c h o rf o r c ev a r i a t i o ni ne v e r yt y p eo ft e s ta n c h o rc a b l e ，s u r f a c e d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no fa n c h o rp i e ri np l a t f o r m 。v a r i a t i o n o fa n c h o rf o r c ea l o n g w i t ht i m e ，c a r r y i n gc a p a c i t ya n df a i l u r em o d ef o rp r e s s u r ea n dt e n s i l ea n c h o rc a b l e s a n ds oo nw h i c hp r o v i d ep r a c t i c a le v i d e n c ef o rs t u d yo nr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m o fp r e s s u r e ( d i f f u s i o n ) a n c h o rc a b l ea n dc o n f i r m i n gt h ea n c h o rc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s t h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st op r e s s u r ea n c h o rc a b l e si s c a r r i e do u tb yu s i n ga n s y sa n dt h er e s u l t ss u c ha sd i s t r i b u t i o no fs u r f a c e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sa sw e l la ss t r a i na n ds t r e s sa l o n ga n c h o rs e c t i o na r ep u t f o r w a r da n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d 晰t ht e s tr e s u l t s i na d d i t i o n c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yt e s tm e a s u r ef o rp r e s s u r ed i f f u s i o na n c h o rc a b l e a r es u m m a r i z e da n dr e c o m m e n d e dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea r ep u tf o r w a r d t h er e s u l t so ff i e l dt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h a t t h et e s t m a x i m u me l a s t i cl o a d so n2 mt o4 mp r e s s u r ea n c h o rc a b l e sc a nr e a c h7 3 4 k nt o 1 1 5 1 k n ( 5 5 t o6 0 a f p t k ) ，w h i c hp r o v e st h a tp r e s s u r ea n c h o rc a b l ec a nc a r r y h i 曲e rl o a dt h a nt e n s i l ea n c h o rc a b l e ； s t r a i nd i s t r i b u t i o na l o n gt h ea n c h o rs e c t i o n i sd i v i d e db yl o a db o a r da n dp r e s s u r es t r a i ni so nu p p e rs i d ew