（土木工程专业论文）拉力分散型锚索在铁路明挖基坑中的应用.pdf

0，i 独创性声明 , | | jr|ll|rllll i l lj l y 1 7 8 9 0 型百。 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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j 竖塞王些太堂或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：茸幺扛日期：上叫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 摘要 摘要 岩土预应力锚固技术是- - i 迅速发展中的工程技术。随着锚固技术的进步和 时间推移，其应用领域愈加广泛，应用于边坡治理、地下工程、水利工程、采矿 工程、抗浮工程和桥梁工程等，而且规模从过去的一个项目需几十根预应力锚索 加固，发展成一个项目用上万根预应力锚索加固。预应力锚索因其主动提供支护 力、改善地层结构、场地适应性强、操作便捷、维护简单、造价低廉等因素被工 程上广泛采用。由于预应力锚索广泛应用，对各类预应力锚索锚固机理的研究是 人们一直研究的课题。在现阶段铁路及地铁基坑工程中，采用较多的为拉力分散 型预应力锚索，其锚固特点、工作机理、锚固效果等研究一直滞后于工程实践， 而预应力锚索对基坑支护结构影响极为重要，为此，有必要对拉力分散型锚索在 基坑支护中应用作深入研究。 本文首先总结了现阶段预应力锚索的应用现状以及拉力分散型锚索设计原 理。其次本文以海南某深基坑作为工程原型，通过对拉力分散型锚索拉拔试验， 提出了预应力锚索在海南特有的地质条件下预应力锚索参数的选择，结构的调 整，及力学状态的分析。第三通过对预应力锚索现场监测的数据分析，本文对拉 力分散型预应力锚索在五个特定工程状况下的应力状态、锚固效果、施工影响逐 一做了研究，并提出优化拉力分散型锚索施工组织方案，以提高拉力分散型锚索 在工程应用中的有效性和实用性。最后本文通过f l a c 3 d 软件模拟基坑开挖状 态，求得拉力分散型锚索在锚固土层中的应力状态和对支护桩的内力和位移影 响。同时对比现场监测数据，分析预应力锚索对基坑支护结构的影响。本文在原 有工程技术和理论基础上，针对琼北特定土层条件，提出拉力分散型锚索的优化 方案，为拉力分散型锚索在深基坑中应用提供合理的设计和施工依据。 关键词预应力锚固；拉力分散型锚索；基坑支护；拉拔试验；基坑监测；数值 模拟 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r e s t r e s s e d a n c h o r a g et e c h n o l o g yi ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi sar a p i d d e v e l o p m e n te n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y i ti sb e c o m em o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o na r e ai n s l o p ep r o j e c t ，u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g , m i n i n ge n g i n e e r i n g ， a n t i - f l o a t i n ge n g i n e e r i n g a n d b r i d g ee n g i n e e r i n gb yp r e s t r e s s e da n c h o r a g e t e c h n o l o g yp r o g r e s s e sa n dt h ee l a p s eo ft i m e ，a n da l s ot h es c a l eo n l yn e e d sd o z e n so f p r e s t r e s s e da n c h o r si no n ep r o j e c tf r o mt h ep a s tt ot h o u s a n d so f p r e s t r e s s e da n c h o r si n o n ep r o j e c tn o w i ti sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gf o ri tc a no f f e r e ds u p