（地质工程专业论文）土层锚杆模型试验研究.pdf

摘要 土层锚杆作为锚固工程中一种重要的手段，已广泛应用于边坡工程、基坑工程及抗 浮工程等多个领域。同时，土层锚杆具有施工简易快速、机具设备相对轻巧便宜、技术 门槛较低、施工费用低廉等优点。因此土层锚杆在工程应用中备受青睐。但由于锚杆工 作环境( 岩土体) 的复杂性和不确定性，使锚杆的作用机理等多方面问题蒙上了一层神 秘的面纱。由于锚杆本身的特殊性，模型试验是目前得到公认的行之有效的研究方法之 一。在正面研究如火如荼之际，研究锚杆的失效原因，分析锚杆病害防治的措施，是对 正面研究的有效补充。 本文首先研究了现有的岩土锚固机理理论，并且对六种计算锚杆内力的方法进行了 分析和总结。在此基础上着重研究了土层锚杆的加固机理和内力计算。 其次，介绍了本次模型试验设计和试验过程。本次模型试验主要是研究群锚在均质 土体中的内力分布，观测在注水情况下锚杆的内力变化，并对坡面压力进行数据采集和 分析。利用所测得数据，分别绘制了半粘结拉力型锚杆、全长粘结拉力型锚杆和压力型 锚杆杆体全长应变图，并着重对同列锚杆在锚固段末端、滑面和坡面处应变进行了分析 研究。利用压力盒所测数据绘制出了坡面压力曲线。 根据对应变图的分析，得出半粘结拉力型锚杆，滑面处及自由段应变最大，由滑面 处向锚固段末端应变逐渐减小；全粘结拉力型锚杆是滑面处应变最大，由滑面处向自由 段及锚固段应变逐渐减小；对压力型锚杆应变图分析得出，压力型锚杆轴向应变沿杆体 几乎均匀分布；通过对拉力型及压力型两种锚杆滑面处应变分析，得出锚杆的受力非常 复杂，是一种拉( 压) 弯复合构件的认识。由锚固段末端、滑面和坡面处应变分析得出， 压力型锚杆比拉力型锚杆具有更好的协调性，更有利于发挥整个锚固系统中各锚杆的作 用；通过对坡面压力曲线的分析得出，加固后的复合坡体，坡面压力的分布受到锚杆间 距，荷载位置及时间的影响。 在试验基础上，分析锚杆失效形式和失效原因，并提出了锚杆的病害防治措施。 本项目的研究工作得到陕西省交通科技项目资助( 批准号：0 4 一i o k ) 关键词：土层模型试验，拉力型锚杆，压力型锚杆，失效分析，病害防治 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tm e a n si nt h ea n c h o r i n ge n g i n e e r i n g ，s o i la n c h o rh a da l r e a d yb eu s e di nt h es l o p e e n g i n e e r i n g 、f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n ga n da n t i - f l o a t i n ge n g i n e e r i n ga n ds oo n a tt h es a m et i m e ，s o i la n c h o r b e c a m ew i d e l yu s ea t t r i b u t et ot h er a p i dc o n s t r u c t i o no fp r o j e c t 、t h el i g h ta n dc h e a po fe q u i p m e n t 、t h e s i m p l eo ft e c h n i q u ea n dt h ec h e a po fc o n s t r u c t i o n b u ta sar e s u l to fa n c h o rw o r k i n gc o n d i t i o n s ( r o c km a s s a n ds o i l ) c o m p l e x i t ya n dn o td e t e r m i n i s m ，h ee f f e c t i n gm e c h a n i s ma b o u tt h ea n c h o ri su n s u r e c o n s i d e r i n g t h ep a r t i c u l a r i t yo ft h et h ea n c h o r , w ec o n s e d e rt h em o d e le x p e r i m e n t s i st h em o s te f f e c t i v es r e s e a r c h t e c h n i q u e s d u r i n gt h es t u d yo fa n c h o rc a r r i e so np o s i t i v e l y , i n v e s t i g a t i n gt h er e a s o nw h ya n c h o ri s f a i l u r ea n da n a l y s i st h em e a s u r eh o wp r o v e n tt h ed i s e a s eo fa n c h o rc o u l ds u p p l e m e n tt h er e s e a r c ho ft h e a n c h o r a tf i r s t ，t h ea r t i c l e s t u d yt h ea n c h o r m e c h a n i s mt h e o