岩土锚固安全评价与处治技术研究

1、岩土锚固安全评价与处治技术研究报告简本1、引言“岩土锚固安全评价与处治技术研究”系2004年交通部西部交通建设科技项目。项目的立项主要基于以下背景：（1）作为隐蔽工程，如何评价边坡锚固工程的施工质量是否满足设计要求，实践中虽然通过验收试验及长期监控的手段来控制，但却存在国内外尚未解决的如何根据获得的资料来判断工程质量的问题。（2）在缺乏资料与数据的情况下，如何评价锚固工程的质量及安全、如何找出工程隐患和评价其危害程度以及如何处治这些工程隐患是岩土工作者必须面对和解决的课题。（3）边坡岩土锚固技术作为一种先进但非永久的支护手段，它的使用寿命关系到人类千百万工程及子孙后代的安危。探求锚的安全性评价

2、及检测方法、研究边坡岩土锚固中锚失效后对边坡稳定性的影响及其综合处治技术等课题的研究迫在眉睫。（4）滞后的理论研究导致施工中或完工后都出现了不同程度的锚固路堑边坡失稳事故。锚固路堑边坡破坏后既阻塞交通，给国家和人民造成巨大的经济损失，又破坏环境景观和生态平衡。在此背景下，交通部科技教育司和重庆交通科研设计院于2004年7月签订了科研合同，拟定由重庆交通科研设计院牵头的竞标联合体承担“岩土锚固安全评价与处治技术”项目的研究。2、主要研究内容经过课题组三年多的努力，完成了边坡岩土锚固的安全状况及工程地质环境条件调查、锚固失效模式和临界技术指标研究、锚固安全性检测和评价方法研究、锚固失效对边坡稳定性

3、的影响研究、锚固失效后边坡综合处治技术研究等多项研究成果，形成了具有实用价值的岩土锚固安全评价与处治的成套技术。2.1 边坡岩土锚固的安全状况及工程地质环境条件调查对调研的86个锚固边坡工程实例工点，按其安全性状况的差异分为以下四种情况：安全、基本安全、欠安全和不安全。调研发现，有43个工程工点为安全的工点，所占比例为50%；有28个工程工点为基本安全的工点，所占比例为33%；有11个工程工点为欠安全的工点，所占比例为13%；有4个工程工点为不安全的工点，所占比例为5%。 锚固结构不合理（云南楚大高速公路）图1 基本安全边坡锚固典型工点 坡体及锚孔渗水（贵州贵新一级公路）图2 欠安全边坡锚固典

4、型工点边坡鼓胀变形、锚梁破坏致锚索外露（重庆渝黔高速公路）图3 不安全边坡锚固典型工点通过调研发现公路边坡采用主动锚进行加固的主要岩土体对象有三大类：软岩类土质边坡、顺层岩体边坡、碎裂结构岩体边坡，其中尤以软岩类土质边坡最为典型。2.2 锚固失效模式和临界技术指标研究针对云南保龙高速公路第5标依托工程工点，综合采用室内模型试验、有限元数值分析、工程实例工点调研等手段研究了各类锚固失效模式及其影响因素。从调研及室内试验结果看，锚的主要失效模式有粘结破坏（锚筋注浆体界面和注浆体岩石界面的粘结破坏及其复合破坏）、锚筋断裂、预应力松弛、锚具失效、灌浆材料的剪切破坏、围岩体内部破坏等六种。锚索与注浆体发

5、生粘结破坏 注浆体与岩石发生粘结破坏复合失效 钢绞线断裂图4 岩锚的破坏模式本项目将锚长、灌浆饱满度、预应力及腐蚀作为评价锚固安全的指标，简称“四指标”体系。研究建立了“四指标”的临界技术标准：灌浆饱满度75%、预应力损失30%、腐蚀率4%、内锚固段锚长的最小（大）临界值可采用式（1）和式（2）计算。 （1） （2）其中：为侧摩阻刚度系数；E为锚筋的弹性模量；A为锚筋的横截面面积。2.3锚固安全性检测和评价方法研究由本课题组研发的锚固质量检测系统软件包ANDTS 2.0由数值模拟模块、小波分析模块和神经网络模块组成。该软件界面设置友好，如果需要修改当前锚杆所在的工程参数，只须点击右侧对话框条的