p o r tf o r c e ， i m p r o v et h es t r a t u ms t r u c t u r e ，v e n u ea d a p t a b l e ，e a s yt om a i n t a i na n do p e r a t e ，l o wc o s t i ti sa l w a y sp a i dc l o s ea t t e n t i o nt ot h ea n c h o r i n gm e c h a n i s mo fv a r i o u sf o r m so f p r e s t r e s s e da n c h o r sb yr e s e a r c h e r sb e c a u s eo fi t sw i d e l yu s i n g a tt h ep r e s e n ts t a g e ， t e n s i o nd i s p e r s i o n - t y p ea n c h o rw a su s e di nm o s tr a i l w a ya n ds u b w a yf o u n d a t i o np i t h o w e v e r , t h er e l e v a n tt h e o r e t i c a lr e s e a r c hl a g sf a rb e h i n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei n a n c h o r i n gc h a r a c t e r i s t i c ，w o r k i n gm e c h a n i s m ，a n c h o r i n ge f f e c te t c s oi ti sn e c e s s a r y t om a k et h o r o u g hr e s e a r c ha b o u tt e n s i o nd i s p e r s i o n - t y p ea n c h o ru s e di np r o t e c t i n g f o rf o u n d a t i o np i t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ec u r r e n ta p p l i c a t i o no ft h ep r e s t r e s s e da n c h o ra n dd e s i g n p r i n c i p l eo ft e n s i o nd i s p e r s i o n - t y p ea n c h o ri ss u m m a r i z e d s e c o n d l y , w i n la d e e p f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi nh a i n a ni sa d o p t e da sa ne x a m p l e ，b a s e do n d r a w i n gt e s to ft e n s i o nd i s p e r s i o n - t y p ea n c h o r , t h ep a p e rp r o p o s et h ep a r a m e t e r s s e l e c t i o ni nd e s i g n ，s t r u c t u r ea d j u s t m e n ta n dm e c h a n i c a la n a l y s i so fp r e s t r e s s e d a n c h o ri nt h eu n i q u eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nh a i n a n t h i r d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so f m o n i t o r i n gd a t ao fp r e s t r e s s e da n c h o r , i ti sr e s e a r c h e ds t a t eo fs t r e s s ，a n c h o r i n ge f f e c t ， c o n s t r u c t i o ni m p a c to nf i v es p e c i a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o