（水工结构工程专业论文）预应力框架锚索处理节理岩质边坡的工程实践与数值分析.pdf

摘要 随着我国国民经济建设的蓬勃发展，水利水电工程的兴建越来越成为 解决能源问题、环境问题、交通问题以及带动社会发展的重要手段。水利 工程的建设与边坡稳定问题息息相关，其中，对于节理岩质边坡而言，其 开挖后的稳定及其加固技术一直是水利工程界关注的焦点之一。采用预应 力框架锚索技术来加固岩质边坡已经成为一种技术选择，但在设计方法、 施工工艺和加固机理上尚有许多值得探讨之处。 本文通过对某水电工程节理岩质边坡采用预应力框架锚索加固的工程 实践进行探讨，主要研究了如下问题： l 、节理岩质边坡开挖后的稳定计算方法：采用节理材料模型来模拟含 有裂隙、节理及小断层的岩体，边坡的稳定分析采用强度折减法，得出开 挖后边坡的安全系数； 2 、研究预应力框架锚索处理节理岩质边坡的施工工艺、施工技术难点， 施工步骤，并探讨预应力损失的原因； 3 、采取预应力框架锚索加固后边坡的稳定计算方法：采用有限元技术 对预应力框架锚索加固后的边坡进行了数值模拟，锚索采用只能受拉的桁 架单元模拟，框架结构采用梁单元模拟，在框架与岩体、锚索与岩体以及 锚索与框架之间设置专门的连接单元和接触单元来模拟二者之间的相互 作用，采用强度折减法得出采用预应力框架锚索加固后的边坡安全系数。 最终的研究结果表明，采取预应力框架锚索的方法加固含有多组裂隙、 节理的岩质边坡，其施工工艺可行，加固效果明显，且经济性较好，是一 种合理可行的技术手段。 关键词：岩质边坡节理预应力锚索框架粱数值分析 a b s t r a c t w i t l lt 1 1 ed e v e l o p m e n to fc h i n e s en a t i o n a le c o n o l y ，h y d r 孤l i cp o w e rp r o j e c ta s 龃i m p o n 锄tm e a i l st 0s o l v et h e 邮b l e mo fe i l e 唱y v i r o 衄e n ta n dc o m m u n i c a t i o n p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei i la c c e l e r a t i i l gt l l ed e v e l o p m e n to fs o c i e 哆s l o p ee n g i i l e e r i n gi s 觚i m p o n a n tb 瑚c hi ng e o t e c h n i c a l 胁g i l l e e r i n g m a ta 妇st o 百咖go u ts a f e t y e v a l u a t i o nb a s e d0 n 鼬i l 时a m l y s i s 胁s 仃c s s i n gc a b l e 锄d 纳m e b e 锄h a sb e c o m e as e l e c t i o nf - 0 rs t r e n g t l l e i lr o c ks l o p e ，b u ti ti sw o r t l lr e s e a r c h i n gi nd e s i g nm e t h o d ， c o n s 仃u c t i o nt c c h n o l o g y 蚰dm e c h a i l i s m b a s e do n 锄e n g i n e c r i n gc 嬲e ，t 1 1 em e t h o do fi l s i n gp r e 灯锱s i i l gc a b l e 锄df 疏n e b e 锄t 0s 仃e n g t h e naj o i i i t e dr o c ks l o p ei ss t i l d i e di l lt h i sp a p 盯t h em a i np r o b l e m s a r ea n a l y z e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i sm e t h o do f 也e 曲出i l i 锣o fj o i n t e dr o c ks l o p e ：t h ej o i 】吐e dm a t e d a l m o d e l i su s e dt os i m u l a t et h er o c k 也a tc o m a i n sj o i l l t s ，c r a c l ( sa n df a u l t s 2 t h et e c l l n i c a lr e s e a r c ho fp r e s t r e s s i n gc a b l ea n df 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ea r e rb e i n g s 臼e n g t h e n e di so b t a i n e d 7 n l er e “t so ft h e o r e t i c a la n a l y s e sa n d6 e l dt e s ts h o w 也a tp r e s 仃e s s i n gc a b l ea n d 丘a m eb e a mt oi m p r o v ej o i n t e dr o c ks l o p ec 加 s a t i s 黟 也e r e q u i r e m e n t s o f d e f 0 册a t i o n ， c a nb eu s e di i ls p e c i a lc o n s t r u c t i o ne n v i r o 啪e n ta i l d p r 0 v i d en e w f e a s i b l em e t h o d st oi m p r o v et h es t d b i l i t yo fr o c ks l 叩eu n d e rs p e c i a lc o n d i t i o n k e yw o l t ds ： r o c ks 1 0 p e ，j o i n t ，p r e s 仃e s s i n gc a b l e ，f r a m eb e a 吗n u m e r i c a l a i l a l y s i s 2 独创性声明 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和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得天盗大堂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己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：2 d 叼 万 年乙月 同 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解玉盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授 权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字嗍a 。7 年乏月6f 1 导师签名： 稗嗍：7 娃胁同 第一章概述 第一章概述 水利水电工程中有两大类岩石边坡：天然边坡和人工边坡。天然边坡 主要是水库库岸的边坡和陡崖，由于蓄水后地下水位变化，常常会发生库 岸滑坡和陡崖崩塌，这是其他行业很少遇到的问题。人工边坡有大坝开挖 形成的坝肩边坡、溢洪道边坡、船闸边坡、电站厂房边坡和道路等其他开 挖形成的边坡。和一般道路开挖形成的边坡相比，这些人工边坡的规模大 得多；与矿山的露天采场相比，这些边坡对稳定性和安全度的要求要严格 得多。特别是坝肩边坡和船闸边坡，不仅在施工期要求安全可靠，而且在 长期运行中不能有塌方、掉块和过大的变形。因此，对存在滑动危险的岩 体，尤其是含有大量裂隙、节理及小断层的岩体进行加固一直是工程界和 学术界普遍关注的问题之一【1 2 1 。 1 1 节理岩体的基本特性 岩体可以看成是由岩石、岩块和结构面( 节理、裂隙、层面等) 组成 的复合体，结构面的力学性质是岩体力学性质的重要组成部分。此处结构 面主要是指那些力学性能比完整差得多的不连续面( 有时称之为弱面) ， 有些不连续面，如新鲜花岗岩中的一些薄层岩脉，与岩体的结合得十分紧 密，其强度不低于周围的岩体，一般不研究它的力学性质。 力学性能较差的结构面( 弱面) 包括：断层、剪切破碎带、节理面、 层间滑动面、泥化面、混凝土和基岩的胶结面等。大的断层带宽度大，其 中还包含多种构造岩和多条弱面，但是一般注意的主要是其中最弱的主断 面。对于在岩石基础上的混凝土建筑物来说，混凝土与基岩的胶结面也是 一种人工的结构面，是大坝一基岩联合结构中的一个弱面。 结构面的力学性质也包括变形性质和强度性质两方面。强度性质主要 是抗剪强度，这是结构面影响岩体力学性质的主要因素。对于较宽的断层 和充填物较厚的节理面也要研究其变形性质。为满足有限元分析的需要， 有时还需要研究结构面的切向刚度系数和法向刚度系数。 影响结构面力学性质的因素主要有：粗糙度、起伏度、充填物( 性状、 厚度) 、围岩性状。硬性结构面的抗剪强度除与围岩性质有关外，主要受 结构面的粗糙度和起伏度影响：软弱结构面的抗剪强度则取决于充填物性 第一章概述 质和状态、充填厚度与结构面起伏度之间的关系，载荷作用时间的长短影 响也很大【3 8 1 。 1 2 岩土锚固技术的应用现状与发展 1 2 1 岩土锚固技术的应用现状综述 自从1 9 1 1 年美国首先将锚杆应用于矿山巷道支护以来，锚固技术已 经经历了近一个世纪的发展。从最初人们的怀疑、疑虑，发展到今天，锚 固技术已经几乎不受限制地广泛应用于岩土工程的各个领域。由于锚固支 护显著的技术经济优越性，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其他地下 工程支护的一种主要形式。