（水工结构工程专业论文）地下洞室预应力锚杆支护机理及设计参数确定方法研究.pdf

中文摘要 摘要 预应力锚杆支护作为一种高效、经济的洞室支护技术，已同益广泛地 应用于各类地下工程中。但是，山于锚杆与围岩问牛目互作用的复杂性，因 此直到目i i i 为止，对预应力锚杆支护机理和设计参数确定方法的研究仍处 于探索阶段，设计中依然沿用普通砂浆锚杆的设计方法，理论严踅滞后于 实际。 本文从围岩支护特征线理论出发，在预应力锚杆与普通砂浆锚杆的受 力特征、支护机理和支护效果分析的基础上，提出了预应力锚卡1 ：支护设计 参数的选用方法，并通过对不戴挚板砂浆锚杆、戴帮板砂浆锚杆和预应力 锚杆不同侧压系数下锚杆的轴力分斫i 、洞室收敛位移、圈岩应力场的室内 对比模型试验和现场原型观测试验，论证其设计方法的可行性。 预应力锚杆支护设计参数选用方法已应用于商南公路隧道的支护的设 中，并取得了良好的技术效果和巨大的经济效益。 关键词：预应力特征线锚杆支护应力场 a b s t r a c t a b s t r a c t b e i n gah i g he f n c i e n c ya n dg o o de c o n o i n i c a i l yc a v e r n s u p p o r t t e c h n i q u e s ，p r e s t r e s s e da n c h o rs u p p o r th a sb e e nw i d e l yu s e di n d i f f e r e n t u n d e r g r o u n dp r o j e c tb u t ，f o rc o m p l e x i t yo fi n t e r a c t i o n b e t w e e na n c h o rr o da n da d j o i n i n g r o c k ，i ti ss t i l li ne x p l o r i n gs t a g e a b o u tt h er e s e a r c ho fb o t hp r e s t r e s s e da n c h o rs u p p o r tm e c h a n i s m a n dv e r i f yd e s i g np a r a m e t e rm e t h o d t ot h ep r e s e n t ，i ti ss t i l lu s e n o r m a lm o r t a ra n c h o rd e s i g nw h o s et h e o r yi ss e r i o u s l yl a t ef o rt h e p r a c t i c e b e g i n n i n gw i t ht h e o r yo fa ( i j o i n i n gr o c ks u p p o r tc h a r a c t e r i s t i c c u r v e ， t h i s p a p e r b a s eo nt h e f o r c e b e a r i n gc h a r a c t e r ，s u p p o r t m e c h a n i s m ，a n a i y z er e s u l to fs u p p o r tb o t hp r e s r t e s s e da n c h o ra n d n o r m a lm o r t a ra n c h o r ， a n do f f e rt h em e t h o do fv e r i f y i n g d e s i g n p a r a m e t e ro fp r e s t r e s s e da n c h o rs u p p o r t t h e r e f o r e ，t e s tw i t hl o a d a n du n l o a dw a s h e rm o r t a ra n c h o r ， p r e s t r e s sa n c h o ri n d if f e r e n t c o e f f i c i e n to fc o n f i n e m e n tp r e s s u r e ，o b s e r v i n ga n c h o rr o d sa x i a l f o r c ed i s t r i b u t i o n ，c a v e r nc o n s t r i c t i o n d i s p l a c e m e n t ， a d j o i n i n g s t r e s sf i e l db o t hl a b o r a t o r yc o r r e l a t i o nm o d e le x p e r i m e n ta n di n s i t u o b s e r v a t i o n t h ed a t as h o wt h en e wt e c h n i q u eu s e di sa p p r o p r i a t e a sam o r ep r a c t i c ed e s i g n ，p r e s t r e s s e da n c h o rs u p p o r ti su s e d i ns h a n g n a nr o a dt u n n e lw h i c hp o s s e s s e sf i n et e c h n i c a le f f e c ta n d m o r ee c o n o m i cb e n e f i t ，s oi ti sb e i n gp a y e dm u c ha t t e n t i o nt 。