no ft e n s i o nd i s p e r s i o n - t y p e a n c h o r , a l s o i t i s p r o p o s e do p t i m i z a t i o n c o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o ns o l u t i o nt o i m p r o v et h ep r a c t i c a b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft e n s i o nd i s p e r s i o n t y p ea n c h o r f i n a l l yt h e s o f tf l a c 3 di sa d o p t e dt on u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h e nt h ef o u n d a t i o np i ti se x c a v a t e d t og e tt h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s so ft e n s i o nd i s p e r s i o n t y p ea n c h o ri ns o i l a n d a n a l y s i n gi m p a c to fb r a c i n gs t r u c t u r eo ff o u n d a t i o np i tb yt e n s i o nd i s p e r s i o n t y p e a n c h o rb a s e do nc o m p a r i n gt h ed a t eo fm o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e d o nt h ec u r r e n te n g i n e e r i n gr e c b n o l o g ya n ds c h e m e s ，a i m e da ts p e c i f i cs o i lh o r i z o ni n n o r t ho fh a i n a n ，t h ep a p e rp r o p o s eo p t i m u mp r o p o s a lo ft e n s i o nd i s p e r s i o n t y p e 北京工业大学工学硕士学位论文 a n c h o rt o p r o v i d e t h er e a s o n a b l er e f e r e n c e sw h i c h a p p l i c a t i o n o ft e n s i o n d i s p e r s i o n t y p ea n c h o ri nd e e pf o u n d a t i o np i tf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s p r e s t r e s s e da n c h o r a g e ；t e n s i o nd i s p e r s i o n - t y p ea n c h o r ；b r a c i n g s t r u c t u r e ；d r a w i n gt e s t ；m o n i t o r i n g o ff o u n d a t i o n p i te n g i n g e e r i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 锚索应用领域发展现状1 1 1 1 预应力锚索技术在国外应用领域现状l 1 1 2 预应力锚索技术在国内应用领域现状l 1 2 新型锚索研制及施工工艺现状4 1 2 1 预应力锚索种类繁多，新型锚索结构增多4 1 2 2 预应力锚索在施工工艺发明不断7 1 2 3 预应力锚索在承载力上不断增加8 1 2 4 预应力锚索在防腐技术和耐久性能不断增加8 1 3 预应力锚索试验及理论研究现状9 1 3 1 预应力锚索室内模型试验研究9 1 3 2 整体加固效果现场试验研究概况1o 1 3 3 预应力锚索理论研究。1 1 1 4 预应力锚索标准制定现状1 4 1 4 1 国内预应力锚索标准制定现状1 4 1 4 2 国外预应力锚索标准制定现状15 1 5 预应力锚索监测技术现状1 6 1 5 1 预应力锚索监测理论研究发展迅猛16 1 5 2 预应力锚索监测设备多种多样1 6 1 6 本文的选题意义、研究内容和主要创新之处1 8 1 6 1 选题意义18 1 6 2 研究内容。