h i l et e n s i l es t r a i ni s o nt h eb o t t o m t h ea t t e n u a t i o no fp r e s s u r es t r a i na l o n ga n t h e rs e c t i o ni sr a p i da n d t e s tv a l i da n c h o rl e n g t hi sl e s st h a n2 4 0 c ma n di ti ss u i t a b l ef o rp r e s s u r ed i f f u s i o n a n c h o rc a b l et oc o n t r o lt h ed i s t a n c eb e t w e e nn e i g h b o r i n gl o a db o a r d sw i t h i n2 4 0 c m ； t h ef a i l u r ep r o c e s so fp r e s s u r ea n c h o rc a b l ei sg r a d u a lw h i c hm a k e si ts a f e ra n d m o r er e l i a b l et h a nt e n s i l ea n c h o rc a b l e ； i ti ss u i t a b l ef o rt h es p a c eb e t w e e n g r o u p so fa n c h o rc a b l e st ob es e ti n4 0 0 c mb e c a u s et h et e s td e f o r m a t i o nr a n g eo f s i n g l ea n c h o rc a b l ei s 15 0 c mt o2 0 0 c m ； t h el o s so fp r e s t r e s s i n gf o r c ei so n l y 2 5 o f t h ea n c h o rf o r c ei nt h et i m eo f h a u l i n ga n dl o c k i n g k e y w o r d s ：p r e s s u r e ( d i f f u s i o n ) a n c h o rc a b l ec a r r y i n gc a p a c i t y s p a c eb e t w e e na n c h o ru n i t s t h el o s so f p r e s t r e s s i n gf o r c e s p a c eb e t w e e ng r o u p so f a n c h o rc a b l e s 四川大学硕士学位论文 1 前言 1 1 岩土工程锚固技术的发展历史及现状 岩土工程中的锚固技术，能合理调用岩土的自身强度和自稳能力，简化结 构体系，减少结构体积，减轻结构自重，提高结构物的稳定性，并有少占地， 安全施工，缩短工期，降低造价的优点，因而，它在国内外发展迅速，应用范 围十分广阔【lj 。 对于岩土锚固技术的应用和研究，已有1 0 0 多年的历史。据文件记载f 2 】【3 】， 早在1 8 9 0 年，在北威尔士的煤矿加固工程中首先开始用钢筋加固岩层：1 9 1 0 1 9 1 1 年期间，美国在煤矿巷道和其他岩石矿山中应用锚杆支护顶板；1 9 1 8 年 在西利西安矿山开采中应用了锚索支护；但预应力锚索真正得到应用始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 4 年，法国在阿尔及利亚的舍尔法( c h e u r f a s ) 混凝土大坝 加高和缺陷处理工程中首次应用了3 7 根1 0 0 0 k n 的预应力锚索；1 9 5 7 年，前 联邦德国鲍尔公司在深基坑中应用了土层锚杆。此后，岩土锚固技术迅速发展， 现已普及到世界各国的露天矿场的边坡加固、地下开采硐室的支护、水利水电 工程中的坝基加固、高边坡的稳定加固、土木建筑工程中的深基坑支护等各个 领域。据不完全统计，目前国外的各类岩石锚杆已达6 0 0 余种；锚杆年使用量 超过2 5 亿根。 从2 0 世纪5 0 年代后期起，我国开始在矿山巷道中使用锚杆支护。1 9 6 4 年在梅山水库连拱坝左、右坝窟加固中，首次使用了预应力锚索，对出现偏斜 和裂缝的右岸坝基采用了长3 0 4 0 m 的预应力锚索加固。