a n d 】1 1 a d ew i d e1 l s eo f k e y w o r d s ： p r e s t r e s s c h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n c h o rr o d s u p p o r t s t r e s sf l e l d 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 岩土工程所面临的对象是极其复杂的地质体。这些复杂的地质体在漫 长的地质年代罩，出于经历了地质构造运动、自然风化和人类活动的作用， 其中包含大量诸如层理、节理、断层、软弱夹层、溶沟、溶 j l i | 等各种地质 缺陷，它们在一定的时期内和一定的条件下，可能处于相对稳定的平衡：佚 态，但如果条件改变，原来的平衡状念就有可能遭到破坏。比如在岩土一= 程开挖与施工过程中，其原始应力场会重新分布，从而使岩土体发生变形， 进而产生坍落、塌陷、岩崩、滑坡、地面沉降等地质灾害。为顾防和治理 此类地质灾害，工程中常用一种受拉杆件埋入岩土体，用以酬动和提高岩 土的自身强度和自稳能力，这种受拉杆件： 程上称为锚杆，。芭所起的作用 就是锚固。 岩土锚固技术按其是否施加预应力分为非预应力和预应力锚围。预应 力锚固作为完全依赖自身的重力和抗力来平衡外力的支挡型结构的对立 物，无论在利用岩石能量、简化结构型式、提供“主动”支护手段，还是 在节约工程材料、降低工程造价诸方面，均表现出传统支挡结构所无法比 拟的优越性，因而近几十年来得到长足的发展，几乎可以用它解决生产建 设中遇到的各种岩土加固技术难题。当前在边坡加固、滑波治理、坝基稳 定、结构抗浮抗倾等工程领域，岩土预应力锚固技术正显示出勃勃生机。 与此相反，在隧道支护领域，除少量水工隧洞和部分军用地下垌唪使用预应 力锚秆支护外量大面广的铁路、公路等地下隧道采用的仍然是五、六卜 年代沿用的不戴挚板的普通砂浆锚杆支护。究其原因，在于： ( 1 ) 人们对岩土锚固技术的本质特征，它独特的力学机制还没有完 全弄清，因而也就觉察不出预应力锚固技术给隧道支护带来多大的社会效 益和经济效益。 ( 2 ) 岩土预应力锚固技术的设计理论，尤其是隧道支护龟勺设计理论 严重落后于生产实践。尽管新奥法提出的时间较早，体现新奥法的设计计 算理论“隧道的支护和衬砌一一收敛约束法的使用建议方法”也在1 9 8 6 年出法国地下工程协会( a f t e s ) 提出，但是缺乏可操作性，新奥法始终 没有突破经验学的水平。虽然水利部于1 9 8 8 年和1 9 9 8 年分别颁发了水 工预应力锚固施工舰范和水工预应力锚固设计规范，在设计规范中 曲安理。l ：人学硕七学能论文 电将预应力锚杆和围岩提供的支护抗力考虑进计算公式，但没有提供计算 这些抗力的可供操作的方法。实际上支护结构的设计仍然停留在荷载结构 法或矿山法阶段。锚喷支护结构设计采用的仍然是工程类比法，新奥法的 核心思想“调动围岩的自身承载力”和预应力锚杆特殊的加固作用在设计 中得不到体现，预应力锚固的优越性显示不出来。 ( 3 ) 大吨位预应力锚索虽然在六、七十年代已经在我国少数地下工 程中应用，但是由于工艺复杂，价格昂贵难以在般隧道中采俺，而且在 相当长一段时间内，由于人们认识上的原因，没有着意去丌发适用于一般 隧道工程使用的中、小吨位轻型预应力锚具。 上述可见，由于人们对预应力锚杆的支护机理尚未完全弄清，设汁舰 范又缺乏实用的设计方法，致使预应力锚杆支护结构在隧道工程领域几乎 成为空白。因此进行预应力锚杆支护机理的研究，进而确定其支护设许参 数，对推动预应力锚杼在各类地下工程中，特别是隧道工程中的应用将有 卜分重要的意义。 基于此，本文拟通过模型试验和现场试验，对普通砂浆锚杆( 全长糕 结式锚杆) 和预应力锚杆支护进行对比试验研究，分析其各自的受力特征 和对围岩应力场的影响，提出预应力锚杆支护设计参数的初步确定方法， 以期能为预应力锚杆在地下工程中的推广应用服务。 卜2 地下工程支护理论的发展现状 地下工程支护理论经历了三个发展阶段，即古典压力理论、散粒体理 论和围岩与支护共同作用理论阶段。 古典压力理论认为作用在地下工程支护上的压力是其上覆岩层的重 量。据此理论，支护结构要承担洞室以上整个岩体重量和一定的侧压力， 支护一旦破坏，上覆岩体将完全下沉。没有支护，就没有洞室。这与大量 未支护洞室和天然孔洞的存在相矛盾，显示出该理论明显的局限性。 