早在2 0 世纪的4 0 年代，美国和前苏联就已在 井下巷道使用了锚杆支护，以后在煤矿、金属矿山、水利隧道以及其他地 下工程中也迅速得到了发展。几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展历 程：1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械锚杆研究与应用；1 9 5 0 1 9 6 0 年，采矿业广泛 应用机械式锚杆，并开始对锚杆支护系统进行研究；1 9 6 0 1 9 7 0 年，树脂 锚杆推出并在矿山得到应用；1 9 7 0 19 8 0 年，发明了管缝式锚杆、胀管式 锚杆并应用，长锚索产生：1 9 8 0 1 9 9 0 年，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁 架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进【9 1 。 美国、澳大利亚等国由于煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发 展和日益成熟，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比例几乎达 到了lo o 。西欧、中欧一些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支 架支护，随着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚 杆支护。锚杆支护发展最快的是英国。在19 8 7 年以前，英国煤矿巷道支 护9 0 以上采用金属支架，1 9 8 7 年英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支 护技术，从而扭转了过去的被动局面，煤巷锚杆支护得到迅猛发展，19 9 4 年在巷道支护中所占比例已达到8 0 以上【1 1 。 我国矿山巷道的锚杆支护的发展也比较迅速。据煤矿和金属矿山巷道 中采用锚杆支护或锚杆与喷射混凝土支护的初步统计，从1 9 6 0 1 9 9 5 年 末的3 5 年间，累计使用量已超过3 5 0 0 0 k m ，可以加快施工速度2 4 倍， 节省劳动力5 0 以上，节约全部木材和4 0 以上的混凝土，降低支护成 本3 5 4 5 。特别是进入2 0 世纪8 0 年代，把锚杆、喷射混凝土支护与 现场监控量测、信息反馈技术巧妙地结合，采用及时支护、分期施工、刚 柔适度、全环封闭等一整套充分发挥围岩自承能力的设计原则，已成功应 用于一批复杂地质条件的隧洞工程，如高地应力( 水平应力达到3 0 m p a ) 、 2 第一章概述 软岩大变形巷道( 水平收敛量达2 5 3 0 c m ) 地层控制( 如金川镍矿) 、开 拓于半胶结的泥页岩中并受采矿动压影响的煤矿巷道工程、覆岩层厚度仅 1 0 余米的黄土质泥土的隧洞工程。这些有代表性的地下锚固工程的建成， 标志着我国软弱地层中的地下工程的锚固技术的应用已经有了突破性进 展。 1 2 2 预应力锚索在水电大坝边坡和坝基工程中的应用 云南漫湾电站于19 8 9 年1 月在坝、厂范围的左岸边坡产生约l o 6 万 m 3 的塌滑体，采用2 2 0 0 根1 0 0 0 3 0 0 0 k n 级预应力锚索与抗滑桩相结合 的综合治理措施，成功地控制了左岸边坡潜在的滑移和破坏。长江三峡链 子崖危岩体在地震、暴雨、久雨等因素综合作用下，潜在塌滑将造成碍航， 甚至堵江的严重隐患，其中“五万方”危岩体潜在的变形破坏最为明显。 对此，在不同部位分别采用了3 0 0 0 k n 、2 0 0 0 k n 和1 0 0 0 k n 的预应力锚索 1 8 5 根，总锚固力达到3 1 1 0 0 0 k n 【3 1 。 长江三峡水利枢纽工程高1 7 0 m 的船闸边坡，其中6 7 m 高垂直边坡， 共采用3 0 0 0 k n 及1 0 0 0 l 级的预应力锚索2 0 0 0 余根，以保持边坡稳定， 并控制了边坡的变形。 在坝基工程中，无论是新坝建造还是旧坝加固，预应力锚固技术已经 成为经济有效的处理方法。早在1 9 6 4 年就曾用长3 0 4 7 m 的预应力锚索 加固在使用中出现偏斜和裂缝的安徽梅山水库右岸坝基，单根预应力锚索 的最大张拉荷载达3 2 4 0 k n 。近年来，在漫湾、双牌、洪山水利枢纽工程 中，均成功地采用预应力锚索加固技术，单根锚索的最大承载力达到 3 2 0 0 k n 。天生桥水电站在下山包滑坡整治中也采用了预应力加固技术，共 施工了长锚索2 4 6 根，深度2 2 3 2 m ，锚索累计长度达7 0 4 l m ，锚索的设 计锚固力为1 2 0 0 k n 。长江三峡链子崖危岩体，即“五万方”采用l0 0 0 k n 、 2 0 0 0 k n 和3 0 0 0 k n 三种预应力锚索，钻孔平均深度为3 5 m ，最大深度为 5 1 m ，均通过t 1 1 裂缝或下部r 2 0 3 软弱层而进入稳定基岩层一定深度。 锚索共用1 7 5 根，总锚固力达3 2 1 0 0 0 k n 。