每根杆体由1 2 3 根中 5 钢丝组成，每孔最大张拉荷载达2 4 0 0 k n 或3 2 4 0 k n 。加固后坝基抗滑稳定系 数由o 9 5 提高到1 0 5 ，并减少了剪切变形，保证了大坝的正常工作。1 9 8 6 年 在重庆松澡矿务局金鸡岩滑坡治理中，应用了锚索抗滑桩技术并取得了成功。 2 0 世纪9 0 年代以来，锚索已应用于铁路、公路滑坡及高边坡治理中。大规模 的边坡锚固工程，当始于漫湾水电站。在漫湾水电站的左岸滑坡治理工程中， 于1 9 9 0 1 9 9 2 年对左岸成功布设了2 0 0 0 余根3 0 0 0 k n 级的预应力锚索。该工 程实践极大地促进了我国岩土锚固技术的发展。随后，锚固技术开始在我国韵 压力( 分敞) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 矿山、冶金、水电、交通及土木建筑等领域内推广使用，其应用范围从坚硬稳 定岩石发展到松软破碎岩体，由小巷道发展到大跨度硐室，由静荷条件发展到 动荷条件，由基建工程发展到工程抢险和结构补强等。近几年来，我国岩土锚 固工程的发展尤为迅速，几乎触及土木建筑领域的各个角落。岩土锚固工程技 术已在大量边坡加固和治理工程中很大程度上取代了传统的浆砌片石式挡墙 或重力挡墙结构；在相当数量的深基坑工程中取代了水平横撑式支挡结构；在 几乎所有采用矿山法施工的地下工程中取代了分布开挖木支撑式临时支护结 构。在深基础工程、抗浮结构工程、大坝加固工程、公路拓宽工程以及悬索桥 的锚固等工程中，岩土锚固工程技术的优势也得到了充分发挥，并已在各类工 程中广泛采用，如三峡链子崖危岩体高边坡治理工程，二滩水电站地下峒室工 程，黄河小浪底水利枢纽地下厂房工程，北京东方广场深基坑工程，三峡永久 船阑边坡工程，南昆铁路八渡车站大面积滑坡治理工程，大瑶山长大铁路隧道 复合式衬砌支护工程，以及国家大剧院深基坑工程等大型岩土锚固工程等。 回顾岩土工程预应力锚索发展的历史大致经过以下几个过程【4 】： 1 第一代有粘结无保护预应力锚索： 这一类型锚索体系由内锚固段、自由段和外锚固段组成。自由段的钢绞线 用油脂保护，由于其防锈可靠性较差，几乎所有的工程最后都通过灌浆将自由 段封死，因而此类锚索最终变为有粘结无保护型。但这类锚索体系存在着以下 缺陷： ( 1 ) 抗腐蚀性差。由于锚索和内锚固段全部在裸露状态下被回填砂浆充填 包裹，一旦回填砂浆体开裂，则在水的浸蚀下锚索极易锈蚀。 ( 2 ) 锚固变形适应能力差。由于自由段用砂浆灌满，锚索无法随岩体变形， 失去了自由调整的能力，降低了对边坡加固的效果。 ( 3 ) 锚索质量难以保证。此类锚索因需要形成1 个预张拉的内锚头，故难 以在向上打的钻孔中布置内锚头；同时。由于内锚头是在无压状态下形成的， 故难以保证其注浆的密实性。根据调查，约有1 0 的锚索内锚头存在或多或少 的注浆不密实的质量问题。 2 第二代无粘结双层保护锚索 第二代锚索采用填充防锈油脂的聚氯乙稀套管保护钢绞线，内锚固段和自 四川大学颈士学位论文 由段一次灌浆；同时内锚固段还用波纹套管保护，以达到全程防水效果。此类 锚索弥补了第一代锚索的如下缺点： ( 1 ) 防腐能力强。由于该类锚索钢绞线全程被防锈油脂和套管包裹，能有 效的隔绝水和空气，使钢绞线免受腐蚀。 ( 2 ) 由于钢绞线为无粘结形式，不与胶结介质直接接触，所以能在套管内 自由移动。使整个锚索体系可随着岩体变形，达到内力调整的目的。 ( 3 1 打上仰孔和保证注浆密实的问题也相应获得解决。 3 压力型和分散型无粘结新型锚索 研究表明p 】，锚索的内锚头在受拉时将在某一段内产生应力集中，同时内 锚头在拔出时产生的剪胀会导致内锚段砂浆体开裂破坏。若采用压力型或分散 型的内锚头，则可以改善内锚段的应力状态，提高内锚段的可靠性，从而为减 少内锚段的长度创造条件。 压力型和分散型锚索由于受力机制较拉力型锚索合理因而在同等条件下 的承载力更大。但是目前国内有关压力( 分散) 型锚索在岩土锚固工程中锚固 作用的具体研究及紧密结合工程实际开展的理论研究少见有报道。 1 2 压力( 分散) 型锚索锚固作用研究的目的和意义 对于高边坡的支护处理，预应力锚索是一种有效的支护措施，已在国内外 各类工程高边坡治理中广泛使用。为了使预应力锚索支护效果满足边坡的安全 稳定经济要求，选择适宜的锚索形式显得非常重要。 预应力锚索的结构形式多种多样，根据o v m 对锚索内锚固段受力状态提 出的分类【5 j i6 1 ，预应力锚索基本可分为拉力型锚索、压力型锚索和荷载分散型 锚索。