由于古典理论与实际存在严重偏离，人们又提出了散粒体理论。该理 论认为洞室开挖后，洞顶一般形成一个坍落拱，拱外围岩仍能保持自身稳 定，拱圈内及不能形成坍落拱的圈岩均为松脱的散粒体，为维持洞室的稳 定，该散粒体必须予以支护，散粒体的自重就构成支护结构的重要衙载。 敝粒体理论认识到围岩的松动压力。但没有认识到变形、膨胀给予支护的 力，认识到拱的作用，但没有科学的确定拱形成过程及性质，认识到坍落 并能自行稳定的围岩具有自承能力，但没有认识到通过稳定围岩，以充分 发挥围岩自承能力，- 因而在理论上存在很大的缺陷。 - 2 - 第一章绪沦 支护与围岩共同作用理论是以岩石力学为基础，以锚喷支护为代表， 考虑支护与圈岩共同作用的现代支护理论。该理论的出现是支护理沦发展 中的一次巨大的飞跃，突破了以往将岩体只作为荷载的概念，把围岩视作 承担荷载的主体，通过锚喷支护增强洞室周边岩体的稳定性，保持其承绒 力。由于脱代支护理论比较准确的_ ； f f i 述丁啊岩与支护之0 l j l 】作用原理，因 而以现代支虫。理论为基础的锚喷支护技术在地下工程中街到迅速的推j 。 锚l | ! ：2 支护是t 曲f 1 ：支护与l i ! ：2 射砼的简称，诞生于二i | l j = 纪5 0 年代f l i 后， 它是在涧室肝挖后及时地向删岩表面喷射一层薄的舱，并芷洞室周壁锚入 一定数量的锚打。从而部分的阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。 与传统支护十比，锚喷支护具有及时加固围岩封闭岩体张性裂隙干节理， 加固田岩结构面，提高岩体自身强度、自承能力和稳定性等传统支护不具 备的优点，因而被f = i 益j “泛的应用于备类地下工程的支j 7 n p 。尽管田内外 研究者对锚喷支护进行丁大量的试验研究工作，皿足，l 于锵轩与幽岩之 m 相互作用的复杂性，呲喷支护的改汁hn d 们f 诞大张度上f 文獭f 工眺经 验。固杯铺杆喷射砼支护胤范( g b j 8 6 8 5 ) 中确姚定锚喷芰 殴 汁应以工程类比法为主。 工程类比法一般是根据现行规范，依其田岩类别按规范建议的表，选 拟应采用的锚喷支护类型和参数。因此设计的可靠与否关键在于对具体工 程岩体和岩石的各种力学参数及其构造背景、应力背景、水文地质背景的 正确评定。由于田岩本身组成的差异，再加上构造作用、虚力环境的影响 和物理化学的作用，使得田岩成为一个十分复杂的耍体。人们很难怍出切 合实际的f 确评价，锚喷支护的设汁不可避免的会出现m 差尤其是实施 锚喷支护过程中的“适当时恻”和“适当柔度”难以把握。因此用锚杆喷 射硷支护的洞室塌方时有发生，特别是1 9 9 4 年10 月伦敦希思罗叽场快速 线采用锚喷支护施工的隧道发生塌方，诱发了英国而波及世界的田绕锚喷 支护的讨沦，有人甚至提出“以现代支护理论为基础的锚贵支护是谬论是 骗人的巫术”。这一争论迫使人们不得不重新审视锚喷支护理论，不得不 对锚喷支护的设计理论和作用机理进行进一步深入的研究，尤其是预匝力 锚杆的支护机理和设计理论的研究。 卜3 预应力锚杆作用机理和设计理论研究的发展现状 1 3 1 预应力锚固技术的应用概况 预应力锚固技术的最大特点是尽可能少的扰动被锚固的岩体或土体， 并通过锚固措施合理的提高可利用岩体或土体的强度。所以预应力锚固技 | 儿i 安理i ：人学顾t 学位论文 术是最为高效和经济晌加固技术，因此得到了各行各业的高度重视年迅速 推广。 在土木建筑中，利用钢丝或钢铰线具有较高强度的特性，用于建筑和 加固各种工程，已取得了良好的效果。2 0 年代初，预应力锚杆就做为一 利r 新的支护手段，用于西利西安的矿山丌采中，进入3 0 年代以后阿尔 及利亚的a c o y n e 工程师采用预应力锚杆加固舍尔法坝并取得成功，到 5 0 7 0 年代，则有更多的工程应用预应力锚杆加固技术。这种高效经济 | 勺预应力锚固技术，近年来又得到了迅速的发展，目腑已广泛的应用于工 业民用建筑、桥梁、矿山建设、高边坡治理、地下结构、水利水电工程中 的大型弧门闸墩加固，坝基加固以及各类建筑物的维护和补强。在国际上 埘单根预应力锚盎施加的锚围力已达l3 0 0 0 k n ，锚杆的结构类型也越来 越多而且越来越先进。 我国的预应力锚固技术始于6 0 年代，1 9 6 4 年梅山水库右岸坝基的加 旧中首次成功的使用预应力锚索加固技术。从7 0 年代丌始，该项技术住 我固的国防、矿山、水利水电领域逐步丌始使用，在水利水f 电工程中继梅 山水库之后，二龙山电站、麻石大坝、镜湖3 2 0 工程、丰满i 乜站、碧口电 站、白山电站、南河电站、漫湾电站、小浪底水库、洪门水库等数十个大 中型水利工程应用预应力锚固技术加固坝基的岩体，特别是云南漫湾水电 站，耗费巨资加固左岸边坡，仅1 0 0 t ，3 0 0 t 的预应力锚索的用量就达两 干多根，此外李家峡、天生桥、三峡等都有大量的预应力锚固设施。 近年来，国内外大断而地下厂房修建时，也常用预应力锚杆、锚索， 结合喷混凝土、设置钢丝网等措施作永久支护，如加拿大邱吉尔瀑柿厂房 ( c h r u c h i l lf a l l s ) 、买加厂房( m i c a ) 以及西德的瓦尔德克( w a l d e k ) 一 房等。