其上部即所谓“七千方 危岩 体，采用1 0 0 0 k n 锚索3 5 根，平均钻孔深1 6 5 m ，总锚固力达3 5 0 0 0 k n 【9 1 。 1 2 3 预应力锚索框架在边坡加固中的应用 预应力锚索框架，是近1 0 年来我国开始应用的一种新型抗滑支挡结 构，其最早的应用是在公路工程中。1 9 9 3 年在深圳市罗沙公路西岭山大开 挖引起的滑坡治理中较早地应用了这一结构，继这一成功实例之后，深圳 第一章概述 市进行大规模地摊广和应用。随着我国交通建设和水利建设的飞速发展， 近年来所暴露的高等级公路建设和水利枢纽大规模开挖引起的边坡病害 问题尤为突出，这一结构在公路和水利高边坡病害的治理中发挥越来越重 要的作用。在国家主干道京珠高速公路的边坡病害治理中，大量采用预应 力锚索地粱和锚索框架。在我国其它高速公路建设中都有成功应用预应 力锚索框架结构地实例【n 。 图1 一l 预应力框架锚索加固边坡 3 本文的主要研究内容 对节理岩质边坡采用预应力锚索框架进行加固处理，在具体的设计方 法、施工工艺和工作机理的分析上都有值得深入探讨研究之处，本文结合 某水电工程边坡开挖后加固处治的工程实践，对预应力锚索框架结构处理 节理岩质边坡的关键技术和作用机理进行探讨，主要研究如下几个方面的 问题： l 、节理岩质边坡开挖后的稳定计算方法：采用节理材料模型来模拟 含有裂隙、节理及小断层的岩体边坡的稳定分析采用强度折减法得出 开挖后边坡的安全系数： 2 、研究预应力框架锚索处理节理岩质边坡的施工工艺、施工技术难 点，施工步骤，并探讨预应力损失的工程原因： 3 、采取预应力框架锚索加固后边坡的稳定计算方法：采用有限元技 术对预应力框架锚索加固后的边坡进行了数值模拟，锚索采用只能受拉的 桁架单元模拟，框架结构采用梁单元模拟，在框架与岩体、锚索与岩体以 第一章概述 及锚索与框架之间设置专门的连接单元和接触单元来模拟二者之间的相 互作用，采用强度折减法得出采用预应力框架锚索加固后的边坡安全系 数。 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 预应力锚索框架梁为近年来在边坡加固中广泛应用的复合支护结构， 将锚索这一柔性支护手段和框架梁结合起来，在实际工程中取得了良好的 支护效果。 在公路、铁路和水利边坡加固工程中，为了阻止岩土体随潜在滑移面 滑动，多采用预应力锚索加固坡体。预应力锚索通过潜在滑动体，深入基 层岩体，主动利用基层岩体来加固坡体，防止土体下滑。而表层岩土体的 加固和水土保持，则主要依靠框架梁浅表护坡，框架梁不仅可以遏制滑动 体的下滑，在框架梁的框格中还可以进行植被护坡，保持水土，提高工程 的绿化率，恢复原来的生态环境。综合考虑锚索和框架梁的边坡加固效果， 将预应力锚索和混凝土框架梁共同应用于边坡工程中，既可利用锚索的深 层锚固作用锚固坡体，又可利用框架梁的表层锚固进行植被护坡，美观大 方，适用于整体稳定性差、表层坡面需防护的高陡边坡的整治。 2 1 预应力框架锚索在高边坡加固中的优点和关键技术问题 2 1 1 预应力框架锚索的优点 ( 1 ) 预应力锚索框架可以将高边坡病害防治与坡面柔性防护有机结 合在一起，即达到防治高边坡病害的目的又能美化环境，实现工程和自然 的和谐统一。大吨位的预应力锚索锚于边坡体不动的岩体中，有效控制了 边坡病害体的破坏力，防止进一步产生边坡病害。钢筋混凝土框架，对边 坡体表层岩土起框箍作用，防止大面积的浅层坡面变形，框架内进行柔性 防护，既防治了坡面冲刷、地表水下渗、风化剥落等小型坡面变形，又美 化了自然环境。 ( 2 ) 能够有效控制边坡病害深层破坏。边坡病害的深层破坏力在设 计时往往针对其水平力来采用工程措施，为抵抗这一水平的破坏力，重力 式挡墙是靠墙体自重产生的基底摩阻力来克服的；抗滑桩是靠锚固段的桩 前侧向抗力来克服的；而预应力锚索框架是靠高强度低松弛的钢绞线产生 的拉力克服的，通过施加预应力使支挡结构变被动受力为主动受力。可见 预应力锚索克服边坡病害的深层的破坏力更直接和更有效。 6 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 ( 3 ) 坡面防护措施可选用多种形式，能够和周围自然环境融为一体。 根据以往经验，按不同的边坡坡度选用不同的柔性防护形式，建议按以下 原则选择：坡度陡于1 ：o 5 的边坡采用框架内六棱砖覆土植草或框架外 加筋草墙技术。坡度l ：o 5 一l ：o 7 5 的边坡可采用三维植被网覆土植草 防护技术。 ( 4 ) 由被动防护变主动防护，抑制和调整边坡岩体的变形，预防产 生病害条件的进一步恶化。抗滑挡墙和抗滑桩结构，都是通过结构本身变 形( 或变位) 后产生反力来抵抗边坡病害的变形破坏力，如果结构本身不 变形( 或变位) ，就不会产生反力，而这一变形过程当中，边坡岩体进一 步松弛，原来的岩体中各种软弱结构面由密闭而进一步逐渐张开，易于受 地表水和地下水的软件作用。由于预应力锚索框架的作用，恢复或部分恢 复了开挖坡体所失去的侧向支撑力，使边坡体处于三向受压的状态，防止 或减缓岩体的松弛作用，也就防止或减缓了产生边坡病害条件的进一步恶 化。 ( 5 ) 高陡度的锚索框架可大大减小边坡的开挖量，不但减小对原青 山绿地的破坏，且避免了由于大面积开挖引起的各种边坡病害，使预应力 锚索结构更适用原自然斜坡较陡的地段。如果高速公路中大量采用这一结 构，对边坡进行高度开挖和支护，就可避免产生较多的高边坡。 ( 6 ) 采用预应力锚索框架加固高边坡或防止高边坡病害，可遵循自 上而下开挖一级加固一级，待上一级锚索进行初张拉后开挖和加固下一级 边坡：对每一级边坡的施工，还可以进行分层和分段施工。这样，大大减 小了边坡施工本身对边坡体的扰动，小范围内坡面起伏没有明显的突变， 相对平顺，大范围内坡面起伏大，不规则的边坡加固中，其工程效果更趋 自然和美观。 2 1 2 预应力框架锚索的关键技术问题 ( 1 ) 载荷外力的确定 预应力锚索框架应用于高边坡加固中，其外力条件取决于边坡的地质 条件。边坡岩体的地质条件决定了产生边坡病害的类型、破坏模式及破坏 力的形式。对已产生边坡病害的工点，根据变形破坏的特征和一定的勘察 资料，较容易地确定边坡病害类型、破坏的空间形态和范围，破坏力的形 式和大小，可据此和工程年限内可能的地质条件的变化进行治理工程的设 计。对尚未产生边坡病害的工点，要对开挖后和工程年限内可能产生的边 坡病害进行预测，预测可能产生边坡病害的部位、类型、规模和可能破坏 7 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 力的大小，据此或者根据削弱坡体的力量进行预防性加固工程设计。 ( 2 ) 刚度匹配 钢筋混凝土框架要对边坡沿途起到框箍作用，框架整体刚度必须和边 坡岩体的刚度匹配。一般来讲，边坡岩体较坚硬、完整、密实，其刚度较 大，其抗变形的能力就强，框架的间距可以大且钢筋混凝土的截面尺寸可 以小，反之亦然。预应力锚索作为作用于框架上的弹性支点，如果布置较 密，还要注意锚固段岩体的群锚效应。 ( 3 ) 长期工作效应 预应力锚索框架应用于铁路、公路、水力等部门的高边坡加固中，必 须保证其长期工作效应，为此以下几个因素不能忽视： 锚索预应力的损失：对于锚头夹具回缩、张拉系统摩阻、张拉顺序 引起的顺向预应力损失，除了施工工艺控制外，可采用超张拉的方式补偿。 对钢绞线松弛、地层徐变( 锚固段围岩或变形体塑性变形和变位) 、混凝 土的收缩和徐变等预应力损失，要采用二次补张拉j 对于特别松散、破碎、 潮湿软弱地层，甚至要进行多次补张拉。这个问题将在下节进行详细论述。 锚固形式的选择和防腐处理：根据锚固段的锚固形式不同，可分拉 力型、压力型和拉压结合型锚索，选用哪一类型的锚固，要适用于具体的 地质条件。从是否易保证施工质量的角度出发，一般情况下，在较完整、 松散、软弱、地下水丰富的地层宜采用拉力型锚索。对后一种地层用压力 型锚索下孔困难，且易于在承载体下聚集沉渣、泥土，锚固体的质量很难 保证，因此在此地层中设计时要慎用压力型和拉压结合型锚索。 国内外工程实践证明，如果对一个锚索体不采取任何防腐措施，几年 后锚索( 杆) 体将会因腐蚀问题而失去一应力效应。相反，不管选用哪一 锚固形式的锚索，对一个锚固工程采用良好的防腐措施，锚索体一般不会 腐蚀而影响锚固的效应。应该说，预应力锚索体的腐蚀问题是一个比较复 杂的问题，影响因素很多，腐蚀机理也比较复杂，在进行锚索设计时，除 按现行国家和行业规范进行构造设计外，对锚索所处的环境比较复杂和恶 劣的工点，要认真分析进行特殊的防腐处理。 2 1 3 锚索的预应力损失 1 、锚索预应力损失的一般规律 预应力锚索张拉后，因材料特性与张拉工艺等多种因素，锚索应力从 施工到使用过程中应力不断降低的现象，即为锚索预应力损失。它直接关 系到岩锚体系的效率与安全，是涉及工程安全的重要问题。预应力损失与 8 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 材料性质、被锚固介质力学特性、锚夹具的加工质量、施工工艺和运行管 理水平等有关。 三峡双线五级船闸设置了1 0 0 余台锚索测力计，锚索安装1 年后，检 测到锚索预应力损失率平均增加7 6 2 ；安装2 年后，预应力损失率平均 增加了1 0 6 ，以后锚索预应力值趋于稳定。 根据锚索锁定后预应力变化曲线图，预应力变化过程一般可以分为3 个阶段：( 1 ) 用预应力速损阶段，一般持续l o d 左右，锚固力损失较快。 锁定后损失率多在3 一5 之间。岩体承载墙的滞后效应及钢绞线早期受力 松弛是锚固力速损的主要原因。( 2 ) 预应力渐损阶段，一般持续6 个月 左右，锁定后锚固力损失率正常情况下为2 一5 。相关研究已证实，此阶 段锚固力损失主要是由钢绞线松弛造成的。( 3 ) 预应力缓损阶段，锚索 预应力总体上缓慢变小，部分呈现波动状态。主要是因降雨、温度变化、 岩体应力调整以及钢绞线松弛等原因综合造成的。 2 、导致预应力损失的主要原因 多方面的研究表明，锚索的预应力损失主要有4 个来源：张拉过程的 损失、锁定过程的损失、随时间产生的损失以及外因引起的损失等。了解 预应力损失，必须从各自影响因素深入分析，掌握其规律性，从而有针对 性地采用预防与降低预应力损失的措施。 ( 1 ) 张拉过程的预应力损失。