其中荷载分散型锚索又可分为拉力分散、压力分散和拉压分散型锚索。 传统的预应力锚索，即前述的第一和第二代锚索，均采用拉力型结构，该 结构尽管施工容易，造价较低，但是其内锚段由于受力不合理，上部浆体易开 裂，特别是不能充分利用岩体的力学传递性能，因此锚固效果不理想【7 1 。一种 能初步改善岩土力学传递性能的锚索结构为压力型锚索结构。该种锚索结构的 特点是利用设在锚固端孔底部的承压板将无粘结锚索拉力转化为砂浆体的压 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 力，并将压力传递给岩土体。无论是砂浆体还是岩土体的受压性能均远远大于 其受拉性能，因此它的整体受力性能优于拉力型锚索。拉力分散型，压力分散 型和拉压分散型锚索可以看作由多个拉力型和压力型锚索按某种要求组合在 一起，共同发挥作用的结果，它能改善拉力型或压力型锚索预应力过于集中地 通过唯一的一个锚固段砂浆体传递给岩土体，由于应力过大容易造成该段砂浆 体或岩土体的破坏的弱点，使预应力分散在若干个承载体中，这样在总预应力 不变的前提下，减小了每段岩土体的应力值，充分发挥和利用了岩土体的整体 力学性能。 压力型及分散型锚索取代传统的拉力型锚索是预应力锚索技术发展的趋 势。目前在各类边坡治理，地下工程及深基坑支护等工程中最常用的新型锚索 结构形式为压力分散型。由于该锚索结构新籁，受力桃理复杂，使得对它的理 论研究滞后于应用研究，通常在设计中保守的将锚固荷载设计为锚索钢绞线标 准强度或条件屈服限的5 0 左右，锚固单元间距不小于4 m ，锚索间距根据工 程惯例一般取4 m 6 m 1 8 1 ，这样就没有充分利用材料的强度并发挥出最大的锚 固性能。 将数值分析成果与试验成果相互印证来进行岩石锚固机理的探索是科学 研究中常用的方法。由于仅仅依靠地质勘测和室内岩土力学试验难以模拟现场 环境下岩石土体的本构关系及特性参数、地应力场、施工中开挖卸荷、钻爆振 动及车辆荷载等因素，也就难以仅凭室内试验获得预应力锚索对岩石加固的作 用机理和特点。依托工点开展预应力锚索现场试验，可弥补室内试验的不足， 能获取与实际工况更相近条件下锚索( 体系) 的力学特性参数，为压力( 分散) 型锚索锚固机理的研究提供确凿的数据资料。 探索在川南有代表性的工程地质条件下压力( 分散) 型锚索的受力特点及 锚固作用对于提高预应力锚索设计水平，增强锚固可靠性，安全性并节省工程 材料，降低造价都有现实意义。 1 3 本文的主要内容 本文依托宜水高速公路边坡加固工程在侏罗系泥岩地层平台和砂岩边坡 四川大学硕士学位论文 上进行了不同锚固段长度、不同直径的压力( 分散) 型锚索和拉力型锚索现场 对比试验，通过在试验锚索锚固段内布置应变计，直接测定了锚索砂浆体压应 变沿锚索长度的变化规律、锚头位移与锚固力变化规律、试验锚索周围地面位 移分布规律以及锚索预应力损失曲线等，通过试验研究了压力分散型锚索的制 作施工工艺和质量检测措施。主要内容如下： ( 1 1 以分级循环加、卸载的试验方法为指导，叙述了现场试验过程，并针 对压力( 分散) 型锚索施工过程中的重要环节提出了操作方法和质量控制措施， 以确保施工质量。 ( 2 ) 对拉力型和压力型锚索( 体系) 在相同条件下的屈服抗拉能力进行了 对比；同时对压力型锚索不同构造型式的锚固性能也作了比较，为适当提高锚 索设计荷载提供了依据。 ( 3 ) 对压力型锚索在循环加、卸载作用下锚固段砂浆体的应变分布规律及 变化趋势进行了监测和分析，获得了压力型锚索锚固段砂浆体压应变主要分布 区段的位置和长度，为合理调整压力分散型锚索锚固单元间距提供了依据。 ( 4 ) 对平台锚索在循环加、卸载作用下地表位移的分布及变化规律进行了 监测和分析，获得了在试验地质条件下单锥的变形影响范围，为合理设计群锚 间距提供了依据。 ( 5 ) 对边坡锚索自张拉锁定封锚开始。持续进行了6 个月的锚固力监测， 获得了锚固力随时间的衰减变化规律，为提出避免或减小锚索预应力损失的措 施提供了依据。 ( 6 ) 对3 根压力型锚索进行了抗拔破坏试验，得出压力型锚索在试验地层 以及类似软质岩层中的破坏方式及规律，为确保锚索的锚固效果和安全施工提 供了参考。 ( 7 ) 利用有限元分析软件a n s y s ，对长度为2 m 、3 m 和4 m 的压力型锚索 在试验最大荷载下的应力、应变及位移进行了数值模拟，并通过对比分析计算 成果与试验成果，验证了试验成果及试验方案的合理性。 