（采礦工程專業(yè)論文）巖土預應力錨索荷載傳遞規(guī)律及其設計方法研究.pdf

摘要 為探索預應力錨索荷載傳遞的規(guī)律及其更加符合實際的設計計 算方法，本文采用多種手段和方法，對預應力錨索的力學傳遞過程進 行了系統(tǒng)深入的分析和研究。其主要工作與特點包括以一f j l 個方面： 1 利用彈性力學的空間半無限體理論，推導求出了半無限體柱 狀孔洞內受集中力及均布載荷作用時其體內應力及位移的解，為分析 預應力錨索的力學分布規(guī)律提供了理論基礎。 2 通過利用彈性力學的空間半無限體理論以及推導求出的理論 結果，對預應力錨索加載后應力及位移沿索體界面、注漿體與巖土體 界面以及應力在巖土體中的傳遞規(guī)律進行了分析研究，推導出了各種 情況下應力及位移分布的表達式。 3 通過錨索現場試驗和利用有限元分析軟件a n s y s 對錨索力 學分布規(guī)律進行數值模擬分析，對錨索力學分布規(guī)律的理論分析結果 的可靠性進行了成功驗證。 4 利用理論分析結果對傳統(tǒng)的基于錨固段剪應力是均勻分布假 設的錨索設計計算方法進行了修正，提出了一種關于錨索錨固段長 度、錨索間距以及應力松弛區(qū)加固深度等參數的設計計算新方法。 5 介紹了這一錨索設計計算新方法在常張高速公路邊坡防護工 程中的具體應用過程。詳細說明了拉壓分散型錨索的錨固段長度、單 元間距、錨索問距以及應力松弛區(qū)加固深度等設計參數的確定方法。 關鍵詞預應力錨索，力學傳遞規(guī)律，理論分析，現場試驗，數值模 擬，設計方法 a b s t r a c t f o rr e s e a r c h i n gi n t ot h e l a wo ft h ep r e s t r e s s i n ga n c h o r sl o a d t r a n s f e r r i n ga n dt h em e t h o da b o u td e s i g n i n gp r e s t r e s s i n ga n c h o rw h i c h a c c o r d i n gw i t h t h ef a c t ，m u l t i - m e a n sw e r ea d o p t e di n t h i sp a p e rt o a n a l y z ea n ds t u d yt h o r o u g h l y t h e c o n t e n ta n dt h ec h a r a c o t o ro ft h i s p a p e rm a i n l yi n c l u d ea sf o l l o w s ： 1 b yu s i n gt h eh a l fs p a c et h e o r yo ft h ee l a s t i c i t yt h ee x p r e s s i o no f s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i n gi nt h es o l i dw e r ed e d u c e dw h e n c o n c e n t r a t e df o r c ea n du n i f o r ms t r e s sw e r el o a d e di nt h ec o l u m n e dh o l e ， t h e nt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h e l a wo ft h ep r e s t r e s s i n g a n c h o r sl o a dt r a n s f e r r i n gw a sl a i d 2 b yu s i n gt h eh a