r yo fe x i s t e n ta n c h o rm e c h a n i s mt h e o r ya n d s u m m a r i z es i xk i n do fm e t h o d so fh o wc a c u l a t e dt h ei n n e r - f o r c eo fa n c h o r , w h i c he m p h a s i z eo n s t u d i n gt h e r e i n f o r c em e c h a n i s ma n d c a c u l a t i n gi n n e r - f o r c e t h e n ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dt h et e s t i n g t h ee x p e r i m e n tm a i ns t u d i e st h ei n n e r - f o r c eo f g r o u pa n c h o rh o wd e s t r i b u t e i ni s o t r o p i c s o i lb o d ya n do b s e r v e st h ec h a n g i n go fi n n e r - i n f o r c eo fa n c h o r u n d e rt h ew a t e r - i n j e c t i o n ，t h e nc o l l e c tt h ed a t aa n da n a l y s i st h es l o p es t r e s s u s i n go b t a i n st h ed a t a ，t h e a r t i c la l s op r o t r a tt h es t r a i nf i g u r ea b o u th a l f - l e n g t hb o n d i n ga n c h o r 、f u l l l e n g t hb o n d i n g p u l lt y p ea n c h o r a n dp r e s s u r et y p ea n c h o ra n de m p h a s i z ea n a l y s et h es t r a i nt oi d e r na n c h o ro nt h ee n do fa n c h o r a g e s e g m e n t 、s l i ps u r f a c ea n ds l o p e t h e nd r a wt h es l o p es t r e s sd e p e n do nt h ed a t ai nt h ep r e s s u r ec e l l a f t e ra n a l y s i st h es t r a i nf i g u r e ，t h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ：t h em a x i m u ms t r a i no ft h eh a l f - l e n g t h b o n d i n gp u l lt y p ea n c h o re x s i s ti nt h es l i ps u r f a c ea n df r e ee n d ，t h es t r a i nb e c o m el e s s e nf r o mt h es l i p s u r f a c et ot h ee n do fa n c h o r a g es e g m e n t ；t h em a x i m u ms t r a i no ft h ef u l l l e n g t hb o n d i n gp u l lt y p ea n c h o r e x s i s ti nt h es l i ps u r f a c e ，t h es t r a i nb e c o m el e s s e nf r o mt h es l i ps u r f a c et ot h ef r e ee n da n da n c h o r a g e s e g m e n t ；t h ea x i a ls t r a i no fp r e s s u r et y p ea n c h o ri su n i f o r me x i s ti nt h ec o r ea f t e ra n a l y s i st h es t r a i nf i g u r e ； a f t e ra n a l y s i st h es t r a i ne x i s tt h es l i ps u r f a c et op r e s s u r ea n dp u l lt y p ea n c h o r ，t h es t r e s so fa n c h o ri s c o m p o s i t ec o m p o n e n ti n c l u d ed r a w 、b e n da n dp r e s s ，w h i c hi sc o m p l e x c o m p a r et