我国的白山水电站地下厂房采用6 0 t 级预应力锚索，分别对厂房下 滑的四面体部位及尾水管白j 岩体进行锚固，保证了厂房下游边墙的稳定。 隧道工程中，近年来也丌始采用预应力锚杆进行隧道的支护，f i | 1 商南 公路麻街岭隧道、岭南隧道等均采用预应力锚杆支护，并取得了良好的技 术效果和巨大的经济效益。 预应力锚固技术的出现，是岩土工程技术发展史卜的一个罩程碑，为 岩土体的加固丌辟了一条全新的途径。 1 3 2 预应力锚杆作用机理研究的发展现状 试验和工程经验表明预应力锚杆锚固是一项高效、经济的加固岩土体 的措施，但是由于其加固机理及其作用方式极其复杂，所受的影响因素又 第一章绪论 多，不仅与岩石的物理、力学性质，岩体结构面的力学性质、几何特征有 关，还与锚固体的自身强度、刚度、安置工艺与过程有关，因此直到目前 为止，对预应力锚杆的作用机理的研究仍处探索阶段。 早期的研究者认为锚杆具有悬吊作用、组合梁作用和挤压加固作用， 因此先后提出了悬吊理论、组合梁理论和挤压加固理论。 悬吊理论认为，锚杆作用是将围岩表面不稳定的岩体固定悬吊在深处 坚固稳定的岩层上，使破碎的岩块不致于掉落，这种作用在地下结构锚固 工程中，表现的较为突出。 组合梁理论认为对于水平成层围岩，当没有锚杆时，层理面是分离的， 呈薄层重合梁状态工作，当有锚杆张拉时，由于增大了层面f 1 j 的磨擦，内 应力和挠度大为减小，于是增加了组合梁的抗弯强度，从而提高了地层的 承载力。 兰格( f a l a n g ) 通过光弹试验发现，当预应力锚杆群锚入围岩 后，岩体内便形成以锚杆两头为顶点的锥形压缩区，若将锚杆以适当的间 距排列，使相邻锚杆的锥形体压缩区相重叠，便形成一定厚度的连续压缩 带，压缩带内的岩石出于预应力状态，显著的提高了围岩的强度，因此认 为预应力锚固具有挤压加固围岩的作用。 上述理论，都是各自在特定的岩体条件和锚固方式下反映了锚i 干的锚 固作用，但相应的力学模型过于粗糙，都是把锚杆加固的岩体加固圈人为 地从原岩体中脱离出来，因而与实际出入较大。 近年来人们根据不同的岩体强度理论对锚卡t 的作用机理又进行了多种 理解和详释，如从岩体塑性理论上分析，认为锚杆具有限制岩体流变松驰 的作用：从脆性断裂强度理论上分析，认为锚杆具有降低裂隙尖端应力强 度因子、阻碍裂隙扩展的作用：从岩体材料介质的损伤理论分析，认为锚 杆可以降低岩体节理面损伤因子增加承载面积，从而降低节理岩体的有效 应力等作用。但不论从哪个角度分析预应力锚杆的作用机理，都会受理论 假定的影响与限制，难免片面或不完全。 在锚杆的计算方面，近年来人们以弹性、弹塑性和粘弹性力学为基础 进行了有益的探索。王明恕( 1 9 8 3 年) m 1 在试验和理论分析的基础上提 出了全长粘结式锚杆的“中性点”理论，该理论突破了以往的以锚固力来 衡量锚杆作用的观点，对锚杆的造型，结构设计及参数优化等起着有效的 指导作用，这一理论的缺陷在于未考虑由于锚杆的存在对锚固层以外原岩 ， 应变的影响，提出的中性点公式g = i = 二_ 焉与荷载和围岩的性质无关， 髑安理i ：人学硕士学位论文 因此与实际工程实测结果不符。 继王明恕之后，杨根社、何唐铺( 1 9 9 1 年) 【”j 对全长粘结式锚杆的 热板效应进行研究，并提出裁蛰板锚杆的中性点公式，该公式表明，中性 点的位置随颦板反力变化而变化。刘宏文m 1 也对戴垫板全长粘结锚杆进 行研究，并认为戴垫板的全长粘结锚杆、将不存在中性点，即使有剪力为 零的点，也将是一系列的零点，而不是一个“中性点”，同时认为剪力的 方向沿锚杆全长不会发生变化。因此关于戴垫砂浆锚杆的中性点问题还有 待进一步研究。 葛友庭、黄新良( 1 9 8 8 年) i ”1 以弹塑性力学为基础，将预应力锚杆 加固的岩体简化为半无限弹性介质中一对集中力作用的轴对称问题，推导 出锚固区的应力分布，即m i n d i m b o u s s i n e s q 解，从理论上说，这种近代 固体力学的锚固计算较为合理，然而由于地质条件的复杂性，使求解存在 数学上的困难，目前解题范围还很有限。 由于预应力锚固作用机理极其复杂，从理论上探索存在一定困难，即 使有一些突破，也与现实工程经验出入较大，因此人们将研究工作转向于 模型试验和数值计算方面。 在模型试验方面，总参工程兵三所近年来做了一些工作，并取得了可 喜的成果。苏锦昌( 1 9 7 9 年) 【o 】通过光弹试验，分析了预应力压缩区范 围与锚杆长度和间距的关系，但出于模型比尺小，受缩尺影响和模拟材料 的限制，其成果只能定性的反映这一问题。顾金彳、沈俊( 1 9 9 1 年) 忙 进行了单根预应力锚杆的模拟试验，获得预应力锚杆加固区围岩纵向应力 分布和锚固区的形状。廖心北、顾金才( 1 9 9 1 年) m 1 对预应力锚索进行 了室内模型试验，得到预应力锚索的轴力分布规律，所有这些试验： 作都 对预应力锚杆( 索) 锚固设计起到了一定的指导作用。 