18 1 6 3 本文创新之处19 第2 章拉力分散型锚索设计及研究2 1 2 1 锚索设计的一般规定与设计流程2 l 2 2 拉力分散型锚索设计。2 2 2 2 1 锚索的配置。2 2 2 2 2 锚索安全系数2 4 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 3 锚索杆体设计2 5 2 2 4 锚索锚固段设计2 5 2 2 5 锚索自由段设计2 7 2 2 6 外锚头设计2 7 2 2 7 拉力分散型锚索构筑物稳定性验算。2 8 第3 章拉力分散型锚索工程实例及抗拔试验分析3 3 3 1 拉力分散型锚索的现场施工3 3 3 1 1 工程简介3 3 3 1 2 环境条件3 3 3 1 3 岩土工程条件3 4 3 1 4 水文地质条件3 5 3 1 5 选择拉力分散型锚索支护优势3 6 3 1 6 拉力分散型锚索设计与施工3 6 3 1 7 拉力分散型锚索施工步骤及施工方法。3 7 3 2 拉力分散型锚索基本试验4 0 3 2 1 试验目的4 0 3 2 2 试验项目。4 0 3 2 3 试验方法_ 4 0 3 2 4 测点布置4 l 3 2 5 试验锚索施工情况4 2 3 2 6 试验锚索结果4 3 3 3 小结。6 3 第4 章拉力分散型锚索长期监测分析6 5 4 1 锚索监测目的6 5 4 2 锚索监测方案6 5 4 2 1 预应力锚索监测方案编制依据6 5 4 2 2 预应力锚索监控量测仪器选择6 5 4 2 3 预应力锚索监测测点布置及监测方法6 7 4 3 监测结果统计7 0 4 4 监测结果分析7 5 4 4 1 工况一状态下锚索监测结果分析7 5 4 4 2 工况二状态下锚索监测结果分析7 5 4 4 3 工况三状态下锚索监测结果分析7 6 目录 4 4 4 工况四状态下锚索监测结果分析7 6 4 4 5 工况五状态下锚索监测结果分析7 6 4 5 小结7 7 第5 章拉力分散型锚索建模分析7 9 5 1 基坑支护设计数值方法研究概况7 9 5 2f l a c 程序简介8 0 5 2 1f l a c 程序性能与优点8 0 5 2 2f l a c 3 d 中选用的结构单元介绍8 1 5 3 数值模拟过程8 2 5 3 1 数值模拟模型建立和主要参数选取8 2 5 4 数值模拟结果8 4 5 4 1 锚索支护下桩位移数值模拟结果8 4 5 4 2 锚索轴力变化结果对比8 5 5 3 3 普通拉力型锚索于拉力分散型锚索位移变化云图8 6 5 3 4 小结8 8 结论8 9 参考文献9 l 攻读硕士学位期间所发表的学术论文9 5 致谢9 7 北京工业大学工学硕士学位论文 一v i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 锚索应用领域发展现状 1 1 1 预应力锚索技术在国外应用领域现状 从锚固工程技术发展史来看，预应力锚索技术发展首先应用在大坝加高加固 工程中。1 9 3 4 年，法国在阿尔及利亚c h e u r f a s 混凝土坝加高和缺陷处理中首次 应用了3 7 根1 0 0 0 0 k n 的预应力锚索，每根锚索由6 3 0 根直径为5 m m 的高强钢 丝组成，并经过2 0 年监测锚索预应力损失仅为9 。从此揭开了预应力锚索技术 在大坝加固广泛应用的序幕【l 】【2 1 。在从那以后，印度的坦沙坝、南非的斯登不拉 斯坝、英国的亚格尔坝奥地利的斯布列希坝等也同样采用了相同技术的预应力锚 索加固 3 】。在建筑基坑应用中，1 9 5 7 年原联邦德国b u a e r 公司在深基坑中采用土 层预应力锚索。2 0 世纪6 0 年代，前捷克斯洛伐克的l i p n o 电站主厂房、前联邦 德国的w a l d e s k i i 地下电站主厂房等大型地下洞室采用高预应力长锚索和低预应 力短锚索相互结合的支护形式【4 】。前联邦德国也采用1 0 4 根长7 5 米，设计荷载 为4 5 0 0 k n 的预应力锚索加固1 9 0 8 1 9 1 4 年建成的e d e r 混泥土重力坝。澳大利 亚是近年来预应力锚索加固重力坝技术发展最快的国家，1 9 8 0 年以来至少1 5 座 大坝采用预应力锚索加固或加高。并且在巴林贾克坝锚索施工中以1 3 0 m 、 1 6 2 5 0 k n 创造了当时最长、锚固力最大的预应力锚索记录。 1 1 2 预应力锚索技术在国内应用领域现状 我国预应力锚索技术应用始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 4 年安徽省梅山水库在 岩石坝基的加固中，首次使用了1 0 2 根最大预应力为3 2 0 0 k n 的预应力锚索【5 j 。 