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 2 现场试验概述 岩石锚固技术已经成为边坡加固的重要手段，在世界范围内获得迅速广泛 的运用。预应力锚索技术在岩石锚固技术中的地位已日渐突出，并逐步取代岩 石锚杆，成为岩石边坡加固的首选方式1 9 “。由于目前国内在边坡加固工程中 已经比较广泛的采用压力分散型锚索，而该项技术的理论水平还不太成熟。现 场试验是研究压力分散型锚索锚固技术的重要手段和方法，是单纯室内试验及 数值计算方法不可替代的。 依托在建的宜水高速公路金沙江大桥南岸左侧危岩处治工程，在试验平台 和工程边坡上进行了锚索现场试验。 2 1 试验场地概述 现场试验地点位于宜水路c 合同段与d 合同段交界处( c d 合同段桩号为 k 1 1 9 + 9 8 0 4 1 ) 靠d 段内，桩号k 1 2 0 + 0 5 0 0 0 附近。试验场地分为两处，处 为c d 合同段交界处d 段内路基边坡开挖后形成的矩形平台内( 以下简称试 验平台) ：另一处为从试验平台往水富方向5 0 m 左右的边坡砂岩危岩体( 以下 简称试验边坡) 。试验场地如图2 - 1 图2 。2 所示。 试验区地层以沉积岩为主，除泥盆系、石炭系和志留系上统缺失外，从古 生界寒武系到新生界第四系均有出露，为白垩系和侏罗系红层广泛分布区。主 要沉积环境为中生界侏罗系和白垩系红色河湖相沉积，岩性以砂岩和泥岩为 主，砂岩和泥岩呈互层状产出，岩相厚度变化较大，岩层易于风化剥蚀。 试验平台由宜水高速公路路基金沙江右岸侧边坡开挖形成，见图2 一l 所示。 其地层岩性为侏罗系中统沙溪庙组泥岩，以紫红色为主，中厚层状构造，局部 夹灰白色钙质胶结粉砂岩条带与砂岩呈互层状产出。泥岩中构造裂隙不发育， 岩体较为完整。浅表部的强风化泥岩破碎层已被开挖去除。 四川大学硕士学位论文 图2 - 1 试验平台图 图2 - 2 试验边坡图 ，7 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验发数值模拟 试验边坡的地层岩性为侏罗系中统沙溪庙组砂岩，如图2 2 所示。砂岩呈 灰白色或灰褐色，中细粒结构。厚层状构造，单层厚4 1 0 1 7 3 0 m 。顶部分布 有厚约1 9 0 m 的强风化砂岩，完整性较差，危岩陡崖部位发育有两组构造裂隙， 其中一组顺坡体走向且陡倾坡外，另外一组与坡体走向正交并近于直立。位于 弱风化带的砂岩完整性好，裂隙不发育，物理力学特性较好。 由于泥岩具有遇水崩解、失水干裂性质，试验中需要注意边坡开挖松弛卸 荷和降水等对泥岩风化的恶化作用。首先人工清理去除试验平台表面开挖后覆 盖的泥岩松散层，然后浇筑一层薄水泥砂浆以封闭平台表面，防止表层泥岩继 续风化，再用脚手架钢管搭建试验棚，棚顶铺设塑料薄膜，以保持试验场地干 燥。 2 2 试验规划 如前所述，根据o v m 对锚索的分类为：拉力型锚索、压力型锚索、荷载 分散型锚索，其中荷载分散型锚索又分为拉力分散型、压力分散型和拉压分散 型锚索。本次试验锚索类型为拉力型、压力型和压力分散型。 图2 - 3 试验平台锚索布置图 四川大学硕士学位论文 试验共布置9 根锚索，编号分别为i 型、i i 型、i i i 型和型。试验平台布 置7 根，即i i 型、i i i 型和型，其中，i i 型和型各2 根，i 型3 根。各根锚 索均匀分散布置于试验平台内，间距为5 0 0 c m ，平台锚索分布情况如图2 3 所 示。试验边坡布置2 根锚索，包括i ( 上) 型和i ( 下) 型2 根( 位于砂岩危 岩体靠山顶的锚索为i ( 上) 型) ，它们与工作锚索构造、工作环境相同，如 图2 4 所示。 图2 4 试验边坡锚索布置图 平台锚索1 l 型、i 型和型的锚孔深度分别为2 0 0 c m ，3 0 0 c m 和4 0 0 c m ， 钢绞线束数分别为4 柬，6 束和8 束。i i 型、i i i 型和型试验锚索具体又分为 1 i a 型、i i b 型、i l i a 型、i l l b 型、l i l t 型、i v a 型和i v c 型。其中a 型表示在锚 圃段埋设混凝土应变计的压力型锚索；b 型表示不设混凝土应变计，在锚固段 承压板附近增设螺旋筋的压力型锚索；c 型表示拉力型锚索。i ia 型锚索孔径 为1 3 5 r a m ：i i b 型锚索孔径为1 3 0 r a m ，i i i a 、i l i b 、i i i e 型和i v c 型锚索孔径均 为1 5 0 m m ：i v a 型锚索孔径为1 5 5 m m 。