在数值计算方面，武汉岩土研究所朱维申、李铀( 1 9 9 5 年) b3 i 通过 大吨位试验分析和有限元的计算分析研究了预应力长锚索加固机理，认为 锚固的作用范围，只在锚头、锚根附近约2 m 的区域内，采取增大锚固力， 改变锚固倾角，变更锚索长度等措施，应力受影响的范围变化并不显著， 他们的有限元离散计算是将锚索的锚根模拟为实体单元，而自出张拉段则 取作两节点单元，即视为一对集中力作用，通过大量多方案比较，发现对 于软弱结构面控制的岩体，如果不考虑由于锚索加固产生的结构面材料牯 结力增大的效应时，无论怎样增大预应力，改变锚杆长度，变更锚固倾角 或加密群锚分_ 布等，对岩体稳定和应力的影响都不明显。 西安理工大学李宁教授( 1 9 9 5 年) ”4 1 在进行预应力锚杆、锚索数值 6 第一章绪论 仿真分析时，采用了摩擦接触型节理单元及绳式锚索单元( 不受压力和剪 力) ，模型建立中还应用了考虑加锚岩体、损伤断裂的关于节理岩体的“岩 桥理论”，认为群锚加固机理与单根锚杆的加固机理是不同的，当锚索的 吨位、问距合理时，各个单锚锚头部分产生的压力集中区会连成一片，产 生一种定义为“新围压”的所谓岩壳效应，使岩体表面的一薄层增韧、增 压、岩性发生改变，从而起到稳定作用。 尽管理论工作已取得一定的成果，但锚杆的加固机理仍是一个没有统 一认识的问题，也缺乏行之有效的、合理的计算方法，现有的各种模型仍 存在不少显而易见的不足，理论与数值计算与实际情况出入较大，因而必 须进一步通过理论分析、模型试验和现场测试对诸如锚杆的锚固机理、锚 杆工程的优化设计、群锚效应等问题进行进一步深入的研究，对这些问题 研究取得的成果将有助于锚固工程的设计和锚杆加固技术的广泛应用。 1 3 3 预应力锚杆支护设计方法的发展现状 实践证明，预应力锚固是种先进的岩土加固技术，特别是对围岩软 弱、薄弱的部位，或围岩深部的构造对围岩稳定有影响时，或者由于围岩 中的构造应力值较大出现塑性变形时，采用预应力锚杆支护可以收到良 好的效果，但是由于预应力支护技术在地下工程中的应用起步较晚加之 人们对预应力锚杆支护机理还没有完全弄清，因此预应力锚杆支护的设计 目前在很大程度上仍依赖于工程经验。尽管水利部1 9 9 8 年发布的水工 预应力锚固设计规范中提出预应力锚杆、普通砂浆锚打、钢筋网喷射砼 提供给围岩的抗力应满足： k 墨墨墨堡 e 式中：p 一一预应力锚杆提供的单位面积上的支护抗力： p ，一一普通锚杆提供的单位面积上的支护抗力： p ，一一钢筋网喷射砼提供的单位面积上的支护抗力： p 。一一围岩具有的单位面积上的支护抗力； p 一一围岩稳定需要的最小单位面积上的支护抗力； k 一一安全系数。 但未提供这些抗力的具体计算方法，工程实施仍存在很大的困难。 卜4 本文完成的主要工作 随着预应力锚杆在地下工程支护中的逐步推广应用，预应力锚杆的作 用机理和设计方法己成为工程界迫切需要深入研究的重大课题。本文拟在 两安理下火学硕七学位论文 模型试验和现场试验的基础上，对戴垫板、不戴辇板和预应力锚杆进行对 比分析，研究其支护机理，并通过理论分析，提出预应力锚打的初步设计 方法。 本文完成的主要工作： 进行普通砂浆锚杆和预应力锚杆的模型对比试验研究； 在试验和理论分析的基础上研究锚杆的支护机理： 通过理论分析，提出预应力锚杆设计参数的确定方法： 进行现场试验，验证设计方法的可行性。 第二章黹通砂浆锚轩与预麻力锚杆支护对比研 第二章普通砂浆锚杆与预应力锚杆支护对比研究 2 1 普通砂浆锚杆与预应力锚杆受力特征对比分析 2 1 1 普通砂浆锚杆的受力特征 地下洞室总是处于某一岩土体中，洞室开挖前，岩体处于静止平衡状 态。开挖后由于洞周卸载，破坏了这种平衡，洞室周围各点的应力状态发 生变化，各点产生位移，应力重新调整，以达到新的平衡。如果围岩的应 力处处小于岩体强度，这时岩体的物性状念不变，围岩仍处于弹性状念。 反之，当围岩局部区域的应力超过岩体强度则岩体的物性状态改变，围岩 进入塑性或破坏状态，进入塑性状态的围岩，塑性区应力和强度明显降低， 裂隙扩张增容，出现明显的塑性滑移，这时没有足够的支护抗力就不能使 围岩维持平衡状念。 对于普通砂浆锚杆支护，当打入锚杼后，出于圈岩的变形使锚杼受拉， 从而调动起锚杆的支护抗力，限制围岩的进一步变形，达到支护的目的。 处于围岩中的锚杆，承受围岩传递的剪力，为了维持锚杆的平衡，锚 杆上所受的剪力必须存在指向相背的分界点，该分界点称为中性点。在中 性点的外侧锚杆阻止圃岩向洞壁变形，剪力指向壁面。在中性点的内侧， 围岩阻t 锚杆向壁面方向移动，剪力背向壁面。而在中性点上，锚杆的变 形量与围岩的位移量相等，剪应力为零，轴向拉应力达到最大。因此，锚 杆上剪力以中性点为分界向两端逐渐增大，轴力则向两端逐渐减小。( 如 图2 1 ) 剪应力 轴向应力 图2 1普通砂浆锚杆应力分布模型 o 似安理i ：人学硕十学位论文 分析图2 - 1 可见，普通砂浆锚杆的轴力极不均匀，锚杆两端轴力较小， 而中性附近轴力则很大，这就使得锚杆的承载力得不到有效的利用，造成 很大的浪费。 2 1 2 预应力锚杆的受力特征 预应力锚杼是通过对锚杆进行张拉，从而给岩体施加一定的预应力的 一种支护方式，因此其轴力由张拉荷载和由于地层开挖引起的形变荷载两 部分组成。 根据文献1 对预应力锚固区 应力的计算，沿锚杆方向应力呈 两头大中间小的趋势，将其与地 层形变荷载引起的锚杆轴力叠 加，预应力锚杆轴力呈现图2 2 的分布形态。 