主要取决于张拉千斤顶的摩阻损失和 预应力锚索同孔壁的摩擦损失大小。根据三峡锚索施工的实际资料，张拉 系统的摩阻损失在2 左右。 关于预应力锚索同孔壁的摩擦损失：若钻孔平直，锚索与孔壁基本不 接触，则锚索与孔壁接触预应力损失很小，可不予考虑。环形预应力锚索 张拉扯过程的接触损失较大，设计时必须予以考虑。 张拉工艺也直接影响到预应力损失的大小，三峡船闸高边坡对穿锚索 采用双向张拉方式比单项张拉方式预应力损失小3 0 左右。 ( 2 ) 预应力的锁定损失。锚索张拉完成后千斤顶卸载时，靠工作锚 板来锁定锚索，锁定时钢绞线产生的回缩量决定了锚素预应力的损失量。 锚索锁定后的回缩量与锚夹具设备、材料、制造工艺和卸载速率等有关。 目前我国制造的常用锚具有q m 、o v m 、y m 、b & s 型等，锁定钢绞 线回缩值一般为5 6 m m ，小于国际通用的v s l 规范标准，已达到了国际 先进水平。跟据三峡双线五级船闸锚索施工资料，o v m 锚具有锁定时钢 绞线的回缩实测值约4 6 m m ，相应的锁定损失为2 5 左右。实际上， 千斤顶卸载速率也影响预应力的锁定损失。( s l 4 6 9 4 )水工预应力锚 9 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 固施工规范要求卸载速率每分钟不超过设计应力的1 5 ，但现场执行中 发现，卸载速率偏慢，易出现滑丝现象，导致钢绞线回缩值偏大，锁定损 失增加。按照三峡工地的施工经验，分两步卸载较好，先快速卸载到设计 应力的1 2 左右，再按前述规范要求的速率卸载。 ( 3 ) 由时间引起的预应力损失。以上两项预应力损失均可通过室内 或现场试验了解其基本规律，在实际及施工方法中予以补救。但随时间产 生的预应力损失原因复杂，损失量难以确切算出，只能偏于安全地在设计 中予以评估。主要包括预应力锚筋钢材的松弛、岩体的流变、混凝土的徐 变等3 项。 1 ) 钢材松弛。长期受荷的钢材预应力松弛损失量通常为4 。1 0 。通 过对各类钢材进行试验发现：受荷1 0 0 h 后的松弛损失约为受荷1 h 所发生 损失的2 倍，约为受荷1 0 0 0 h 后应力损失量的8 0 ，约为受荷3 0 年后损 失量的4 0 。松弛应力损失量同应力大小密切相关。当施加的应力不超过 钢材抗拉强度5 0 时，松弛损失量几乎可以忽略不计。随着荷载增大，松 弛应力损失量迅速加大，温度在2 0 以上时的损失量会明显的增大。 三峡船闸边坡工程采用的3 0 0 0 k n 锚索，锚索抗拉强度为1 8 6 0 m p a ， 采用1 9 根直径1 5 2 4 m m 钢绞线，一般施加拉力3 4 5 0 i 【n ，约为其抗拉强 度的7 0 左右。受荷初期，应力松弛十分明显，是锚索锁定后早期荷载急 剧下降的主要原因之一。 2 ) 岩体流变。预应力使岩体受到压缩，节理裂隙被压密，压密过程 需要持续一段时间才能完成。对于预应力锚索，岩体流变主要发生在应力 集中区，即临近内锚头和外锚头的部位。 根据在三线双线五级船闸工程现场进行的锚固机理测试研究，在 3 0 0 0 k n 级锚索作用下，锚墩附近能形成一个半径约2 m 、深约8 m 的锥形 压缩区，压缩变形约需7 d 才趋于稳定。岩体流变也是预应力损失的原因。 锚索受拉后，钢绞线的松弛与岩体流变( 压缩变形) 均主要产生在早期， 锚索预应力曲线早期均呈现剧减势态。 坚硬岩石的流变变形相对较小，岩体流变导致的预应力损失一般不大 于2 。但在软岩及混凝土中，流变导致的预应力损失要大得多。 3 ) 混凝土徐变。由于锚索混凝土垫墩完整性较好，尺寸较小，混凝 土徐变所引起的预应力损失一般不超过3 。 4 ) 由外因引起的预应力损失。可能引起锚索预应力变化的外部因素： 近锚头部位的荷载冲击，爆破、降雨、气温改变、岩体卸荷等。这些外因 能明显影响或损坏锚索使用功能，应尽量避免发生。 1 0 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 1 ) 爆破震动的冲击作用爆破震动的冲击可使锚杆的外墩头应力分 布明显变化，导致预应力值下降。李家峡水电站的现场试验研究表明，距 预裂面3 m 以内为岩石爆破动力响应急剧衰减区，3 m 以外区域一般不会对 锚固设施产生明显影响。长江科学院在三峡船闸高边坡工程现场进行的爆 破与预应力锚索安全距离专门测试表明，当锚头距爆破预裂面的距离约 4 o m 时，未测到明显的预应力损失，当锚头距爆破预裂面的距离约1 5 m 时，锚索荷载则明显衰减，锚索荷载值从2 8 9 7 9 k n 下降到2 4 9 7 k n 。 2 ) 降雨及气温对锚索预应力的影响降雨能导致锚固体力学参数的 改变，气温变化使钢绞线及锚固体产生温度应力，影响锚索原有的预应力 平衡力系。三峡船闸高边坡锚索预应力监测数据显示，春夏季节部分锚索 预应力波动幅度较大，原因是这些锚索安装部位一般有地质缺陷，雨水侵 入导致结构面润涨，力学性能变坏，导致锚索承载力变大。一般而言，这 种锚固荷载值会随着天气变好而恢复。大部分锚固力在8 月份偏小，9 月 以后锚索预应力值回升，这主要是变化影响的结果。 