边坡锚索i ( 上) 和i ( 下) 型的锚孔 深度分别为3 0 m 和2 0 m ，孔径均为1 5 0 m m ，钢绞线束数都为4 束。 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 2 3 试验锚索构造 试验锚索包括压力型、压力分散型和拉力型3 种，共9 根。各根锚索的特 征见表2 1 所示。 压力型锚索( i i a 、i i b 、i i i a 、i i i b 和i v a 型) 主要由外锚头、张拉段、锚 固段构成。外锚头主要由工作锚、夹片、钢板、混凝土锚墩构成；张拉段为无 粘结钢绞线( 在钢绞线外涂一层去水黄油与石蜡的混合物，然后用高密度聚乙 烯材料( p e ) 挤塑成形) ：锚固段由承压板，固定端p 锚、高强度钢绞线、水 泥砂浆、导向帽及定位环等构成i l “。 表2 - 1 试验锚索特征表 位置平台锚索 边坡锚索 类型压力型拉力型 压力分散型 ii 编号 i i ai i bi i i a i bi v ai ci v c ( 上) ( 下) 长度m 2233434 3 02 0 螺旋筋y n yy n nnn n 应变计y n yyy nn 承压板块111ll 22 压力分散型锚索结构与压力型相似，不同之处在于压力型锚索通过一块位 于锚固段远端( 远离锚索孔口的那端) 的承压板将锚固荷载传递到与其接触的 砂浆体中；压力分散型锚索则通过两块或多块彼此独立的承压板将锚固荷载分 散到内锚段砂浆体中。 拉力型锚索也由外锚头、张拉段、锚固段构成。外锚段与压力型类似。张 拉段由高强度钢绞线构成，锚固段由钢绞线，水泥砂浆、导向帽及定位环等组 成。锚固段的钢绞线被水泥砂浆体包裹。各型锚索结构简图如图2 5 所示。 锚索材料的好坏直接影响到锚索的性能，影响锚索性能的主要材料为钢绞 线、锚固体系和胶结材料。 四川大学硕士学位论文 芦产 产产 -粕 v o 一，：，一_ 一一- -掣 ( a ) 压力型锚囊拮构倚图： 产产产产j南 r y ! ，! ) ；o 。j ，- t w ：l t - , 1 l ：， 州。，：，- 二、 掣 拉力型锚索粘柏幅圃： i p l 譬i2 晕夔援。 一无粘结懵铰线 t 冰泥砂浆体， 5 锚囊孔；6 定位环，锚堪i8 锚岳j9 一目铰挂 图2 - 5 各型锚索结构简图 钢绞线采用柳州欧维姆建筑机械有限公司生产的符合a s t m 4 1 6 - - 9 4 标准 强度等级为2 7 0 级1 7 h , l , j 1 5 2 4 - 1 8 6 0 m p a 高强度低松弛无粘结预应力钢绞 线，其力学性能指标见表2 - 2 。 表2 - 2 钢绞线主要力学性能指针表 公称抗拉 强度等级 公称直径r a m直径偏差m m公称面积m m 2 强度v l p a + 0 ，6 6 1 8 6 0 m p a1 8 6 01 5 2 41 4 0 2 8 m 1 s 公称m 重 屈服荷载最小破断荷载延伸率，( l o 松弛率 k g k m 瓜n戊n6 1 0 m m )( 0 。7 g ，u t 。s 1 0 0 0 h ) 1 1 0 22 4 5 02 7 2 73 5 ， 国际上享有声誉的预应力铺固体系有f r e y s s i n e t 、v s l 、d s l 、s t r o n g h o l d 体系等口”。我国的o v m 锚固体系符合f i p 的有关规范规定，锚固性能已达 到国外同类锚具水平。试验采用o v m 锚固体系，包括0 v m 圆锥形夹片组、 锚板、固定端p 锚等。 胶结材料通常采用水泥砂浆，要求高强，早强，可灌性强，浆液p h 值大 于1 2 5 ，且不含硫化物、氯化物等对钢绞线有害的杂质 1 1 。 压力( 分散) 型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟 2 4 锚索试验方案 2 4 1 锚索施工 通常预应力锚索主要的施工工序有：定孔位一架钻机一钻孔一编索一送索 一注浆一养护一外锚头安装一张拉一超张拉锁定一注浆封锚【2 2 2 6 1 。 2 4 2 试验张拉方案 试验张拉为分级循环张拉，设计张拉最大荷载为使锚索钢绞线应力达到其 公称抗拉强度值的0 8 倍，即：0 8 a f p t k ，并按照o 9 a l p t k 控制。 试验采用由1 5 2 4 r a m 的无粘结低松弛预应力钢绞线，其公称面积 a = 1 4 0 2 8 删n 2 。弹性模量e = 1 9 5 1 0 5 m p a ，抗拉强度标准值c k = 1 8 6 0 m p a ， 则钢绞线的抗拉标准值砥t k = 1 8 6 0 1 4 0 2 8 = 2 6 0 9 2 0 8 n ( a 为单根钢绞线的公 称面积) 。