锚尾j +一 量力 锚头 从图2 2 看，预应力锚杆轴力沿 图2 2 预应力锚杆轴力分布 杆长分布比较均匀，近孔口段轴力虽略大，但有利于洞室稳定，预应力锚 杆可视为准等强锚杆，轴力分布的不均匀性可以忽略不计，因此预应力锚 杆使得锚杼的承载力得到充分的利用。 2 2 普通砂浆锚杆与预应力锚杆支护特征线对比分析 2 2 1 普通砂浆锚杆支护特征线 一， v f 普通砂浆锚杆是一种全长粘 结式水泥砂浆灌注锚杆，由于水 泥砂浆强度的时间增长效应，使 得普通砂浆锚杆支护的特征线呈 一曲线( 如图2 3 曲线) ，为 简化设计常将其视作两段直线 a b 和b c ，其中b c 段可用 吖= k 。u ( 2 - 1 ) 加以描述。 ab 卜一叫 图2 3 砂浆锚杆支护特征线 式中k 。：兰生为砂浆锚杆的支护刚度： p “已。 k 。一一锚杆的刚度；e 。、e 。一一锚杆的纵、横间距。 对式( 2 - 1 ) 加以分析不难看出： 砂浆锚杆的锚固力依赖于圈岩变形，属于被动支护型式，它不能及 0 第二章将通砂浆锚杼与预席力锚杆支护对比研 时给围岩提供支护抗力。而且由于围岩允许的变形小，能获得的支护抗力 也小，因而在组合支护中所起的作用较小。 砂浆锚杆有限的锚固力还要依赖于砂浆强度的增长而逐步增大，其 初始值很低，这一特征决定了砂浆锚杆锚固的滞后效应，大量的工程实验 表明，水泥砂浆锚杆的早期强度特征为“；0 ，p 。 5 k n ，p ，。 2 0 k n ，这 一滞后效应使砂浆锚杆世失了控制围岩变形最有利的时机。 砂浆锚杆是一种柔性支护，锚杆的刚度取决于杆体的截面刚度，如 果考虑拙板和锚头的影响，实际刚度更小，因此控制岩体变形能力差。 2 2 2 预应力注浆锚杆支护特征线 预应力锚杆的荷载由两部分构成即张拉 荷载和变形荷载，因此其支护特征线方程可名虻 钆 表达为：邑 盯j ：盯；+ 七。“r 旨咋 ：上l + l “r ( 2 2 ) x ，xc x u x ： 盯：一一预应力锚杆旖加在隧道壁上的平均 径向压应力： p 。一一单根预应力锚杆张拉荷载； x a 、x c 一一预应力锚杆纵、横间距； p u 一一预应力锚杆极限承载力。 ( 2 2 ) 式反映出： 衫r 乙。，一 矿向x 1 舻) 图2 4 预应力锚杆支护特征线 预应力注浆锚杆的初始锚固力来自于张拉荷载，因此属主动支护型 式。 预应力注浆锚杆的支护刚度大。 预应力锚杆的支护刚度由两部分构成，即 耻“。 ( 2 剐 式中k 。为砂浆锚杆的支护刚度，盯：“为预应力提供的支护网4 度。 其值与预应力成f 比，可以达到很高的数值，因此预应力锚杆支护控制岩 体的变形能力强。 预应力锚杆的支护反力中仃j = 二旦_ 这一部分可以通过人们的努力创 p p c 造很大的变化范围，从而使预应力锚杆能提供较大的支护反力，因此预应 两安理：l ：大学硕：+ ：学位论文 力锚杆支护能承受很大的地层压力，它是制服高地应力的首选技术手段。 2 3 预应力锚杆支护机理探讨 预应力锚固的作用机理国内外有关学者曾进行了一系列的工作，但是 出于预应力锚固机制的复杂性，特别是在地下工程中，其受力十分复杂， 随着地层介质应力、变形的变化而变化，拉、压、剪、扭作用均可在锚杆 中产生，除静力作用外，还可能受动力作用，因此至今为止，预应力锚杆 的支护机理还是一个尚未统一认识，还不完全清楚，有待深入研究的问题。 就地下工程而言，笔者以为锚杆作为围岩的支护主要发挥三种作用： 对围岩表面提供反力，以抑制围岩向内空变位或以抗拔力抗拒危岩块体 的脱落坍方。加固围岩，使田岩整体化，如形成组合梁和承载拱等。 改善围岩应力场，提高围岩承载能力。 关于第一种作用，即锚杆对围岩表面提供支护反力，在第一、二节已 经做了讨论，从中不难发现预应力锚杆支护相对于普通砂浆锚杆支护而 苦，无论是在支护的及时性、提供支护抗力的大小和抑制围岩变位等，还 是发挥锚杆自身的承载能力上都具有其显著的优越性，因此对预应力锚杆 锚固机理的进一步研究将具有十分重要意义。 本节拟在前人工作的基础上，对预应力锚杆的锚固作用和对围岩应力 场的改善加以讨论，并通过模型试验予以验证。 2 3 1 预应力锚杆对围岩的加固机理 工程实践和模型试验证明，预应力锚杆支护具有加固围岩，提高岩体 力学指标的作用。 对块状节理岩体，一方面在锚杆预应力作用下，岩体中的初始裂隙闭 合、贴紧、滑移面上的摩擦力增大，另一方面，由于锚杆的锚钉作用，使 滑移面的抗剪强度增大，因此围岩的整体性和承载力得以提高。 对松软岩体，一方面由于预应力锚杆在围岩周围形成连续均匀压缩 带，在压缩带内径向和切向均受压，使这部分围岩强度得到很大的提高 其承载能力也相应的增大。另一方面，围岩相对于锚杆而言，弹模低，刚 度小，因此锚杆的刚度对岩体的总刚度贡献较大，使软岩的总体变形模量 增大。如果用e 和e 。分别表示岩体和锚杆的变形模量，则由于锚杆的作 用，岩体的等效弹性横量e 可近似的表示为： 一眦。芒 如果忽略岩体泊松比的改变，则岩体的等效剪切模量可近似的表示为 1 2 第二章 将通砂浆锚杆与预应力锚杆支护对比研 g 一g 。，老 式中：g 和g 。分别表示原岩体的剪切模量和锚杆体的剪切模量： e 。