国内锚索单孔安装荷载最大已达1 0 0 0 0 k n ，截止到2 0 0 4 年5 月底完成的工程中， 单项工程应用预应力锚索数量最多的项目是三峡水利枢纽永久船闸边坡加固工 程，共使用4 5 4 0 余根预应力锚索居世界首位【2 】。 改革开放以来，随着国内经济建设的全面展开，预应力锚索发展速度也非常 迅猛。尤其表现在工程领域规模数量不断发展，主要表现在如下几个领域： ( 1 ) 水利水电工程应用。在水利水电工程中，大坝边坡工程是较为常用预应 力锚索加固的地方。小湾电站于2 0 0 2 年1 月2 0 日正式开工，位于云南省西 部南涧县与风庆县交界的澜沧江中下游河段，坝高2 9 2 m 是当时世界上修建 北京工业大学工学硕士学位论文 最高的拱坝，坝址位于高地震烈区。坝前因有规模较大的崩塌堆积体，开 挖后形成近7 0 0 m 的高边坡，为保障小湾工程顺利施工，此边坡加固成为工 程关键性问题之一。在设计边坡加固时，预应力锚索使用1 0 6 0 9 根采用设 计荷载为1 0 0 0 6 0 0 0 k n ，为适应复杂的地质情况，选用了几乎当时国内各 种类型的锚索：拉力型、压力型、压力分散型、双层防护型等。预应力锚索 在此项工程成功应用说明我国预应力锚固技术已经进入世界先进水平【6 1 。锦屏一 级水电站于2 0 0 5 年正式动工，在进水口边坡工程治理中，共布置了1 8 7 根预应 力锚索，锚索长度为7 0 - 1 0 0 米，锚索吨位为3 0 0 0 k n 。位于广西境内的龙滩水电 站坝基和两岸形成人工高坡，于2 0 0 2 年施工，采用了锚索3 0 0 0 余束，根据不同 部位，分别使用1 0 0 0 k n ，2 0 0 0 k n ，3 0 0 0 k n 加固【7 1 。同样近些年来，金安桥水电站、 溪洛渡水电站、景洪水电站、白龙江苗家坝水电站、李家峡水电站、龙滩水电站、 天生桥一级电站等水利水电高边坡治理过程中，均采用了高吨位的预应力锚索进 行加固。 在水利水电工程中，对水电站地下厂房建设也同样需要高吨位的预应力锚索 加固。小浪底水利枢纽主厂房宽2 6 2 m ，长2 5 1 5 m ，最大高度6 1 4 4 m ，采用乱8 m 锚索承载力为1 5 0 0 k n 的预应力锚索。同样二滩水电站地下厂房采用了1 7 5 0 k n 的预应力锚索。此外龙滩、彭水、三峡等水电站的大型洞室工程，均采用预应力 锚索、系统布置的张拉( 低预应力) 锚杆和配筋喷射混凝土( 或纤维喷射混凝土) 等相互结合的围岩支护方法，保持了洞室的稳定【8 】【9 1 。 同样，在对重力坝加固工程和对大坝裂缝处理中，预应力锚索同样是设计中 较为常用的技术。丰满、漫湾、石泉、李家峡等电站均采用承载力设计值为 6 0 0 0 - 1 0 0 0 0 k n 的预应力锚索加固。1 9 7 5 年5 月正式施工的白山水电站大坝在施 工过程中浇筑至3 7 4 5 米高的坝面出现4 条裂缝，随着继续加高过程中，荷载的 加大，裂缝可能继续发展，严重影响大坝的安全。1 9 8 1 年由有关部门作出如下 加固方案：锚索分三层布置，第一层在坝面打锚墩，布置7 根对称锚索，对其中 第l 、2 号裂缝施加预应力。第二层由坝面向上游迎水面往斜下方打6 根对穿锚 索加固1 号裂缝。第三层由3 4 0 米高程廊道向上游迎水面打7 根水平的对穿锚索， 加固1 号裂缝。以上2 0 根加固锚索张拉荷载均为6 0 0 k n ，设计荷载为5 0 0 k n 【1 0 】。 参窝水库于1 9 7 3 年建成，大坝高5 0 3 米，坝长5 3 2 米。自建成以来，相继在 混凝土大坝上发现数百条纵横向裂缝，成为威胁大坝安全运行的重大问题之一。 经过国内专家调查研究和试验工作基础上，参窝水库加固工程采用内锚式预应力 锚索加固坝体，锁定荷载为5 5 k n 1 1 】。湖南省永顺县马鞍山水库于1 9 8 9 年竣工， 在经历无数次较大洪水后，大坝闸墩产生裂缝和渗漏，为增加大坝安全性，设计 者用2 0 0 0 k n 3 0 0 0k n 的预应力锚索成功加固，比直接加重大坝节省支出1 5 ， 工期节省4 0 。5 0 【1 2 1 。 ( 2 ) 深基坑支护工程应用。近些年，由于轨道交通建设发展比较快，特别是 一2 第1 章绪论 城市地铁建设，城市中的明挖地铁车站基坑支护，较多得采用了预应力锚索支 护。如北京地铁5 号线雍和宫站深基坑工程，基坑深度达到2 3 m ，采用桩锚支 护，东西两侧各使用3 排和4 排锚索支护【1 3 】。此工法的成功应用，为在北京地区 地层条件下的深基坑施工中，采用预应力锚索作为支护技术奠定基础。沈阳市地 铁一号线黎明文化宫站、北京城铁1 3 号线东直门站、北京地铁5 号线北土城东 路站、深圳地铁一期工程少年宫站、深圳地铁水晶岛站。、广州地铁五号线猎德站、 广州地铁一号线公园前站均采用了预应力锚索支护技术。