3 、 减小预应力损失的一般方法 目前常采用以下方法控制锚索预应力变化： ( 1 ) 采用i i 级低松弛钢绞线。当钢绞线初始负荷为其抗拉强度的o 7 倍时，i 级普通松弛钢绞线受荷l o o o h 的松弛值的8 ，而i i 级低松弛钢 绞线受荷1 0 0 0 h 的松弛值仅为2 5 。 ( 2 ) 确定适宜的锚索拉力值。预应力筋的应力水。平与预应力损失密 切相关，考虑到锚索张拉时应力分布不均匀，为尽量减少断丝及预应力损 失，国内外大部分锚固工程都将预应力筋抗拉强度的6 0 6 5 作为锚束 允许设计应力。因此，永久性岩锚工程预应力筋强度利用系数宜取o 6 ， 临时性岩锚工程预应力筋强度利用系数则取0 6 5 。 ( 3 ) 确定适合的超张拉值。通过现场试验确定张拉过程及锚索锁定 时的损失量，用锚索超张拉予以补偿。预应力超张拉值一般为其设计应力 的1 1 1 5 倍。 ( 4 ) 选用合适的施工工艺。尽量减小锚索与孔壁间摩阻力。对穿锚 索最好采用两边张拉的方式。为减小岩体流变的影响，可通过一系列循环 加载使荷载上升到设计值，促使岩石裂隙闭合。 ( 5 ) 实施补偿张拉。可在锚索锁定后7 l o d 预应力速损阶段结束时 实施补偿张拉以消除初期的预应力损失。 ( 6 ) 保护好锚固设施。尽量增大爆破与锚索的距离。按一般工程经 验，爆破作业距锚索孔的距离以不小于1 0 m 为宜。 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 2 2 预应力框架锚索的受力机制 2 2 1 喷锚支护加固岩体的机理 传统的支撑或衬砌结构全靠支护自身的结构强度，从岩体( 围岩) 外 部被动地承受来自岩体变形所产生的压力，和围岩之间一般都存在空隙， 彼此是分离的。而喷锚支护则能紧贴岩面、锚入岩体内部，使包含节理裂 隙的岩体得到改造和加强，保持岩体的整体性，使应力状态得到改善，从 而使围岩性质发生变化，有利于发挥围岩自稳能力，变“岩石荷载 为“岩 石承载”结构。喷锚支护加固岩体的这种优越性，引起广大岩石力学和岩 石工程工作者的浓厚兴趣，在积累了大量工程实践经验的基础上，纷纷开 展有关其加固作用和力学机理的研究，取得了一些系统性的认识。 大量实际工程经验表明，喷锚支护施作及时，本首具柔性能与岩体共 同变形，能针对软弱环节深入岩体内部，施作简便、灵活机动，能够紧贴 岩体并与之相粘结、与岩体形成密封体系、阻止大气和水的入渗，这样一 些工作特点使得能够最大限度地利用工程岩体的强度和自稳能力。 对于大坝和基岩加固来说，预应力锚索可以抵抗竖向位移( 与上浮力 相抗衡) 、抵抗倾倒和水平位移；对于滑坡、岩石边坡和边墙来说，锚杆 ( 索) 可以保持岩块间的镶嵌、咬合、连锁效应，提高结构面的抗剪强度， 将滑坡体或不稳定块体锚固在稳定的基岩或围岩上；对于地下洞室围岩来 说，根据不同的围岩具体条件，一般认为喷锚支护( 主要是锚杆有3 个作 用：( 1 ) 自承拱作用：预应力锚杆使被加固的岩体在一定范围内形成双 向受压区( 压缩带) ，将被节理、断层、裂隙切割的破碎岩体加固成压力 拱圈；( 2 ) 组合梁作用：将层状岩体连在一起，使层理间的摩擦力增大 形成组合梁，用以支撑空洞上部的岩石荷载。( 3 ) 悬吊作用：将松动的 岩块或软弱围岩悬吊于深部完整坚硬的围岩上。 按照锚固体内部拉杆( 预应力锚杆) 与水泥浆之间的传力方式的不同， 锚杆可分为：拉力型、压力型及剪力型。拉力型和压力型锚杆都有明显的 应力集中现象，与锚固体结合的各种岩体不能同时进入屈服状态，因而不 能较充分地调用整段岩体的承载能力。剪力型锚杆的结合应力分布较均 匀，应立集中较小，克服了拉力型和压力型锚杆固有的缺陷。一般来说， 锚固长度的增加导致结合面上单位面积承载力的下降。当锚固体长度超过 某值，锚固长度的增加几乎无助于承载力的提高。 单纯从力学角度看，岩体中的锚杆归纳起来只有两项作用，( 1 ) 对 1 2 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 岩体施加压力( 应力锚杆、锚索) ，增加岩体的抗拉强度、提高结构面的 抗剪切能力；( 2 ) 与岩体结合组成复合结构。一般而言，岩体的抗压强度高、 抗剪强度次之，抗拉强度最低，脆性岩体极限变形很小，而有高强钢材制 成的锚杆、锚索抗拉强度高、又是柔性结构，结合在一起，正好弥补了岩 体力学性能的不足。喷混凝土( 包括挂网或不挂网的) 的力学作用主要是 加强岩体各部分的整体性、协调各部分的变形。锚杆( 索) 群将单根锚杆 的作用叠加在一起，其锚固效果产生了质的不同；喷混凝土与锚杆联合在 一起，其力学作用更为复杂。不同类型的工程岩体( 大坝基岩、洞室围岩、 边坡岩体) 其力学工作状态不同，喷混凝土与锚杆的组合方式不同，作用 的机理也不同。再加上岩体本身的条件不同( 坚硬程度和完整程度) ，使 得喷锚支护加固岩体的方式、作用和力学机理呈现十分复杂、多样的局面。 2 2 2 预应力框架锚索的受力机制 在如图2 1 所示的预应力锚索与框架梁的复合结构中，框架梁除表层 固坡作用外，还有传力作用。单独使用预应力锚索进行边坡加固，锚索拉 力过大会引起表层坡体的变形，甚至破坏，而坡体过大的变形又会导致锚 索预应力的损失。