和e 。为锚杆的纵、横间距。 上式表明松软岩体中由于岩体和锚杆变形特征的差异，使岩体变形模 量增大，承载能力提高。 2 3 2 预应力锚杆对围岩应力场的改善机理 关于预应力锚固对围岩应力场的改善机制，由于模型试验和现场观测 均存在很大的困难，因此国内外研究者甚少，黄富德通过对边坡预应力锚 固的数值计算认为，预应力锚固能改变围岩的屈服函数值，但没有从理论 上阐述预应力锚固对屈服函数影响的作用机制，文献根据弹性力学半无 限体上作用一对集中力将明德林( r d m i n d 1 i n ) 解答与布涅斯克 ( b o u s s i n e s q ) 解叠加，得出预应力锚固区应力初步分布，但这一解答不 适合于预应力灌浆锚杆，因为预应力灌浆锚杆既有点式锚杆的受力特征， 又具有全长粘结锚杆对围岩的作用机制。朱维申、林世雄根据粘弹性理论， 对锚杆锚固区应力进行分析并提出锚固区应力分布的近似公式，该公式对 分析预应力的作用机理有一定的指导意义。 笔者以为，预应力锚杆对围岩应力场的影响表现在两个方面，即：一 方面预应力锚杆起砂浆锚杆的作用，在同围岩共同作用构成一体中，承担 围岩转移的部分应力，并对围岩的变形予以限制，阻止围岩塑性区的发展， 从而提高了围岩的内在抗力。另一方面，通过预应力的作用，调整围岩应 力分布。根据弹塑性理论，洞室开挖后，围岩将产生二次应力分布，应力 重分布的结果，使洞周围岩的径向应力减小，切向应力增大，这种应力分 布状态导致洞室产生压剪破坏。在锚杆预应力的作用下，围岩的径向应力 得到显著的提高，径向应力的增大使应力分布趋于均匀，应力集中减缓， 围岩的二次应力分布得以改善，从而提高了岩体的承载能力。 现以朱维申推导的公式对锚固区的应力分布进行分析，根据朱维申公 式，锚固区的应力分布可近似按下式计算： 旷一蒜尚出删卜铷一壶p 一 南悟s ；1 2 _ 2 炉剖一p ) 心安理i ：人学硕+ 学位论文 旷一揣舣z 。，一织 ( 一斟点叫：剐 南陋；( z 砌t 昔p ( 1 删) 其中：k ，、t ，、g ，一一围岩粘弹性区的有关力学参数； s ，= 兰，r ，为围岩中给定点的半径，a 为隧道的半径； 。如 一 r 一一圈岩塑性区半径； u 一一岩体的泊松比： b 一一单位长度隧道上锚杆的断面积之和； b ，一一单位长度隧道围岩的表面积； o 一一预应力加给锚杆的轴向力换算出的洞周边等效法向应力： e 。一一锚杆的弹性模量： p 一一初始地应力； t ，一一打锚杆的时帕j 。 则 旷旷舞尚舡：一翘一壶f + 鲁s ；( ：砌r 一守：蜓 ( 2 7 ) 式中第一项为打锚杆的时| 白j 对围岩的影响，第二项为锚杆上的预应力 对围岩的影响，第三项为初始地应力p 的影响，对某一具体工程而言，初 始地应力应为一确定的量，因此当锚杆上的预应力增大时，围岩的切向与 径向应力差减小，围岩的应力状态得到改善。 根据茂木清准则，围岩塑性条件可表示为 一仃：一弩( 2 - 8 ) 盯p 一盯，2 一节 l2 6 为了使围岩的洞壁在无限长时间后仍不进入塑性状态，则： 器融z “一新一去f + 卺s ；( z 砌，一舻晔一扣 k ；= ( 口l 一盯：) 2 + ( 仃：一盯，) ! + p ，一盯) 2 ( 2 - 9 ) 为了满足上式，则必须加大第一、第二项，而加大第二项则必须增大 锚杆的预应力和增加锚杆的长度，从式中可以看出，锚杆长度增加相对预 应力的增大作用效果要小的多。因此，预应力是提高岩体承载力的最佳途 径。 第二章 普通砂浆锚杆与预应力锚杆支护对比研 上述分析可见，预应力锚杆支护作用不仅表现在对岩体力学指标的提 高上，而且对改善围岩的应力状态有着明显的效果，与普通砂浆锚杆相比， 在这两方面预应力锚杆均具有其优越性。 2 4 预应力锚杆与砂浆锚杆支护对比分析 | j i r 述各节通过对预应力锚杆与砂浆锚杆支护特征、受力状态和作用机 理对比分析，不难发现两种锚杆支护具有明显的差异。 表现在： 1 )普通砂浆锚杼的支护反力依赖于围岩的松驰变形，属被动支护， 而预应力锚杆初始支护反力的来源于张拉荷载，因此是一种主动支护围岩 的措施，具有砂浆锚杆不具备的支护及时性。 2 )普通砂浆锚杆受力不均，不能充分发挥材料的承载力，预应力 锚杆则相反，能充分发挥材料的效用。 3 )砂浆锚杆支护刚度小，承担的荷载也小，预应力锚杆支护刚度 大，承担的荷载也较砂浆锚杆大。 4 )普通砂浆锚杆由于滞后效应，控制围岩的变形能力差，预应力 锚杆由于预应力作用，控制围岩的变形能力强。 婀安理i ：人学硕士学t ：) = 论文 第三章预应力锚杆支护设计参数选用探讨 工程实践证明，预应力锚固技术是一种高效、经济的岩体加固技术， 已在岩土工程的各个方面得到同益广泛的应用。随着人们对其认识的逐步 加深，将在公路、铁路等隧道工程中获得广泛的推广，因此预应力锚杆支 护的设计问题已成为工程界急待解决的问题。本章对此做以初步探讨，以 期能起到抛砖引玉的作用。 