在大型建筑基坑施工 中，预应力锚也是较为常用的支护手段。北京中国银行大厦基坑开挖深度达 2 1 5 2 4 5 m 。由3 4 排设计承载力为8 0 0 k n 的锚索1 3 0 0 余根，其中东侧3 3 7 根 预应力锚索采用了抽芯拆除技术【1 4 1 。首都机场扩建工程的地下车库，为抵抗基 础受地下水的浮力，采用了1 0 0 0 多根承载力大于2 0 0 0 k n 的压力分散型锚索。 北京东方广场平均开挖深度2 0 m ，最深达2 5 m ，毗邻东长安街、王府井大街和东 单大街繁华地段，对基坑施工要求较高，设计方采用三排锚索支护，支护力由 2 5 0 k n 到6 5 0 k n 不等。我国台湾桃园都市生活大厦基坑工程，处于卵石层中， 开挖1 7 m ，采用h 型钢桩，木背板，由5 道锚索背拉钢桩，锚索使用功能完成 后，完成拆芯，不影响周围建筑物基础p j 。 ( 3 ) 隧洞或地下工程应用。其中采矿工程中应用较多的一般是锚杆锚固 岩层。但是近年来，随着挖掘深度的加深和对采矿环境安全要求加大，矿 用锚索逐渐应用到某些采矿工程加固中。矿用锚索一般为矿用单束锚索， 一般用一根钢绞线安装在一个锚索孔中形成的锚索。其主要特点是：孔径 小( 2 8 中3 2 m m ) 、长度短( 约5 1 0 m ) ，主要利用树脂锚固剂将单根钢 绞线端头锚固，已成为煤矿巷道支护中的主要手段之一【l5 1 。我国煤矿中每 年使用锚索或者锚喷支护的巷道约为5 0 0 0 k m 以上。在公路或者铁路等交通 隧道中，一般采用钢筋作为预应力筋的短预应力锚杆较为常用，如果隧道 所在山体存在发生整体性滑移可能，则在隧到洞外实施预应力锚索加固， 如赣龙铁路古田隧道围岩为千枚状页岩，且存在严重偏压，为不影响隧道 整体滑动，采用预应力锚索加固山体，收到明显效果【l6 1 。 ( 4 ) 桥梁工程中对桥梁基础稳固应用。对于某些重要桥梁，特别是悬索 桥，在其河流一侧的桥墩处承受由钢索传递的荷载，往往桥墩容易受此荷 载发生位移，如果在地质条件较差的软岩地区，尤其需要将桥墩固定在较 为可靠的深层岩层中，此时锚索起到非常重要的加固作用。澳大利亚悉尼 通往g l e b e 岛的钢索斜拉桥同样采用高承载力的预应力锚索将基础桩与下 卧的砂岩层锚固起来，以承受较大的上举力【1 1 7 1 。每根锚索由6 4 根直径为 1 5 2 m m 的钢绞线组成，锚孔直径3 1 0 m m ，锚索长4 0 4 6 m ，极限承载力 1 6 7 0 0 k n ，共用了2 2 根预应力锚索。 ( 5 ) 抗浮工程应用。在地下车库、贮库船坞、消力池等低洼结构物，若 北京工业大学工学硕士学位论文 依靠自身重力来抵抗上浮力，常常是很不经济的。近年来，将结构物底板 锚固于下卧地层的方法抵抗上浮力引起的垂直位移的技术，已经显示了明 显的技术经济优越性。1 9 9 0 年9 月俄罗斯叶塞尼河上s a y a n e s h u s h e n s kh p s 工程的消力池底板共安装了3 5 0 根锚索，将消力池大体积混泥土板块锚固 到厚越1 0 米的基岩上，锚索长2 0 米，极限抗拔力为1 6 0 0 k n 。在经历1 9 9 2 年等几次洪水后，依然未对结构产生影响【1 8 】。在我国，大型建筑基础抗浮 锚索应用实例日益增多。北京新保利大厦、首都机场及第五广场等地下室 先后采用压力分散型抗浮锚索，效果良好。上海龙华污水处理厂沉淀池， 处于饱和软土中，共用1 0 2 8 根抗浮锚索，经过十几年的运营考验，水池结 构稳定p j 。 1 2 新型锚索研制及施工工艺现状 1 2 1 预应力锚索种类繁多，新型锚索结构增多 由于预应力锚索结构多样性和复杂性，使得对其进行准确分类较为困难。一 般分类如下：预应力锚索按束体与周围介质固结方法，可分为两类：粘结式和机 械式。机械式固定方法主要适用于岩层中的临时性固定，国内外矿山工程中最早 用的楔缝式和涨壳式锚索是典型的端头式机械固定锚索。其特点是在锚索固定 后，立即达到足够的强度，即时提供支护抗力。粘结式锚索是最为常用的一种锚 索，其内锚固段工作稳定可靠、耐久性好、价格适当、施工方便，并且对于其内 锚固段的力学性质，国内外研究较为普遍，粘结式锚索的力学特性已经较为准确 能用公式计算。 按束体是固定一处还是分散固定在多处，可将锚索分为：荷载集中型和荷载 分散型。荷载集中型由锚固段形式受力不同又可分为拉力集中型和压力集中型两 小类；同样荷载分散型由锚固段受力形式不同也可相应分为拉力分散型、压力分 散与拉压分散型三类【2 】【1 9 】。 拉力型锚索定义为锚索自由段在波纹管内，可自由伸缩，锚固段筋体与灌浆 体粘结受锚固力的锚索。压力型锚索定义为锚索自由段与锚固段均在波纹管内， 可自由伸缩，锚固段通过端部承载体对灌浆体施压受力的锚索。