由n 束钢纹线构成的锚索抗拉标准值a f 瓠= n 晦0 c 。备型锚索不同荷 载级对应的荷载值见表2 3 所示。 表2 - 3 各型锚索载入荷载级及荷载值表 荷载级a 岛ki i 型k ni 型k n型 洲 1 0 1 0 4 3 71 5 6 5 52 0 8 7 4 2 0 2 0 8 7 4 3 1 3 1 04 1 7 4 7 3 0 3 1 3 1 04 6 9 6 66 2 6 2 l 4 0 4 1 7 4 76 2 6 2 18 3 4 9 5 5 0 5 2 1 8 4 7 8 2 7 61 0 4 3 6 8 6 0 6 2 6 2 1 9 3 9 3 l 1 2 5 2 4 2 7 0 7 3 0 5 81 0 9 58 71 4 6 1 1 6 8 0 8 3 4 9 51 2 5 2 4 21 6 6 9 8 9 9 0 9 3 9 3 11 4 0 8 9 71 8 7 8 6 3 1 0 0 1 0 4 3 6 81 5 6 5 5 22 0 8 7 3 7 四川大学硕士学位论文 试验采用分级循环张拉方法，以o v m - - z b 4 - - 5 0 0 型电动油泵输出控制油 压对大千斤顶和小千斤顶加载和卸载。由于各荷载级对应的控制油压的数值往 往不为整数，用油泵输出该油压难以准确操作，同时由于标定的误差，由油泵 输出的该油压使锚索测力计反映出的受力大小未必是相应的荷载级大小。所以 试验中为方便操作，加载和卸载均用油泵以整数油压输出，以测力计测量锚索 的受力大小。各荷载级对应的控制油压如下所述： 一、i i 型锚索加载循环流程如下： 第1 循环：4 m p a 一6 m p a 一8 m p a 一6 m p a 一4 m p a ； 第2 循环：4 m p a 一6 m p a 一8 m p a l o m p a 一8 m p a 一6 m p a 一4 m p a ； 第3 循环：4 m p a 一6 m p a 一8 m p a1 0 m p a 一1 2 m p a l o m p a 一8 m p a 6 m p a 一4 m p a ： 第4 循环：4 m p a 一6 m p a 一8 m p a 一1 0 m p a 1 2 m p a 一1 4 m p a 一1 2 m p a 1 0 m p a 一8 m p a 一6 m p a 一4 m p a ： 第5 循环：4 m p a 一6 m p a 一8 m p a 一1 0 m p a 1 2 m p a 一1 4 m p a 一1 6 m p a 一 1 4 m p a 一1 2 m p a 一1 0 m p a 一8 m p a 一6 m p a 一4 m ：p a ： 第6 循环：4 m p a 一6 m p a 一8 m p a 一1 0 m p a 一1 2 m p a 1 4 m p a 一1 6 m p a 一 1 8 m p a 一1 6 m p a 一1 4 m p a 一1 2 m p a l o m p a 8 m p a 一6 m p a 一4 m p a ： 二、i i i 型锚索加载循环流程如下： 第1 循环：4 m p a 一6 m p a 一9 m p a 一6 m p a 一4 m p a ； 第2 循环：4 m p a 一6 m p a 一9 m p a 1 2 m p a 一9 m p a 一6 m p a 一4 m p a ： 第3 循环：4 m p a 一6 m p a 一9 m p a 一1 2 m p a 一1 5 m p a 1 2 m p a 一9 m p a 一 6 m p a 一4 m p a ： 第4 循环：4 m p a 一6 m p a 一9 m p a 1 2 m p a 一1 5 m p a 一1 8 m p a 一1 5 m p a 1 2 m p a 一9 m p a 一6 m p a 一4 m p a ： 第5 循环：4 m p a 一6 m p a 一9 m p a 1 2 m p a 一1 5 m p a 一1 8 m p a 一2 l m p a 一 18 m p a l5 m p a 一12 m p a 一9 m p a 一6 m p a 一4 m p a ： 第6 循环：4 m p a 一6 m p a 一9 m p a 一1 2 m p a1 5 m p a 1 8 m p a 一2 i m p a 一 2 4 m