3 1 预应力锚杆间距的选择 3 1 1 特征线理论简介 特征线理论是新奥法和监控设计的理论基础，早在芬纳提出轴对称条 件下隧道弹塑性解时，就形成了其理论的雏形，但是达到初步应用的程度 是在法国地下工程协会于1 9 8 6 年由p g e s t a 主持形成的一个正式文件收 敛一一约束法的使用建议方法的发布，才算真正创立了这一理论在地下 工程支护设计中的地位，该文件提出了一个全新设计思想轮廓，丌创了地 下支护监控设计的先河，尽管所讨论的解析解还限于轴对称情况下的一维 问题。但是它提出的一系列新思想和新方法，是现在地下理论中对地压机 理及各种地压现象解释得最为完善，最使人信服的理论。 洞室开挖后，洞周围岩将产生变形，围岩的变形与外荷载、岩体的性 质及支护对围岩的支承作用等因素有关，将围岩在洞周的变形u 表示为支 护对洞周岩体的作用力p i 的函数，即可在以u 和p i 表示的平面上绘制出 表示二者关系的曲线，这类曲线表示洞室丌挖后，豳岩的受力变形特征， 称为围岩特征线。 洞室围岩对支护的作用力，即支护受到的围岩压力，其值也是p i ，支 护的变形u 也表示为p i 的函数，并在以u 和p 为坐标轴的平面上绘出二 者的关系曲线，这类曲线表示支护结构的受力特征，称为支护特征线。 围岩的特征线方程一般可表示为 仃j ：，f 型1 ( 3 l 风 式中：盯i 一一支护径向反力； r 一一隧道半径； “! 一一支护设置前围岩己产生的径向位移； 1 6 第三章 预应力锚杆支护设计参数选州探时 u 一一支护设置后围岩的径向位移增量。 预应力锚杆的支护特征线方程为 仃j = 盯；+ ；- “7 ( 3 - 2 ) n “1 f 式中第一项为预应力锚杆施加于隧道岩壁上的平均径向压应力，第二 项为普通砂浆锚杆的支护反力，x a 和x c 为预应力锚杆的纵、横间距。 3 1 2 预应力锚杆间距的选择 图3 1 为围岩和支护的特征线， 其中为围岩的特征线：为普通砂 浆锚杆的支护特征线；为预应力锚 杆的支护特征线，图中w 点为普通 砂浆锚杆的工作点，如果预应力锚杆 与普通砂浆锚杆耿同一设计参数则工 作点移至e 点，如果逐渐增大预应 3 1 用岩与支护特征线 力锚秆支护唰距而其它参数与普通砂浆锚杆支护相同，使预应力锚杆与 普通砂浆锚杆支护具有同一工作点w ，也就是使预应力锚杆支护效果、 它的收敛位移、作用到岩壁上的名义支护反力与普通砂浆锚杆相当，则 报据式( 2 1 ) 和式( 3 2 ) 有： k 。“：盯；+ j ! l “ z 工。 世，。：羔旦为砂浆锚杆的支护刚度； p p 。 k 。一一锚杆的刚度； 盯；= 二l 为锚杆预应力提供的支护反力； x “xl 而p w = k 。“为普通砂浆锚杆的工作荷载： 腑警= 袁+ 筹 即旦：盟 e 。，p 。z 。x 。 所以x a x c 2 ( 1 + 挚) p 如果：x a = x c = x e 。= e 。= e 口! 则x = ( 1 + 挚) 2 e一( 3 - 3 ) 州安理l ：人学硕十学位论文 式中x a 、x c 一一预应力锚杆纵、横间距； e 。、e 。一一普通砂浆锚杆的纵、横间距。 上式说明，当预应力锚杆的张拉荷载为p 。时，如果使预应力锚秆与 普通砂浆锚杆达到相同的支护效果，则预应力锚杆的间距可增大为普通 砂浆锚杆间距的( 1 + 子) 2 倍 d二 卅 ，预应力锚杆间距的增大，可大量减少锚秆的 数量，因此具有其巨大的经济效益。 但是锚杆施加预应力后其间距也不 可能无限的增大。因为根据挤压加固原 理，锚杆支护是通过锚杆群的锚固作 用，把围岩周边一定厚度范围内的岩体 均匀压缩成能承受一定荷载的稳定岩 体。在均匀压缩带内岩体各点在锚固力 作用下，产生径向压应力，造成了岩体 的三轴压力状态，从而提高承载环的承 载能力。根据实验观测资料，锚杆的间 距x 应小于锚杼长度l 之半，即l x 2 。单根预应力锚杆的模型试验1 也 表明锚固区的范围呈上窄下宽的鸭梨形 ( 如图3 2 ) 。最宽处位于锚杆中点偏下处，其宽度约为锚杆长度的0 4 o 6 5 倍。因此要使相邻锚杆锚固区部分重叠并连成一片，形成均匀压缩 带，则预应力锚杼的间距不应大于锚杆长度的一半。 根据式( 3 3 ) 式确定预应力锚杆的剧距，还应知道砂浆锚杆的工作 荷载和相应的间距。 砂浆锚杆的工作荷载可根据中性点理论6 1 求得锚杆的轴力为： 铲等( 竿一1 n 争) 州川 舯4 = 箍( p s i n m 叫) 业篙半】哥： p 一一原岩应力： 【g = 去+ ( 去一去，万； g o 。，g 。一一围岩的长期或瞬时剪切模量： t ，。一一滞后时间； 勋 彤 玑 嗡 咖 啡 引 第三章预应力锚杆支护设计参数选探讨 ， = 一为中性点半径； l n 坐 ， k 一一比例系数。 砂浆锚杆的间距根据国内外工程实践经验，般应小于1 5 m ，法国 隧道规范规定e 3 s ( s 为岩体节理间距) ，同本隧道规范规定e 1 5 m ， 我国的锚喷支护规范建议e = o 8 1 o m 。因此，综合各方面因素，砂浆锚 杆的间距应小于1 5 m 。 在砂浆锚杆的工作荷载和锚杆阳j 距确定之后，要从式( 3 。3 ) 中求得 预应力锚杆的问距，还需确定张拉荷载的大小，下面对此作以讨论。 3 2 预应力锚杆张拉荷载的确定 3 。2 。1 预应力锚杆张拉荷载的确定 从第二章预应力锚杆的支护机理讨论可知，锚杆上施加的预应力愈 大，对围岩应力场的改善愈显著，围岩的承载力也提高的愈多。但是预