ot h es t r a i ne x i s ti nt h e e n do f a n c h o r a g es e g m e n t 、s l i ps u r f a c ea n ds l i p ，p r e s s u r et y p ea n c h o rh a d p r e f e r a b l ec o m p a t i b i l i t yt h a np u l l t y p ea n c h o r w h i c hc o u l de x e r tt h ea c t i o no fe v e r ya n c h o ri nt h ew h o l es y s t e m ；w ea l s oh a dt h ec o n c l u s i o n t h a tt h es l o p ep r e s so fr e i n f o r c e dc o m p o u n d s l o p eb o d yi si n f l u e n c e db yt h es p a c i n go fa n c h o r 、l o a dc a s e a n dt i m e a n a l y s i st h ef a i l i n gf o r ma n dr e a s o no fa n c h o ro nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n ta n dr a i s et h em e a s u r e h o wp r o v 饥tt h ed i s e a s eo fa n c h o r t h i s s t u t yi nt h ea r t i c l e w a ss u p p o r t e db yt h et r a f f i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs h a n x i p r o v i n c e ( a u t h o r i z e dn u m b e r ：0 4 1 0 l ( ) k e y w o r d s ：m o d e le x p e r i m e n t ；p r e s st y p ea n c h o r ；p u l lt y p ea n c h o r ；f a i l u r ea n a l y s i s ；d i s e a s ec o n t r o l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：纠立炜叫年多月日 论文知识产权权属声明 奉人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 立炜冲年月1 日 导师签名：力母如少萨月，日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、目的和意义 岩土锚固是通过埋设在地层中的锚杆，将结构物与地层紧紧地联锁在一起，依赖锚 杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力或使地层自身得到加固，以保持结构物和岩 土体的稳定【1 1 。 锚固技术最早是产生于矿山巷道支护，1 9 1 1 年美国a b c r s c h l e s i n 的f r i e d e n s 煤矿首 先应用了岩石锚杆支护巷道顶板【2 , 3 1 ，1 9 1 8 年美国西利西安矿的开采首次采用了锚索支 护。以后锚固技术的应用范围开始扩大。1 9 3 4 年阿尔及利亚的c h e u r f a s 大坝的加高工 程首次采用了1 0 0 0 0 k n 级预应力锚杆作为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力 锚杆加固坝体，并获得成功【4 1 ，在之后的时间里先后有印度的坦沙坝、南非的斯登布拉 斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希斯坝也同样采用了预应力锚杆加剧4 1 。2 0 世 纪5 0 - - 7 0 年代是锚固技术应用领域迅速扩展的时期，1 9 5 8 年西德的b a u e r 公司在慕尼 黑巴伐利亚广播公司深基坑中使用了土层锚杆【5 】，6 0 年代，捷克斯洛伐克的l i p n o 电站 主厂房( 宽3 2 m ) 西德的w a l b e c ki i 地下电站主厂房( 宽3 3 4 m ) 等大型地下硐室采用了高预 应力长锚索和低预应力短锚杆相结合的围岩加固方式。目前世界上各类锚杆多达6 0 0 多 种，每年实验锚杆量多达2 5 亿根，它们广泛地应用在工业民用建筑、隧道桥梁、矿山 建设、高陡边坡、大型地下铜室、大型门闸墩、大坝及坝基、各类建筑物的加固、抗浮 工程、抗倾覆工程、锚拉工程等等。锚固体不但种类繁多，而且越来越先进。在国际上 对单根预应力锚杆施加的锚固力己达1 3 0 0 0 k n l 4 1 。 虽然岩土锚固技术在2 0 世纪初就开始出现和应用，但是对锚固的力学机理的认识 与理论研究是在2 0 世纪中叶开始的。各种锚杆支护作用理论繁多，但是却没有一种可 以得到广泛的认可。锚杆支护设计更处在经验设计阶段，理论计算方法还有许多问题有 待于进一步解决。