将预应力锚索与框架梁结合，框架梁起到锚墩的作用， 由于框架梁与坡面的有效接触面积大，坡体在锚索作用下的变形得到限 制。因此，预应力锚索框架梁的内力计算时应考虑锚索对框架梁的影响。 图2 1 预应力锚索与框架梁受力图 预应力锚索框架梁上的锚索在边坡支护过程中可划分为两种工作状 态：张拉状态和工作状态。张拉阶段和工作阶段均满足以下的基本假定： ( 1 ) 框架梁为弹性梁；( 2 ) 预应力锚索的拉力视为集中荷载作用在框架 梁节点上。 在锚索的张拉阶段，锚索拉力已知，为锚索的初始预应力。如果边坡 1 3 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 处于稳定状态，坡体不发生变形，相应的锚索拉力也不发生变化，始终为 初始预应力。锚索是主动受力的，它迫使土体变形，产生被动抵抗力g ( x ) 。 根据w i n k l e r 假定，土体表面任一点的压力强度与该点的沉降成正比，即 p ( z ) = 砂 ( 2 - 1 ) 式中：七k 为基床系数。框架梁的计算简图如图2 2 ( a ) 所示，根据弹性地基 梁法，可计算框架梁的内力。 在锚索的工作阶段，坡体发生变形，土体下滑产生平行于潜在滑移面 的滑坡推力，框架梁阻止了滑动体的下滑，锚索处于被动受力状态，锚索 上的拉力随坡体的变形而变化，框架梁上的内力也随之发生变化。目前的 设计计算方法多是根据经典的土压力理论或土体容重来计算作用在框架 梁上的土压力，锚索拉力按照初始张拉力计算，没有考虑锚索的工作状态 和坡体变形对框架梁上土压力的影响。本文建议根据滑坡推力确定作用在 框架梁上的土压力d ( z ) ，反推锚索拉力e ，参照图2 2 ( b ) 所示的计算简图 进行框架梁的内力计算。 2 3 预应力框架锚索的设计方法 2 3 1 框架梁的内力计算 将框架梁拆分为横梁和纵梁。为解决节点荷载的分配问题，通常采用 文克尔地基模型，要求满足静力平衡条件和变形协调条件。 假设节点f 处的的力为只，分配到工方向纵梁的力为r ，分配到y 方向横梁的力为e ，按照静力平衡条件有只，+ 只，= e 。假设纵横梁在节 点f 处的竖向位移和转角相同，且与该处地基的变形相协调。为了简化计 算，假设在节点处纵梁和横梁之间为铰接，即一个方向的条形基础有转角 时，在另一个方向的条形基础内不引起内力，节点上两个方向的力矩分别 由相应的纵梁和横粱承担。因此，只考虑节点处的竖向位移协调条件，即 w 纵2 w 横2w 。 根据静力平衡条件和变形协调条件可以建立联立方程组，得到纵横梁 上的节点分配荷载r 和e ，。 1 4 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 p ip z p ， i 一 饰 镪缎j y 1 “x ) 一 厶 l ( a ) 张拉阶段 ， ，zr ， 、 ，lr i 一 协 划j j j i “j ) y 1 一 厶 一l ( b ) 工作阶段 图2 2 框架粱的受力模式 l 、张拉阶段 锚索拉力经分配后作用在单梁上的分力为p 。根据w i n k l e r 弹性地基 梁假定，土体表面任一点的压力强度与该点的沉降成正比，即g ( x ) ：匆， 根据图2 2 ( a ) 所示的计算简图，建立如下基本微分方程： 0 4 1 ， 日二* = p ( 工) 一g ( 工) ( 2 2 ) 口j 【 式中：p ( z ) 为作用在梁上的荷载，在框架梁节点处，p ( 工) 为锚索的初始预 应力a ，对于梁上其他各点，p ( x ) = 0 。根据节点荷载作用点距梁端的距 离，将单梁划分为无限长梁、半无限长梁和有限长梁，求解上述微分方程 即可得梁的变形和内力。 2 、工作阶段 锚索处于工作阶段时，锚索的张力发生变化，不再是初始张拉力。不 考虑锚索张力对滑体的遏止作用，根据滑坡推力确定作用在框架梁上的土 压力，采用倒粱法反推锚索张力。锚索张力的影响则通过增大安全系数的 方式对下滑力进行修正。 假设框架纵梁之间的间距与边坡范围相比足够小，因此可认为框架各 纵梁上的土压力均相等，不考虑纵梁之间对土压力的相互影响，可只计算 其中一个纵梁上的土压力。 将框架梁下的土体划分为单独的条块，采用传递系数法计算上一滑块 对该滑块的下滑力z ： z = k ；彬s i n 口f 一彬c o s 口，t a l l 仍一c j ，+ y ，z i ( 2 3 ) 式中：足，为安全系数；彬为条块i 所受重力；为条块f 滑面的倾角；纪 为条块f 滑面上岩土的内摩擦角；c 为条块f 滑面上岩土体的黏聚力；为 条块f 的滑面长度：互一。为条块f 一1 的下滑力；y ，为传递系数，且有 第二章预应力框架锚索的设计及施工工艺 沙，= c o s ( 口，- i 一口，) 一s i n ( 口- i 一口f ) t 锄仍 ( 2 4 ) 当边坡发生变形时，滑动体随潜在滑移面下滑，考虑到框架粱和锚索 的阻遏作用，可通过适当增大安全系数k 。的方式进行修正，一般取为 1 2 0 1 3 5 。 将下滑力z 均匀分布到深度方向，压力强度为 r 仃w = 善 ( 2 5 ) 仃肿2 lz ，