l fs p a c et h e o r yo f t h ee l a s t i c i t ya n dt h ei n f e r e n c e t h el a wo fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i n ga l o n gt h ei n t e r f a c eo ft h e r o p e t h ei n t e r f a c eo ft h eg r o u t b o d ya n di t sd i s t r i b u t i n gi nt h ee a r t hw e r e a n a l 、，z e da n ds t u d i e d ，t h ee x p r e s s i o no fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tu n d e ra l l c o n d i t i o n sw e r ee d u c e d 3 t h r o u g hf i e l dt e s ta n dt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co fa n c h o r r o p e s s t r e s s d i s t r i b u t i n gb yu s i n g t h en u m e r i c a ls i m a l a t i o s o f t w a r e a n s y s ，t h ec o r r e c t n e s so ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s c o n c l u s i o nw a s v e r i f i e ds u c c e s s f u l l y 4u s i n gt h ec o n c l u s i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i st h eo r t h o d o xm e t h o d o fd e s i g n i n ga n c h o rr o p et h a tb a s e do nt h eh y p o t h e s i s o fs h e a r i n g s t r e n g t hu n i f o r md i s t r i b u t i n gw a sm o d i f i e d ，an e wa n dm o r er e a s o n a b l e m e t h o da b o u td e s i g n i n gt h el e n g t ho fa n c h o r i n gs e c t i o n ，t h ea n c h o r i n g s p a c eb e t w e e na n dt h ed e p t ho f t h es t r e s s l a x i t ys e c t i o nw a sp u tf o r w a r d 5 h o wt ou s et h en e wm e t h o do fd e s i g n i n ga n c h o rr o p ei nt h e e n g i n e e r i n go fc h a n g z h a n gf r e e w a y ss l o p er e i n f o r c e dw a si n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r t h em e t h o da b o u tc a l c