拉力分散型锚索 一般定义为同一钻孔中，由若干个自由段长度不等，各单元锚固段错开的拉力型 单元锚索组成。拉力分散型锚索一般定义为同一钻孔中，由拉力型单元锚索组成， 自由段长度不等，各单元锚固段错开布置的锚索。压力分散型锚索一般定义为同 一钻孔中，由压力型单元锚索组成，自由段长度不等，各单元锚固段错开布置的 锚索。拉压分散型锚索一般定义为同一钻孔中，锚索单元有承载体同时有无粘结 钢绞线对灌浆体有压力和拉力同时作用的锚索。 一4 第1 章绪论 这几种锚索性能差异比较明显，荷载集中型锚索( 单孔单一锚固) 与荷载分 散型锚索( 单孔复合锚固) 结构简图和粘结应力【1 9 l 【2 0 】【2 1 1 见图1 1 ，1 - 2 。 摩阻应力 浆体 受拉杆体 芒兰兰生兰兰坚 _ + 一二一j 一 兰i 了= i i _ = j i _ _ i i ；一二i _ = i i j 拉力集中型锚索示意图 压集中型锚索示意图 】，。、，? ， 5 0 及相对密度 d r 2 年 对于预应力筋的抗拉安全系数，锚索的轴向拉力设计值应不大于预应力筋抗 力强度的6 0 。我国规范 4 6 1 规定，锚索预应力筋安全系数永久锚索为1 8 ，临时 锚索为1 6 。当锚索抗拉安全系数低于上述规定是不安全的，这主要是因为锚索 张拉后各股钢绞线拉应力常常是不均匀的。其次当被锚固的结构物发生明显的位 移时，预应力筋被进一步张拉，也会使筋体的拉力值远远超过设计拉力值。 2 2 3 锚索杆体设计 预应力锚索一般采用钢绞线或钢丝作为杆体筋材，这类具有比钢筋高的多的 抗力强度，能大大降低锚索的用钢量，及钻孔工作量。并此外钢丝、钢绞线弹性 模量较高，在施加预应力时对千斤顶等施加预应力工具要求较少。 现在用于基坑支护的拉力分散型锚索主要采用钢绞线结构为7 股钢丝组成 的标准型钢绞线，强度等级一般为18 6 0 m p a 。 锚索杆体截面积应按下式确定： 啦华瓤学 ( 2 1 ) jp t k jv k 式中k 锚索杆体抗拉安全系数； f 锚索轴向拉力设计值( k n ) ； 厶厶钢筋、钢绞线抗拉强度标准值( m p a ) 。 2 2 4 锚索锚固段设计 ( 1 ) 锚固段提供锚固力应满足的条件： r a = t h | s f 疋l 乃瓦 2 5 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 式中c 锚索容许锚固力，k n ； z ，锚索极限锚固力，k n ； s ，锚固体抗拔安全系数，系数选择见表2 1 ； z ，锚索工作锚固力，k n ； 乃锚索设计锚固力，k n 。 ( 2 ) 拉力分散型锚固段锚固长度设计 预应力锚索锚固长度设计时，工程界现阶段采用以下假设：拉力型或者拉力 分散型锚索的锚固段呈圆柱状，锚束体传递给浆体以及浆体传递给周围岩土体的 剪应力沿内锚固段长度均匀分布：滑移或剪切破坏发生在锚束与浆体及浆体与 围岩土体界面上【4 7 】【4 8 1 。如果遵循以上前提假设均可按下列公式估算锚固段长度 并取其中最大值： 球菇 ( 2 6 ) 厶毒 ( 2 - 7 ) 刀7 a 。5 j 缈 式中k 锚固体抗拔安全系数，系数选择见表2 1 m 单元锚索轴向拉力设计值( 斟) ； 。锚固段长度( m ) ； 丘锚固段灌浆体与地层间粘结强度标准值( k p a ) ，应通过试验确定。 当无试验资料时可按锚杆喷射混凝土支护技术规范 ( g b 5 0 0 8 6 2 0 0 1 ) 和岩土锚杆( 索) 技术规程( c e c s 2 2 ：2 0 0 5 ) 推荐取值； 厶锚固段灌浆体与筋体之间粘结强度标准值( k p a ) ，应通过试验确定， 当无试验资料时可按锚杆喷射混凝土支护技术规范 ( g b 5 0 0 8 6 2 0 0 1 ) 推荐取值； d 锚杆锚固段钻孔直径( n 1 1 1 1 ) ； d 钥筋或钢绞线直径( n u n ) ： f 采用2 根或者2 根以上钢筋或钢绞线时，界面粘结强度降低系数， 取0 6 0 8 5 ； 锚固长度对粘结强度的影响系数； n 钥筋或钢绞线根数。 但在实际工程中，浆体同孔壁的摩阻力并不是均匀分布的，许多研究和试验 成果表明，锚固段沿孔壁的剪应力呈递减分布，其分布是不均匀的，并不是锚固 段越大，其抗拔力越大，当锚固段长到一定程度，拉拔力提高并不显著，所以增 一2 6 第2 章拉力分散型锚索设计及研究 加锚固段长度并不是提高设计张拉力的好办法，正因为如此国际预应力混凝土协 会实用规范( f i p ) 也特别规定锚固段长度不宜超过l o m 。如果l o m 的锚固段长度 尚不能满足工程需要，可采用改善锚固段结构的方法，提高锚固力。 2 2 5 锚索自由段设计 在桩锚支护中锚索自由段长度选择应保证锚索穿过锚固土层自桩底滑移面， 以起到锚索限制桩开挖变形的作用，如图2 4 所示。 