因此，建立正确的理论，摸索出一套完善且准确的设计计算方法无疑 是当代锚固研究的重要课题之一。而模型试验则是目前研究锚固理论和传力机理最为行 之有效的方法。 锚杆理论的研究远落后于施工水平的现状是有目共睹的事实，其中锚杆耐久性问题 的研究更处在起步阶段。锚杆常用于安全等级要求较高的工程当中，其中有些甚至属于 国家生命线工程，像三峡工程多处都用到锚固技术。而耐久性是安全评价的一项重要指 标。因此对于锚杆病害产生原因的研究，可以帮助我们发现并根除锚固工程潜在的事故 第一章绪论 隐患，防治事故的发生；对锚杆病害防治的研究，则可以使我们较早的发现问题，及早 采取措施，提高锚杆的耐久性。 1 2 课题研究现状 1 2 1 土层锚杆技术发展历程及现状 锚杆技术运用于土体是在1 9 5 8 年由德国的宝尔( b a u e r ) 公司首先在深基坑开挖中得 到应用。这次成功的应用以后，土层锚杆引起了各国的重视，并开始应用于各类结构支 护中，同时投入大量力量进行研究开发，土层锚杆应用数量迅速增加，施工工艺日趋完 善，并形成成套施工专用工具。从7 0 年代起，各国先后制定了土层锚杆设计和施工的 规程。与此同时，国际土力学与基础工程学会1 9 6 9 年在墨西哥召开第七届会议，1 9 7 7 年在东京召开第八届国际会议，讨论了土层锚杆蠕变、锈蚀问题及计算理论、提高承载 力问题。现在己能施工长达5 0 m 以上的锚杆，在粘性土中抗拔力可以达到1 0 0 0 k n ，在非 粘性土中达到2 5 0 0 k n ，被锚固的挡土墙可达4 0 m 以上【6 一。 1 2 2 土层锚杆技术的应用范围 ( 1 ) 边坡稳固工程：主要有边坡加固、斜坡挡土墙、锚固挡墙和滑坡防治。 ( 2 ) 地下结构工程支护：如用于矿山峒室、巷道工程支护、地下停车场、地下隧道 和车站峒室、地下商场、地下水电站厂房等。 ( 3 ) 深基坑支护：主要用在深基坑支挡、高层建筑的地下室抗浮等。 ( 4 ) 结构抗倾覆应用：如防止高塔倾倒、高架桥倾倒、坝体倾倒以及挡土墙倾覆等。 ( 5 ) 井巷及隧道工程支护：主要用作防止隧道坍塌和控制隧道围岩变形。 ( 6 ) 道桥基础加固：如防止桥墩基础滑动、悬臂桥锚固、吊桥桥墩锚固、大跨度拱 形结构物稳固。 ( 7 ) 现有结构物补强：主要利用锚固技术对己产生裂缝、变形和滑移等破坏的现有 结构进行加固处理。 ( 8 ) 其他工程方面的应用：如对水坝下游冲击区和排洪隧洞冲击区实施锚固保护等。 1 2 3 土层锚杆的特点 土层锚杆是一种埋入土层深处的受拉构件。它一端与工程构筑物相连、另一端锚固 在土层中。整根锚杆长度分为自由段和锚固段。自由段的作用是将锚头处的拉力传至锚 固体的区段。并通过自由段对锚杆施加预应力。锚固段是指用水泥浆体将预应力筋与土 2 长安大学硕上学位论文 层粘结的区段。其功能是通过锚固体与上层的粘结摩阻作用或锚固体的承压作用。将自 由段的拉力传至土层深部【5 1 。土层锚杆具有以下优点： ( 1 ) 通过锚杆和压力灌注水泥砂浆使其与土体紧紧结合在一起，相互作用，形成了复 合体，是一种主动受力体系。它使被加固的土体整体化和结构化，显著地提高了被加固 土体的稳定性和承载能力； ( 2 ) 及时支护是土层锚杆支护技术的显著特点，及时支护保证了开挖临空面后土体尽 可能暴露时间短，不出现卸荷应力重分布，不会产生微剪切滑移，不改变土体原位结构； ( 3 ) 土体的侧压力通过结构传递回稳定土层，将产生的复合土体变成支护结构，充分 利用和加强土体自身的承载能力； ( 4 ) 随基坑开挖逐次分层施工，不需单独占用场地，不占或少占单独作业时间，施工 效率高，开挖完成后，锚杆支护施工也同时完成，特别是对于施工场地狭小，堆放材料 困难，有相邻建筑物，优越性就更明显； ( 5 ) 具有很大的灵活性和可调性。根据地质情况的变化及监测结果，可随时调整支护 参数，对软弱地质层进行补强，从而达到最佳支护； ( 6 ) 施工噪声低，振动低，污染小，费用低，工期短。 1 2 4 土层锚杆的模型试验 1 地质结构模型试验的发展 六十年代中期以来，为了更仔细地研究地基本身及其上部结构物的影响，出现了地 质力学模型试验。这种试验是在模型中模拟建筑物基岩的重力及地质构造，包括地基岩 体中的断层、破碎带、软弱夹层和裂隙节理等，使之尽量符合实际情况，从而研究基岩 的变化形态、稳定条件及对建筑物结构性能的影响。 到了七十年代，结构模型试验进入发展的新阶段，特别是地质力学模型的广泛应用， 扩大了结构模型试验研究的领域，使其可以用于研究坝体和坝基的联合作用、重力坝的 坝基抗滑稳定、拱坝的坝肩稳定、地下洞室围岩的稳定等问题。但由于计算力学的发展， 有些工程结构的应力分析只在计算机上进行，不需再作试验。这时结构模型试验的重点 转向解决一些重大和复杂的问题，承担起更为艰巨的任务【8 1 。 目前，很多国家都开展了结构模型试验工作。国际上先后多次举行过有关结构模型 试验的学术讨论会。 2 土层锚杆的试验研究 3 第一章绪论 试验研究主要包括室内的模型试验、离心试验、抗剪试验、室外足尺试验、现场抗 拔试验、压力和应力应变测试等方法。室内试验一般是模型试验，而现场试验一般有基 本试验、抗拔试验、蠕变试验、验收试验等。国内学者通过实验表明，土层锚杆在其加 固的复合土体中起着骨架作用，提高了土体的整体刚度与稳定性。注浆锚杆与钢筋网喷 射层共同作用，既提高了土坡体的内部强度，同时也提高了坡体表面强度，它们一起构 成了主动支护体系。在超载作用下，土层锚杆支护体的变形特征表现为持续的渐进性破 坏。