u l a t i n gt h el e n g t ho fa n c h o r i n g s e c t i o n ，t h ea n c h o r - u n i ts p a c eb e t w e e n ，t h ea n c h o r i n gs p a c eb e t w e e na n d t h ed e p t ho ft h es t r e s s l a x i t ys e c t i o nw e r ee x p o u n di nd e t a i l k e y w o r d s ：p r e s t r e s s i n ga n c h o rr o p e ，t h el a wo fl o a dt r a n s f e r r i n g ， f i e l dt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ，t h em e t h o do f d e s i g n i i 碩士學位論文 第一章緒論 第一章緒論 1 1 預應力錨桿( 索) 荷載傳遞規(guī)律的研究現狀 巖土工程研究的對象是經過漫長地質年代的復雜地質體，這些地質體在一定 的時間和條件下，處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當由于自然或人為因素的影響，地 質體原來的平衡狀態(tài)遭到破壞，從而發(fā)生坍塌、滑移、沉陷等地質災害。為預防 和治理此類災害，工程上常將一種受拉桿件( 索體) 埋入巖土體中，用于調動和 提高巖土體自身強度和自穩(wěn)能力。這種受拉桿件( 或索體) 工程上稱為錨桿( 索) ， 它所起的作用即為錨固。巖土預應力錨桿( 索) 體系是一種將拉力傳遞到土層 和巖體中的體系，錨桿( 索) 一端通過錨固一定長度埋設在地層內，另一端呈自 由段與被加固體相連，并在錨頭部位對錨桿( 索) 施加預應力，以承受由巖土壓 力、水壓力或風荷載等施加于被加固體的推力，維持巖土體或結構物的穩(wěn)定。最 早使用預應力錨桿( 索) 是1 9 3 4 年阿爾及利亞的舍爾法壩體加高工程，1 9 5 7 年 原聯(lián)邦德國b a u e r 公司在深基坑中采用土層預應力錨桿。1 9 6 4 年我國首次在梅 山水庫壩基加固中采用預應力錨桿。7 0 年代，北京國際信托大廈等工程相繼用 預應力錨桿以保持基坑周邊的穩(wěn)定。近年來，我國巖土預應力錨桿技術的發(fā)展尤 為迅速，幾乎己遍布土木工程的各個角落，如地下工程支護、巖土邊坡加固、壩 基穩(wěn)定、深基坑支擋、結構抗浮和抗傾，懸索建筑的受拉基礎等n 1 。經過長期的 工程實踐和發(fā)展，目前，預應力錨桿( 索) 支護方式也己從最初的拉力型逐步發(fā) 展為拉力型、壓力型和荷載分散型( 即拉力分散型、壓力分散型、拉壓分散型) 等。預應力錨固技術正以其獨特的效應、簡便的工藝、廣泛的用途，經濟的造價， 在巖土工程領域中顯示出旺盛的生命力。 大量的工程實踐表明，預應力錨固是一種有效的加固措施，但由于工程介質的 復雜性以及錨固方式的多樣性，至今國內外關于預應力錨桿( 索) 荷載傳遞機理 的研究尚未出現統(tǒng)一的理論。對預應力錨索荷載傳遞機理的研究，主要集中在預 應力錨桿( 索) 錨固段桿( 索) 體與注漿體、注漿體與周圍巖土體間粘結力的分 布狀態(tài)及傳遞機理的研究。在這方面的研究，英國、美國、法國、加拿大、澳大 利亞等國處于國際領先地位。近年來，我國也加強了這方面的研究工作，取得了 不少可喜的成績?！?。 l u t z 和g e r g e l e y “1 、h a n s o n ( 1 9 6 9 ) “1 、g o t o 陽1 等都研究了荷載從錨索( 桿) 轉到灌漿體的力學機制。