6、“更新工程参数”功能键，在弹出的对话框中重新设置所需要的工程参数标题及参数值，设定参数将随结果表打印输出。如图5所示。图5 建立的锚杆锚固模型锚极限承载力、锚长、灌浆饱满度以及预应力检测结果按表1表4进行评价。表1 锚极限承载力评价项目名称检测与评价结果锚极限承载力测试值设计值0.5倍设计值测试值<设计值测试值<0.5倍设计值单锚安全性安全欠安全不安全表2 锚长评价项目名称检测与评价结果（设计值-临界值）/（设计值-实测值）锚长测试值小于临界值2>2锚长安全性安全欠安全不安全表3 灌浆饱满度评价项目名称检测与评价结果灌浆饱满度75%75%80%80%90%>90%灌浆饱

7、满度安全性不合格合格良优表4 预应力评价项目名称检测与评价结果预应力损失率10%10%20%20%30%>30%预应力损失率安全性优良合格不合格预应力超载率20%20%50%50%100%>100%预应力超载率安全性优良合格不合格腐蚀指标可采用对地层腐蚀程度进行评价的方法。地层腐蚀程度分为以下三等：严重腐蚀，对应筋材腐蚀率4%；中等腐蚀，对应4%>筋材腐蚀率2%；无腐蚀，对应筋材腐蚀率<2%。根据地层腐蚀程度评价结果进行筋材剩余寿命估算，估算结果按表5进行评价。表5 腐蚀评价项目名称估算与评价结果剩余寿命2年2年50年>50年腐蚀严重腐蚀中度腐蚀无腐蚀腐蚀安全性不

8、合格合格优单锚安全性等级分为三级：安全、欠安全、不安全。单锚安全性评价在锚长指标评价结果基础上，按以下方法进行：当锚长安全评价结果为不合格时，则该单锚安全性等级应划分为不安全；当锚长安全评价结果为合格或优良时，再综合考虑灌浆饱满度、预应力、腐蚀三指标安全评价结果，可采用神经网络法自动获取四个指标相应权重，经计算后确定单锚安全性评价结果。2.4 锚固失效对边坡稳定性的影响研究对于不同的边坡，其不同位置的锚失效和锚力减小对边坡开裂荷载和破坏荷载的影响各异，因而工程实践中边坡布锚应结合实际情况进行布置。锚失效对边坡稳定性影响受边坡破坏面形态变化影响较大，圆弧形的破坏面形态不受锚失效位置的影响，而折线

9、形的破坏面形态则受锚失效位置变化影响较大。对于纯锚索支护的边坡，某根锚索的失效将导致边坡承载力和稳定性的降低，群锚中的其它锚张力将有较大增长。纵粱的施加，将上下排锚索联系在一起，某根锚索张力损失后，其承担的荷载转移至纵梁中。横粱将左右侧锚索联系在一起，某根锚索的失效，导致相对一侧中的锚索张力偏大。在锚索格子梁预应力损失过程中，坡体不平衡力可通过格子梁在群锚中转移，群锚中某根锚索预应力的损失或失效会导致边坡稳定性急剧降低。边坡位移和锚索张力的大小与结构面的滑动密切相关，若结构面较光滑，则锚索承担的下滑力较大，某根锚失效后其它锚间的荷载转移明显，对边坡稳定性的影响较大；反之，若结构面有一定的粗糙度

10、，则锚失效对边坡稳定性的影响不会很大。坡面施加格子梁后，格子梁与群锚形成空间承载体系，某根锚索张力损失后，其承担的荷载将通过格子梁转移，只要该三维体系能维持，锚失效对边坡稳定性影响不会太显著。一旦锚索接连失效，边坡稳定性将急剧降低。若锚索滑脱引发失效，则锚索张力和边坡承载力均较小，端锚应力损失和坡面格子梁对稳定性的影响甚微。2.5 锚固失效后边坡综合处治技术岩土锚固单锚失效后的处治方法可分为两大类：原锚补强、增设新锚。具体又可细分为以下14种方法：（1）增加新锚锚长；（2）重设锚头、加强对锚头防锈的维护；（3）采用单孔复合锚；（4）更换锚杆或降低锁定荷载；（5）改变锚杆（锚索）结构；（6）二次