既使土体己出现局部剪切面和拉张裂缝，被支护体仍可持续很长时间不发生整体滑 塌。而未加固的土坡在超载作用下，当坡项出现很小的水平位移时，坡体就会出现快速 的整体滑塌。 1 2 5 锚杆可能的破坏形式及原因 锚杆可能有下面一种或几种形式破坏阳1 ： 1 锚杆的抗拉承载力不足引起的破坏 ( 1 ) 锚杆被拉断 锚固段灌浆体和岩土体的粘结强度以及钢筋和灌浆体之间的粘结强度足够，且锚固 段长度足够，主要由钢筋的屈服强度来决定可以提供锚固力的大小。当锚杆所受拉力超 过钢筋的屈服强度时，锚杆就会被拉断。 ( 2 ) 钢筋和灌浆体的结合面粘结破坏 灌浆体和岩土体的粘结强度比钢筋和灌浆体的粘结强度还要高，当钢筋和灌浆体的 粘结强度不足以抵抗外荷载时，钢筋和灌浆体的结合面就会发生粘结破坏，导致钢筋被 拔出。 ( 3 ) 灌浆体和岩土体的结合面粘结破坏 锚杆锚固段处在软岩或者土层中时，灌浆体和岩土体的粘结强度比钢筋和灌浆体的 粘结强度要低，这使灌浆体和岩土体的粘结强度所能发挥的摩阻力比钢筋和灌浆体的粘 结强度所能发挥的摩阻力要低，导致破坏首先发生在灌浆体和岩土体的结合面，锚杆被 拔出。 ( 4 ) 灌浆体的破坏 当施加于钢筋上的荷载向灌浆体传递时，灌浆体就会膨胀受压，通过灌浆体将荷载 传递给岩土体。荷载越大，灌浆体所受的压力越大，当压力超过灌浆体的抗压强度时， 灌浆体就会被压碎破坏，锚杆锚固失效。 4 长安大学硕士学位论文 2 锚杆在滑动面处或者节理面处的剪切破坏 从许多工程事故中可以看出，锚杆存在局部被剪坏的情况。大量的剪切实验也证明 在节理岩体中采用锚杆加固时，加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增大而增大。但即 使不大的剪切位移就己使锚杆的抗剪作用得到充分发挥。所以，在边坡锚固中，当节理 面或者滑动面发生较大滑移时，锚杆( 钢筋) 就可能会被剪断或发生较大的剪切变形而导 致锚杆加固失效。 3 岩土体破坏 ( 1 ) 锚固段底端有锚定板或膨胀体的锚杆内部岩土体的剪切或受压破坏： 当锚杆的锚固段底端有膨胀体且锚固段长度较短，受荷相对较大时，膨胀体所受拉 力较大，该处灌浆体和岩土体界面的剪应力以及膨胀体对周围岩土体的压应力都较大， 荷载增大到一定程度时，就有可能导致内部岩土体产生受剪破坏或受压破坏，造成锚杆 整体失效。如果锚杆锚固段长度足够一般不会出现此种破坏。 ( 2 ) 锚固段顶端岩体的破坏 当岩石完整且锚杆的深度较浅时，锚固段顶端会出现近似于锥形破裂面的拔出岩块 破坏。在成层岩体中会沿水平层面发生破坏。 ( 3 ) 群锚效应引起的岩土体的破坏 当锚杆布置的较密时，岩土体受力区的重叠引起应力叠加和锚杆位移的叠加，从而 造成岩土体的破坏。 1 2 6 锚杆耐久性研究的历史及现状 世界各地均发生过由于锚杆耐久性不足而导致锚固失效的工程实例：国际后张预应 力协会( f i p ) 的地锚工作小组曾收集到3 5 例预应力锚杆( 索) 腐蚀破坏的实例：瑞士一座由 锚索加固的管线桥台在锚固5 年后倒塌，原因是内锚段所在地层的地下水中含有腐蚀性 物质和劣质施工使内锚段未注满水泥浆，导致钢绞线暴露在腐蚀性的透水地层中产生严 重腐蚀破坏；阿尔及利亚一座大坝的加固锚索锚头附近的油布保护层撕破，造成若干锚 索因锚头附近局部腐蚀而破坏；德国柏林议会大厦预应力混凝土屋顶的预应力钢丝周围 水泥浆体的灌注质量较差，导致了应力腐蚀破坏，最终引发混凝土屋顶倒塌；印度孟买 s h s n e 河上的后张预应力混凝土桥由于预应力筋过早发生严重腐蚀而不得不提早更换； 英国南威尔斯a f a n 河上的名为y n y s y - g w a s 的单跨后张预应力混凝土桥由于桥面上冰 盐沿各纵梁接缝处的渗入使后张预应力筋遭受了严重的腐蚀而导致了整座桥的倒塌。据 5 第一章绪论 报道，a c o y n e 于1 9 3 3 - - 1 9 3 4 年在为加固舍尔法大坝所设计的3 4 根1 0 ，0 0 0 k n 级预应 力锚索中即采用了防腐技术措施，但在2 0 年后( 1 9 6 5 年) 对该坝进行检查时发现预应力 损失已达9 。出现这种情况，估计与锚头松弛及腐蚀因素有关。r o m a n o f f 于1 9 6 2 年 对埋设在土介质中的钢柱的锈蚀情况进行观察，发现钢柱锈蚀主要发生在置于回填土中 的部分，而置于原状土中的基本无锈蚀，原因是回填土土质疏松，其中含有大量氧气【8 】。 我国关于锚固结构耐久性与安全性的研究甚少。国内的相关研究有上世纪7 0 年代 末8 0 年代初所做的水工钢闸门防腐研究，以及环氧涂层在水利工程中的防腐研究等。 近年来，我国土木工程界许多专家学者，对工程的安全性和耐久性问题非常重视，推动 了结构耐久性的研究。结构耐久性和使用寿命问题的研究，己成为结构工程学科的主要 发展前沿。 锚杆支护从5 0 年代引进国内，锚杆锚固技术正在世界各地的隧道支护、矿业采掘 支护、高边坡和深基坑维护等工程中广泛应用。其使用范围也由较完整的围岩到破碎、 松软岩体中的地下结构，直至煤层、土体中的结构，特别是在较软弱的岩体中，它具有 其它支护形式无可比拟的优越性和生命力。但是，锚杆施工为隐蔽施工工程，不仅受到 穿过地层层位、场地条件等因素的影响，还取决于施工工艺与施工管理水平，往往存在 这样或那样的潜在缺陷使施工质量难以满足设计要求，从而造成工程事故与重大经济损 失。因此全面的分析锚杆失效的原因，有效的防治锚杆病害的发生，确保工程的安全质 量，是有重要意义的。 