他們認為，鋼錨索( 桿) 表面上存在著微觀的粗糙褶皺， 漿體圍繞著錨索( 桿) 充滿這些褶曲而形成一個灌漿柱，在錨索( 桿) 和灌漿體 之間的結合破壞之前，其結合力發(fā)生作用；當錨索( 桿) 和漿體發(fā)生一定的相對 碩士學位論文第一章緒論 位移后，兩者界面的某些地方就會發(fā)生破壞，這時錨索和灌漿柱之間摩擦阻力就 發(fā)揮主要作用，而且摩擦阻力是隨灌漿體的剪脹而增加。增大錨索( 桿) 表面的 粗糙度就能提高摩擦阻力，對灌漿體而言則提高了其剪切強度。對于光面錨索 ( 桿) ，錨索( 桿) 和灌漿體之間的結合，主要取決于滑動之前的附著力和滑動 之后出現的摩擦力。而對于竹節(jié)錨索( 稈) 或者類似于竹節(jié)的錨索( 桿) ，其表 面有突節(jié)，結合力主要取決于機械作用。在進行拉拔試驗時，力由錨索( 桿) 傳 遞到灌漿體，最后的結果可能是灌漿體的開裂或壓碎，錨頭滑動并附帶部分砂漿 體拔出灌漿體，所以灌漿體的強度成為承載力的控制因素。這些研究也表明，錨 索體本身強度很高且表面粗糙性很好，在力由錨索( 桿) 體傳遞到注漿體、再由 注漿體傳遞到周圍巖土體的過程中，漿體和錨索( 桿) 界而的性質不是研究的重 點，而研究重點應放在漿體自身的性質以及漿體與周圍巖土體界面的性質上。 f u l l e r 和c o x ”。也研究了荷載由錨索向粘結砂漿傳遞的情況。他們分別采用 了7 股直徑1 2 r a m 的鋼索和單根直徑7 m m 的鋼絲，埋置于水灰比0 4 5 的砂漿中 進行了一系列的拉拔試驗。錨固長度在1 0 c m 到9 0 c m 不等。試驗過程表明，在 位移較小時，荷載便到達峰值荷載：過了峰值荷載，隨位移的增加，荷載下降， 直至殘余荷載大約為峰值的一半。 2 0 世紀7 0 年代e v a n g e l i s t a 和o s t e r m a y e r 等對粘性土和粒狀土中的錨桿拉拔 試驗中，量測到注漿體表面摩阻力沿錨固長度呈非均勻分布o 。，f u j i t a 等總結了 3 0 例現場試驗成果，提出了l 臨界錨固長度的概念，認為超過這個長度，極限抗 拔力增加很少o 。在基于錨桿荷載傳遞理論分析方法中，p h i l i p s “”假定桿體摩 阻力沿錨固長度呈指數分布，將其表述為： 一生 t 。= to e “ ( 1 1 ) 式中t 。為距錨固段近端x 處的剪應力；t 。為錨固段近端的剪應力；d 為錨 索直徑；a 為錨索中結合應力與主應力相關的常數。沿錨固段長度l 積分，可得 到極限錨固力的理論表達式： l = 寺r 。 ( 1 - 2 ) 但上式中剪應力的最大值t 。在實際運用中難以確定。因此，該公式實用價值并 不大。 o s t e r m a y e r 和s c h e h e e l e 對非粘性土錨固做了大量試驗，得出以下幾點重要 結論i t 2 ( 1 ) 致密砂層中最大表面粘結力是在很短的錨桿長度范圍內，但在松砂和 中密砂中，表面粘結力就近似于理論假定的均勻分布； ( 2 ) 隨著外載荷的增加，表面粘結力的峰值點向錨固段遠端轉移： 碩士學位論文第一章緒論 ( 3 ) 較短錨索表面粘結力的平均值大于較長錨索表面粘結力的平均值； ( 4 ) 錨索的錨固力對地層密度變化反應敏感，從松散到致密的地層中，平 均表面粘結強度值要增大5 倍。 o s t e r m a y e r 也給出了粘性土錨固的一些研究成果”“： ( 1 ) 單位表面粘結力隨錨固長度的增加而減少； ( 2 ) 單位表面粘結力隨土的強度增加和塑性的減少而增加； ( 3 ) 后期灌漿比一次性灌漿錨索單位面積上的粘結力至少增加2 5 。 s t i l l b o r g “33 對影響全長粘結式錨索承載力的因素進行了系統(tǒng)研究。這些因素 包括：水灰比、添加劑、埋置長度。試驗中沒有涉及圍壓，而圍壓卻是一項很重 要的因素。