11、劈裂灌浆；（7）锚注结合；（8）小吨位多点锚；（9）增加钻孔粗糙度、改变灌浆体的配合比；（10）加强施工控制；（11）采用梁、网等形式加强锚与锚之间的连接；（12）增强锚固力度；（13）加强防排水，减载；（14）进行补偿张拉。具体选用这些方法时，应先查明锚失效的原因、模式，评价单锚或群锚失效对锚固工程稳定性的影响，并考虑处治的必要性、处治方案的可行性的基础上经方案比选后选定适宜的处治办法。3、主要研究结论通过本项目研究，取得了以下主要研究成果。（1）提出了边坡岩土锚固安全的主要影响因素，建立了边坡岩土锚固的安全评估体系，归纳总结了公路边坡锚固的工程地质环境条件，在86个工程实例工点调研的基础上

12、获得了公路边坡主动锚锚固的典型岩土体对象和营运中的锚固边坡安全状况。（2）研究提出了完整的典型岩土体边坡主动锚锚固单锚失效模式包括四大类：粘结失效、筋材断裂失效、预应力松弛失效、锚具失效。针对云南保龙高速公路第5标依托工程工点，综合采用室内模型试验、有限元数值分析、工程实例工点调研等手段研究了各类锚固失效模式及其影响因素。（3）提出了主动锚锚固安全评价的“四指标”体系：锚长、灌浆饱满度、预应力、腐蚀。并采用解析计算、室内模型试验、数值分析、现场试验等手段，研究建立了“四指标”的临界技术标准：灌浆饱满度75%、预应力损失30%、腐蚀率4%、锚长临界值采用提出的解析公式计算确定。（4）初步探讨了岩

13、土锚固安全性检测的无损探伤理论及其信号处理技术，建立了锚动测问题的一维波动方程，讨论了其解析解和各种锚缺陷情况下的数值解；探讨了应用频谱分析法、动弹性模量反演法判定灌浆质量及锚长的方法；提出了应用神经网络和小波变换解决损伤信号处理问题，对信号进行预处理和故障特征提取，提高了诊断精度。（5）提出了主动锚锚固安全评价“四指标”的检测或估算方法：锚长、灌浆饱满度两指标采用应力波无损探测方法检测；预应力指标可采用应力波无损探测方法检测、也可采用反拉法检测；腐蚀指标采用研究提出的剩余寿命评估公式进行估算。开发了利于应力波无损探测方法检测的孔底反射器。通过依托工程工点现场试验、室内模拟试验、解析计算等手段

14、对上述成果进行了对比验证和分析。（6）提出了主动锚锚固安全评价“四指标”安全等级划分方法及其对应的指标值，建立了基于神经网络及小波分析法的主动锚单锚锚固安全评价方法，并开发了相应的计算机软件系统。（7）室内模型试验和有限元数值分析结果表明，云南保龙路依托工程工点边坡破坏面近似圆弧形，边坡不同部位锚失效及锚力损失导致的锚固边坡破坏基本相同，因此对这类边坡而言，各部位的锚都较重要，实践中尽量均匀布锚；重庆渝黔路示范工程工点边坡破坏面为折线形，边坡滑体质心以下的锚失效及锚力损失比边坡滑体质心以上的锚失效及锚力损失更易导致边坡破坏，因此对这类边坡而言，滑体质心以下的锚很重要，实践中应尽量将锚布置在这部

15、分区域或者说强化这部分的锚。（8）针对重庆渝黔路示范工程工点，初步探讨了边坡不同位置单锚失效对群锚影响、单锚及群锚失效对边坡稳定性的影响、锚失效后荷载重分布特征与规律。（9）研究提出了边坡岩土主动锚锚固安全性评价指南。（10）归纳总结了单锚失效后不同处治方法的使用条件、边坡锚固失效后的处治方法及选择原则，结合重庆渝黔路示范工程工点，研究了锚固失效后边坡综合处治技术并将之应用于该工点。4 有待进一步解决得问题尽管项目组依托示范工程工点和依托工程工点，对岩土锚固安全评价与处治技术项目进行了边坡岩土锚固的安全状况及工程地质环境条件调查研究、锚固失效模式和临界技术指标、锚固安全性检测与评价方法、锚固失效对边坡稳定性影响、锚固失效后边坡综合处治技术等方面的研究，取得了一定初步成果，但仍