1 3 本文研究的主要内容 如以上所述，土层锚杆在深基坑支护、边坡加固、滑坡治理等工程中的应用日益广 泛，但目前对于土层锚杆应力传递及变形的认识研究还不够，在工程实践中，锚杆的变 形关系到其作用的正常发挥，都是现阶段有待于进一步研究的，在目前正面研究的同时， 从反面研究锚杆的失效原因，分析锚杆病害防治的措施，也是推动锚固技术进步的有效 方法。本文的研究内容有一下几点： 1 分析土层锚杆的发展历程、土层锚杆的特点和土层锚杆模型试验的研究现状， 并着重研究锚杆的作用机理 2 介绍了土层锚杆模型试验的设计，并通过对试验所得数据的整理，得出拉力 型及压力型锚杆的应变曲线，比较两种类型锚杆在注水与未注水两种工况下的变形特 点。同时对坡面压力的分布规律进行研究，并利用轴向应变计算出拉力型锚杆在锚固段 6 长安大学硕士学位论文 的剪力分布曲线。同时利用m i n d l i n 解计算出岩石锚杆的剪力分布曲线与之对比，分析 土层锚杆剪应力分布的特点。 3 结合试验分析锚杆的七种失效形式，并从勘察、设计、施工和检测四个方面 全面的分析锚杆失效的原因 4 从防治病害发生和提高锚杆强度两个角度，提出了锚杆的病害防治的措施。 7 第二章锚杆作用机理的研究 第二章锚杆作用机理的研究 2 1 概述 锚固技术已经经历了近一个世纪的发展。目前，锚固技术己经广泛地应用于岩土工 程的各个领域。但是对锚固机理的研究则起步较晚，且和其它岩土加固技术一样，它的 发展主要不是依靠理论上的突破，而是大胆的采用实践经验，故理论研究落后于施工实 践。由此可见，对锚杆作用机理的研究是目前岩土锚固研究的当务之急。 2 2 岩土锚固理论与设计方法的研究与发展 锚杆支护与传统的支护方法有着根本的区别，随着科学技术的发展，人们不仅限于 对锚固工程的实践总结，而且还可以借助于计算机进行锚固作用机理的研究，由此能够 深入探究锚杆与岩土体的相互作用机理、影响因素以及可能发生的失稳模式，锚杆支护 是一种主动的加固方式，但由于其加固机理及作用方式复杂，至今还没有统一的理论。 2 2 1 得到普遍认同的锚杆支护理论 1 悬吊理论 悬吊理论认为，锚杆支护的作用是通过锚杆将软弱，松动，不稳定的岩土体悬吊于 稳定的岩土体中，以防止其离层滑落，增强较软弱岩层的稳定性起悬吊作用的锚杆主要 是提供足够拉力，用以克服滑落岩土体的重力或下滑力，维持工程稳定。 2 组合梁理论 组合梁理论认为，在层状岩土体中开挖巷道，当顶板在一定范围内，不存在坚硬稳 定的岩层时，锚杆的悬吊作用就居于次要地位。如果项板岩层中存在若干分层，顶板锚 杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避 免各岩层离层现象；另一方面是锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平 错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄层锁紧形成一个较厚的岩层( 组合梁) 。这种 组合梁在上覆岩层荷载的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大为减小，组合梁的挠度 也减小。组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小。 3 组合拱( 压缩拱) 理论 组合拱理论认为，在拱形洞室围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形 成圆锥形分布的压应力，如果沿洞室周边布置杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形 成的压应力圆锥体将相互交错，就能在围岩中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个 长安大学硕士学位论文 承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。该拱的加固作用取决于锚杆的长度与 间距之比及锚杆的预拉应力。 4 加固理论( 增强理论) 在有节理、裂缝等力学不连续面的地层打进锚杆，使已破碎的地层具有一定整体性 或近似整体性，这样的效能称为增强效能。此时，锚杆需要按一定的图案( 如梅花型、 矩形、菱形等) 和间距配置。事实上，就是本身整体性较好的围岩，由于锚杆的张拉作 用，也可成为有整体性的准塑性构造体，岩体特性得以增强和改善，内压理论主要用于 研究松软岩层中的隧道稳定性。与锚杆所受张力相当的力呈内压状态作用于隧道壁，在 内压作用下隧道壁呈三向应力状态，壁面承受切向应力的能力增大，使围岩呈很好的稳 定状态。锚杆的张力则是靠联系杆或喷混凝土传递给壁面形成内压，显然这种效果是增 强作用的一部分。 2 2 2 目前正在研究发展的锚杆支护作用理论 随着对锚固技术的应用与发展，人们己经意识到，现有的锚杆支护理论和作用原理 还不能对锚固作用机理给予合理的解释和定量评价。因此，在前人研究的基础上，目前 又提出了几种新的理论，较有代表性的理论如下： 1 最大水平应力理论： 最大水平应力理论认为，矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明 显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1 5 2 5 倍。