他的試驗提示我們，添加劑( 包括速凝劑，膨脹劑) 對錨索承載力的 影響還值得進一步去研究。 n a k a y a m a 和b e a u d o i n “們進行了水泥砂漿和鋼筋的粘結強度試驗；g o r i s “釣 等進行了錨桿支護的試驗研究；近年來h e y t t ，b a w d e m ，r e i c h e r , c a i s e r 等一些人 進行了大量的研究，其中以h e y t t ，b a w d e n 和r e i c h e r “”的研究最為系統(tǒng)。他們 通過現場和室內試驗，得出影響錨索承載力的主要因素是：水泥砂漿性質，尤 其是水灰比；錨固長度；圍壓。試驗表明，使用低水灰比的砂漿可使錨索承 載力提高5 0 7 5 ；錨索承載力隨錨固長度的增加而增加，但不成正比；作 用于水泥砂漿外表面的徑向側壓越高，錨索承載力越高。在試驗研究的基礎上， 他們得出了錨索破壞的機理，即物理過程為：隨圍壓的增加，錨固體的破壞由低 圍壓下水泥砂漿的徑向開裂和橫向位移變化到高圍壓下水泥砂漿表面皺曲受剪 切、直至錨索沿其與灌漿柱體摩擦面而拔出。這里的圍壓相當于實際工程中錨孔 以外的巖體中所存在的壓應力。 j a r r e d 和h a b e r f i e l d “”通過室內仿真模擬試驗，研究了注漿錨桿的側限剛度、 注漿長度及膨脹水泥含量對桿體與注漿體界面力學性質的影響，認為桿體與注漿 體界面剪切強度隨側限剛度的增加而增大。試驗中，當注漿長度l 1 5 0 m m 時， 剪切強度t 基本上為一常數( 1 5 5 m p a ) ；當1 5 0 m m l ：= 二 = j 1 = = j l1 ：。，j l ic ，上一1 。：山。t 。+ 圖卜4 注漿體與鋼絞線之間的剪應力沿內錨固段長度的分布狀態(tài) 衰減更快，分布范圍更小，這說明注漿材料與鋼絞線的粘結比注漿材料與7 l 壁間 ( 簡稱外界面) 的粘結效果要好，同時說明內錨固段的最大承載力主要是由注漿 體與孔壁之間的粘結強度控制的。 借用變位剪應力理論關系推導“明或進行有限元分析“，結果均顯示錨固段 剪應力在起點處最大，向后逐漸減少，而且遞減速度也逐漸減少，最終趨近于0 。 剪應力沿錨固段的分布呈現為一條以0 為漸進線的下降曲線。 鄭明新，王余才?！币栽邳S土中埋設的1 2i l 錨索現場拉拔試驗，結合有限元 模擬分析得出以下結論： ( 1 ) 在錨索徑向方向上，最大剪應力按鋼絞線一漿體一緊鄰黃土單元依次 銳減，其關系為tm “* 線tm “顰# = 2 5 3 1 ， tm “漿體t 蛆，黃= 2 8 3 2 。 ( 2 ) 結合黃土錨固現場試驗p s 曲線及有限元模擬成果圖，其破壞機制是 錨固段前部首先破壞，逐漸向孔底傳遞。 黃德福，李寧?！癬 ”1 等人利用f i n a l 有限元分析軟件，對預應力錨索的錨固 機理，錨固效果進行了系統(tǒng)的數值仿真試驗研究，研究結果( 見圖卜5 ) 表明， 錨固體與巖體界面問的剪應力在錨固段頂端分布較大，但并未達到峰值，從錨固 段頂部向下剪應力逐漸遞增，在距孔e l2 m 左右才達到峰值，隨后開始遞減，直 至衰減為0 。 王文杰，趙德志等人口釘通過利用空間非線性有限元法，對實際邊坡預應力錨索 加固后的數學模型進行分析，認為預應力錨索內錨固段中鋼絞線的軸向應力隨錨 固段長度增加而呈指數曲線遞減，當錨固段長度為8 m 時，軸向應力己降至峰值 的1 1 0 。 碩士學位論文 第一章緒論 l ( m ) 圖卜5不同預應力下砂漿內的剪應力變化曲線 盛謙“1 通過利用巖土工程分析軟件3 d f l a c ，對巖質高邊坡預應力錨索 圖1 - 6 不同噸位錨索內錨固段軸力分布曲線 加固進行了數值模擬分析。分析結果表明，不同預應力作用下錨索錨固段界面剪 應力分布形態(tài)與錨索軸力分布大致相同( 見圖卜6 ) ，即都是在錨固段起點處最 大，向下以逐漸衰減直至為0 。 