一 幽毁 ， 图2 4 锚索自由段长度示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ff r e e d o ml e n g t ho ft h ea n c h o rb a r 我国规范【4 1 】【4 6 】规定锚索自由段长度应穿过滑裂面不少于1 s m ，且不应小 于5 0 米。此时锚索将结构物锚固于比破坏面更深的地层，以保证锚索和被锚固 结构的整体稳定性。 2 2 6 外锚头设计 外锚头处于锚索的外端，将锚索预应力传递到支承结构的装置。锚头通常由 锚具、承载板和台座组成。外锚头设计应注意一下问题： ( 1 ) 外锚头承载力必须与锚索最大荷载相匹配。 ( 2 ) 工作锚具是保持锚固力的关键部件，要有可靠的锚固性能、耐久性和可 重复使用的特点。 ( 3 ) 外锚头结构形式应有利于布置、安装不影响其他旌工部位的施工空间。 ( 4 ) 垫墩主要作用是将锚具和承压垫板的力，分散传递给被锚固构筑物，并 且使锚索受力力方向与锚具承力方向垂直。通过计算，要使垫墩与围岩接触面应 力不至于锚头破坏或产生较大位移，必要时混泥土垫墩内安放防裂筋。混泥土强 度等级不应低于c 3 0 ，混泥土垫墩不宜小于lo e m 。 ( 5 ) 承压板采用普通钢板，使锚索孔轴线垂直于锚具，同时把锚具受的压力， 分散传递至锚墩上。以避免工作锚具直接施压力，使锚墩压损。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 7 拉力分散型锚索构筑物稳定性验算 预应力锚索锚固构筑物时，除了锚索的极限抗拔力满足外，还必须验算锚索 与构筑物的稳定性。稳定性验算分外部稳定性与内部稳定性验算两种。 外部稳定是指锚索锚固体、构筑物与地层整体不出现塌滑破坏的稳定。外部 稳定的计算一般采用圆弧滑动法，内部稳定的计算一般采用e k r a n z 法。 ( 1 ) 多排锚索支承的内部稳定性验算 内部稳定是将构筑物与锚固体作为一个结构整体来考虑的稳定。实际上，该 构筑物稍有表现，就会使背面的土压力进入主动状态，由于难于控制该表现，故 有必要对内部稳定进行充分的研究和验算。采用e k r a n z 计算求得的侧压力值遇 库伦及朗金理论计算所得的土压力值是不同的。在黏性土及地下水位高的砂性 土，两者差别更大。 单排锚固支承时的内部稳定性验算采用e k r a n z 法如图2 5 。 由锚固体中点c 向挡土墙结构下端b 连直线，并假定为深部滑动线，在通 过c 点垂直地面作直线c d ，这样，a b c d 块体上除作用自重g 外，e 。，e 和q ，当 块体处于平衡状态是，可利用力多边形求得锚索承受的最大拉力r 。舡，其水平力 与设计水平力之比为安全系数。并且应确保安全系数在1 2 1 5 以上。 0 毋有效荷重 特 瓠 图2 - 5 单排锚索e k r a n z 法计算模型 f i g 2 5c o m p u t a t i o n a lm o d e l i n go fe k r a n z sm e t h o di ns i n g l er o wo fa n c h o rb a r s 锚索最大水平分力r 。一，也可根据图所示的力相平衡，按下式求得( 砂层 时，c = 0 ) ： e 施= 矿一( e 二一e l ) 留6 】培( 矽一乡)( 2 - 8 ) 眠。：刍二刍止生一( 2 - 9 ) 心一2 最端 式中深层滑动线上面的土体重量； e 挡土结构上端至挡土结构假设指点间所受的主动土压力； 日假设的锚固壁面上所受的主动土压力； 第2 章拉力分散型锚索设计及研究 口锚索倾角； 矽土的内摩擦角； 万墙与土间的内摩擦角； 口深层滑动线的倾角。 ( 2 ) 多排锚索支承的内部稳定性验算 考虑到各个锚索集合效应，应当计算多排锚索产生的多个滑动面。下面介绍 双排锚索支承时的4 种配置情况。 第一种情况 上排锚索较下排锚索短。上排锚索的稳定性可由滑动面的延长系数b o a 及斜 线部分地层a b c e 相关力的平衡求得。见图2 - 6 ，此时滑动面b c 安全系数可用下 式求得： 0 有效荷重q lj 【llilj 磬 贸 峨 ( a ) ( b ) 图2 - 6 双排锚索支撑力系平衡图 f i g 2 - 6b a l a n c e ds y s t e mo ff o r c ei nd o u b l er o w o fa n c h o rb a r s 吒= r ( 6 c ) m 缸p 0 ( 1 i i ) ( 2 1 0 ) 式中，民_ c 滑动面的安全系数； r h ( b o 锚索应承受的最大拉力在水平方向上的分力； 昂m ) 上排锚索在水平方向上的锚固力设计值。 下排锚索深层滑动面b f , 可通过作用于单元体a b n l 的力的平衡来求得锚索 最大拉力的水平分力兄一。此时两排锚索的合力( 岛。+