巷道顶底板的稳定性主 要受水平应力的影响；其二是与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏 偏向巷道的某一侧；其三是与最大水平应力垂直的巷道，顶、底板稳定性最差。在最大 水平应力作用下，顶、底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变 形，锚杆的作用就是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此，要求 锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，这样才能起约束围岩变形的作用。 目前，由于一些锚杆支护理论是限于一定的地质条件和工程类型提出的，因此，在 某些情况下，它仍不能较好解释和揭示实际作用机理。实际上，对十复杂的岩土工程， 其锚杆的支护作用机理并非是单一的，在很多情况下，多种作用机理同时存在，只不过 一种或两种作用机理占主要而己。 2 锚杆支护围岩强度强化理论： 该理论是在分析己有研究成果的基础土，研究并提出了锚杆支护围岩强度强化理 9 第二章锚杆作用机理的研究 论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固围岩的实质，并为合理确定支护参数提供了理 论依据。该理论的要点是： ( 1 ) 巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩土体相互作用而组成的锚固体， 形成统一的承载结构； ( 2 ) 巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力 学参数改善被锚固岩土体的力学性能； ( 3 ) 巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩土体的峰值强度 和峰后强度、残余强度均能得到强化； ( 4 ) 巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载力， 改善巷道的稳定状况； ( 5 ) 巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷 道的表面位移，控制围岩破碎区和塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。 显然，该理论所提出的观点实际上在锚固设计和理论分析中均有所反映，但均把此 作用作为参数的储备加以考虑。围岩强度强化理论的提出，首次强调了锚杆的锚固作用 在于提高了锚固岩土体的强度，但如何定量评价锚杆参数与提高围岩强度的关系有待于 进一步研究。 锚杆支护作用理论的多样化也必然导致技术理论的不完善。相对于岩石锚杆的内力 计算分析，土层锚杆的内力计算分析发展较晚，而且要分析锚杆的内力就必须弄清楚荷 载的传递机理，土层锚杆通过杆体( 钢束) 和灌浆体形成的锚固体与锚固地层之间的摩擦 作用进行荷载传递，传递机理非常复杂，许多学者对此开展了研究。根据不同的分析方 法，得出的锚杆内力分布规律不尽相同，所以对于锚杆的内力分析没有一个统一的理论 依据，可见锚杆的理论研究还不成熟，有待于深入的研究。 2 3 锚杆锚固段传力机理的研究 锚杆锚固段的传力机理是锚固工程设计中的关键问题。现行的有关设计规范和技术 标准均采用剪应力均匀分布假定进行设计。但这种设计方法并不符合锚杆受力的实际情 况，国内外学者对锚杆的传力机理进行了大量的研究。c o a t e s 和y u 用有限单元法分析 了弹性介质中的理想锚杆特性，研究结果表明粘结剪应力的分布取决于锚杆的弹性模量 e a 与周围岩土介质的弹性模量e g 之比。除短锚杆外( 长径= 6 ) ，比值( e a e g ) 愈小，锚杆 锚固段顶端应力愈集中；反之，比值愈大( 即“软地基) ，应力分布愈均匀【9 1 。f u j i t a 等 l o 长安大学硕上学位论文 总结了3 0 例现场试验成果，提出了临界锚固长度的概念，认为超过这个长度极限抗拔 力增加很少。英国、澳大利亚、加拿大等国的学者和工程师们提出了“注浆锚杆的侧向 刚度、注浆体长度及膨胀水泥含量对杆体与注浆体界面特性的影响”、“有侧限状态下注 浆锚杆的性质、“锚杆注浆体与岩石界面的现场特性和“粘结应力分布对地层锚杆设 计的影响”等理论研究成果【1 们。 下面简述一下国内外典型的锚杆锚固段传力机理研究的分析方法，并对其进行讨论 分析。 2 2 1 剪应力分布的指数函数假定阻1 p h i l l i p s 提出锚杆的界面粘结剪应力按指数函数分布，表达式为： 垒 f ，= r o e d ( 2 1 ) 式中： ro 、t 瑚固段顶端处的粘结剪应力、距锚固段顶端x 处的粘结剪应力； d 、a 锚杆直径、锚杆中粘结剪应力与主应力有关的常数。 沿锚固长度的l 积分，应用边界条件，施加于锚杆的荷载p 为： 整理式( 2 1 ) 和( ( 2 2 ) 得： p ：型：鱼 ( 2 2 ) 彳 三生：彳p 等 p ( 2 3 ) 分析表明，a 值越小沿锚杆的结合应力分布就越均匀。由上述还可知，锚杆的锚固 段长度愈短，愈能发挥粘结剪应力。 2 2 2 按局部变形假定计算锚固段内力分布n l 1 2 侣n 5 伸1 为了研究锚固段内力分布的不均匀性，目前普遍采用基于“局部变形假定”的计算 方法。