可見，運用不同的數值模擬的分析方法，得出的錨固段剪應力分布規(guī)律一致 認為都是非均勻分布的，但是分布形態(tài)的結論并不總是一致的，同現場試驗的結 果也不盡相同。 在利用有限元對錨桿的加固作用進行模擬分析過程中，對錨桿的等效模擬或 離散模擬是關鍵和難點，很多學者對此進行了研究 s j 0 4 0 ，其中在錨桿等效模擬方 面p a n d e ?！?。等人的成果較為系統(tǒng)實用，在錨桿離散模型的二維研究方面，s w o b o d a 和m a r e n c e ”?！?。賦予錨桿和砂漿巖石接觸面上的節(jié)點以不同的坐標，從而在錨 碩士學位論文 第一章緒論 桿與節(jié)理交點上錨桿與巖體有相同的位移，陳勝宏和e g g e r 也提出過一種二維的 6 節(jié)點錨桿單元”“，其中錨桿與砂漿被視為一種等效連續(xù)介質，在巖體上布置4 個節(jié)點以模擬接觸面。1 9 8 9 年a y d a n 提出三維錨桿單元“，該單元有8 個節(jié)點， 其中兩個位于錨桿上，6 個節(jié)點位于巖體上，這樣可模擬錨桿一巖體接觸面的滑 移特性。最近，陳勝宏等人”“又提出了新型復合單元的概念，并借助階譜的概 念成功地將復合單元納入了常規(guī)的有限元分析方法中。該模型不僅具有等效模擬 簡單易行、適應求解大規(guī)模復雜問題的優(yōu)點，同時具有離散模型便于模擬接觸面 變形和破壞等真實加固機理的優(yōu)點，為大規(guī)模三維復雜結構分析的前處理提供了 很大便利。 在研究前人現場試驗及數值模擬成果的基礎上，蔣忠信“6 1 根據拉力型錨索 錨固段剪應力的分布形態(tài)與三參數的高斯曲線十分相似的特點，利用高斯曲線方 程( 見式1 3 ) 來擬合錨固段剪應力的t l 曲線： r ：a e 6 ( l - d ) 2 ( 1 - 3 ) 式中a , b ，d 為待求的曲線參數，b 為負值。通過對上式兩端取對數，并令l n t = y ，i n a = a ，( l d ) 2 = ) ( ，得到y(tǒng) = a + b x ，然后用一定步長假設d 值，用最小二 乘法求出相應直線參數a 、b ，最后通過試算尋優(yōu)，得到高斯曲線的最佳擬合式。 陸士良，湯雷等人”力在分析拉拔試驗和錨桿實際承載狀態(tài)下載荷分布規(guī)律 的異同，建立了錨桿的力學模型，利用微元分析的方法求出錨桿的力學平衡微分 方程，通過求解微分方程，得出桿體上剪應力分布的負指數曲線形式為： f ( x ) = c c 一寺麗i( 1 4 ) 式中c 為積分常數。這與p h i l i pe l i 得出的結論基本一致，其反映出的桿體 上剪應力的分布規(guī)律與大量的現場試驗結果吻合得較好，只是式中積分常數c 并沒有明確的物理意義，應用起來與前者相比仍顯不便。 i l 憲賓等人n 8 ”1 運用數學一力學的方法，分析了土一錨桿界面間相互作用 機理，給出了基于錨桿與土界面的理想彈塑性的數學解析解，使人們能深入了解 土錨桿界面之間的相互作用，為錨桿系統(tǒng)的設計提供了依據。張季如，唐保付 哪! 運用數學一力學的方法，在假定錨固體與錨固層問的剪切應力與剪切位移成 線性增加的關系的基礎上，建立了荷載傳遞的雙曲函數模型，通過分析認為：錨 桿的剪切位移、摩阻力分布和臨界錨固長度均取決于被錨固體與注漿體之間的剪 切模量與注漿體彈性模量之比，與注漿體長度無關。姜連馥“”依據土層錨桿的 模擬試驗，建立了土錨工作的彈塑性力學模型，提出了一種剪切位移一傳遞函數 的分析法，并用此方法對實際工程中土層錨桿進行了計算，與現場實測數據得到 了較好的吻合?？偟膩碚f，國內外運用數學力學的方法對錨桿力學機制進行的定 碩士學位論文 第一章緒論 量性研究，自p h i l i p 以來并沒有太大的進展，這從一個側面反映出了巖土力學性 質所具有的極大的復雜性。 