即用一系列独立作用的“切向弹簧 来描述“锚固体 ( 指锚杆杆体或钢筋和灌 浆体的“复合体”) 同围岩之间的相互关系如图2 1 ，此时剪应力与位移成线性关系： r ，= k u ， ( 2 4 ) 根据锚杆受力情况，列出基本方程如下： 第二章锚杆作用机理的研究 平衡方程： 几何方程： 物理方程： 盟：一【，。dx 5 铲一警 n x - 2 1 5 口s j a no noe 。k ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 图2 1 按照局部变形假定计算锚固段内力分布 式中： n ”o x 、x 一分别为坐标x 处的轴力、拉应力、拉应变。 u 、a 、e r 分别为杆体的周长、截面积、弹性模量。 u x _ 杆体在坐标x 处产生的位移。 l 一杆体和灌浆体之间的粘结剪应力。 以上各式中的负号只表示力的方向。 根据厚壁圆筒理论得刚度系数k 表达式： 后： 垦 ( 2 8 ) ，gl n ( r g r ) 上式中，g g 为灌浆体的剪切模量，r a 为杆体的半径，r s 为灌浆体柱的半径。 将( 2 4 ) 代入( 2 5 ) 并对x 求导得： d 2 n _ x ：一七u 堕 ( 2 9 ) 出2出 由( 2 6 ) 、( 2 7 ) 得： 长安大学硕士学位论文 由( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 得： 令口2 = 苦妣 一d u x ：一s ：一旦 = 一占= 一二 d x e 8 a 由r 2 + a = 0 ，得r 。，：- - - 4 _ a ，那么方程的解为： m = g p 邪+ c 2 p 一“ ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 上式中，c 。、c 。为积分常数，由边界条件确定。边界条件：x - - 0 时，n 。= n o ；x = l 时， n x - - 0 根据边界条件求得c 。、c ：并代入( 2 1 3 ) 式得： m = o 丌e a ( 1 - x ) _ e - a f t - x ) = o 铲 ( 2 1 4 ) 从而： 由此： 出uu s h ( a 1 ) kk u s h ( a 1 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 当l 远大于l a 时，l a l ，则e 也j0 。根据式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) ， 并令a o = n o e 。a ，则n 。、l 和u ，可以简化为： n x = h e 。“ ( 2 1 7 ) f 工：1 一甜 ( 2 1 8 ) - 歹r o a o o e f 工2 l = z 驴嚣p 咽 眨 f l 了( 2 1 4 ) ，( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 可知锚杆的轴力分布曲线与函数s h ( a o - x ) ) 的分布规律一致， 剪应力和位移分布曲线与c h ( a ( 1 x ) ) 函数的分布规律一致。即它们的分布符合双曲线函 1 3 = 嚣帆 等争 第二章锚杆作用机理的研究 数。由( 2 1 7 ) ，( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可知经过简化后得出的剪应力分布与p h i l l i p s 提出的指数分 布相一致，即其分布符合指数函数。取a = l ，z = 2 5 分别绘制双曲线函数 s h ( a ( 1 一x ) ) ，c h ( a ( 1 一x ) ) 和指数函数e - 1 2 的函数曲线如图2 2 由上面的对比可以看出，当l a l 时，采用局部变形理论计算得出的结果与 p h i l l i p s 提出的指数分布是比较接近的。采用上述方法得出的结果与一些岩石锚杆实验 结果比较吻合。 图2 2 局部变形理论与p h i l l i p s 理论应力分布对比 2 2 3 弹性理论法 对锚杆研究的弹性理论法是由对桩的研究借鉴而来。这种方法是对桩土系统用弹性 理论方法( 即在半空间内一点处受力的m i n d l i n 解) 来研究单桩竖向荷载作用下桩土之间 作用力与位移之间的关系，进而得到桩土之间的相互作用模式。弹性理论法首先由 d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i 在1 9 6 3 年提出，以后国内外许多学者均对单桩在竖向荷载作 用下用弹性力学方法研究桩土共同作用问题。 在这些研究中，对桩土做了如下假定【1 7 】 1 地基土是弹性的、均匀的、连续的各向同性的半无限体。弹性常数e r 、v r 不受 桩的插入而改变。 2 假定打入桩，桩内不存在残余应力。 3 假定桩与桩侧相邻土之间的位移协调一致，即桩土之间没有产生滑动，桩身某 点的位移即为相邻点土体位移。 4 将桩身划分为若干单元( 桩段) ，每段以荷载代替。 各位学者的分析方法不同之处是假定桩长方向桩侧剪应力的分布形式的不同。大体 可分为一下四种： 1 4 长安大学硕士学位论文 1 桩侧剪应力以作用于桩轴线上的集中力代替( d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i ，1 9 6 3 年； t h u r m