由于錨桿( 索) 荷載傳遞的復雜性，實踐中又沒有成熟的理論作為依據，當 前國內外在錨桿設計中，仍普遍采用基于錨束體傳遞給漿體及漿體傳遞給周圍巖 土體的剪應力沿內錨固段長度均勻分布的假設進行計算的 t , a 2 , s a , s 7 , 5 8 3 ，這雖然不 符合實際，但長期以來并無大的改進。 1 2 預應力錨索荷載傳遞規(guī)律研究中存在的問題 目前國內外學者通過大量的物理模型試驗、數值仿真分析、現場試驗手段、 以及各種理論分析的方法，深入探討錨桿( 索) 的力學傳遞機制，使這一領域的 研究工作取得了一定進展，但仍然缺乏統(tǒng)一的認識，研究工作中依然存在不少問 題亟待解決，具體表現在： ( 1 ) 對錨索力學傳遞機制的研究仍缺乏統(tǒng)一的結論。雖然人們已經認識到 應力在內錨固段上分布的非均勻性，但對應力非均勻分布的形式尚存在不同的認 識。 ( 2 ) 現有的各種錨索的力學分析模型普遍存在假設條件理想化，理論分析、 數值模擬與現場試驗結果差異較大。 ( 3 ) 理論研究與工程應用之間缺少及時的轉化。雖然大量研究已表明錨固 體界面剪應力是非均勻分布的，但工程應用中仍然采用剪應力是均勻分布的假 設，理論研究成果沒有進入到設計應用階段，對錨索的設計缺乏符合實際的計算 方法。 ( 4 ) 對錨桿( 索) 力的傳遞規(guī)律定性研究較多，定量研究較少，已有的定 量性研究成果也因其假設條件的特殊性以及操作性繁雜而約束著其推廣應用。 1 3 本文研究的主要內容、技術路線 根據預應力錨索荷載傳遞規(guī)律研究中存在的以上突出問題，本文借鑒前人的 研究成果，擬定的研究內容如下： ( 1 ) 預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的定量性理論研究。主要利用彈性理論推導 出錨索與注漿體、注漿體與周圍巖土體界面處剪應力沿錨索長度方向上以及錨頭 預應力在巖土體中徑向分布的函數式，這是本文的核心研究部分。 ( 2 ) 對預應力錨索力學傳遞機制進行現場試驗研究、數值模擬分析，驗證 理論分析結果的正確性。 ( 3 ) 運用理論分析結果，對傳統(tǒng)的錨索設計方法進行修正，探討提出更為 合理的錨索設計新方法，包括錨固段長度、錨索間距以及應力松弛區(qū)加固深度等 碩士學位論文 第一章緒論 參數的確定問題。 ( 4 ) 利用工程實例探討提出的新型錨索設計方法的具體應用。 本文研究的主要技術路線見( 圖卜7 ) ： 圖卜7 論文研究的技術路線框架圖 碩士學位論文第二章預應力錨索及其荷載傳遞規(guī)律的研究內容 第二章預應力錨索及其荷載傳遞規(guī)律的研究內容 2 1 預應力錨索及其分類 預應力錨索“1 是通過施加張拉力以加固巖土體使其達到穩(wěn)定狀態(tài)或改善內 部應力狀況的支擋結構。它是一種主要承受拉力的桿狀構造，通過鉆孔及注漿體 將鋼絞線固定于深部穩(wěn)定地層中，在被加固體表面對鋼絞線張拉產牛預應力，達 到使被加固體穩(wěn)定和限制其變形的目的，其最大特點。1 是能夠充分利用巖土體自 身強度和自承能力，減輕結構自重，節(jié)省工程材料，是高效和經濟的加固技術。 預應力錨索主要由錨頭、自由段和錨固段三部分組成“，如( 圖2 - 1 ) 所示： 圖2 - i 預應力錨索結構簡圖 ( 1 ) 錨頭：是將錨索固定于外錨結構物上的鎖定部分，也是施加預應力的 張拉部件。錨頭由外端鋼絞線、承壓鋼墊板、錨具及夾片組成，其中鋼絞線是自 由段的延伸部分，為承力、傳力、張拉的部件。錨頭又稱緊固頭。 ( 2 ) 錨固段：為錨索伸入滑動面( 潛在滑動面或破裂面) 以下穩(wěn)定巖土體 內的段落，是錨索結構的固定處，通過錨固體( 即索體與周圍的注入漿體) 孔周 地層的抗剪強度承受錨索所傳遞的拉力。錨固段通過灌漿形成同心狀結構：錨索 居中，四周為砂漿裹護。通過砂漿，錨索與孔壁結成整體，而使孔周穩(wěn)固巖土體 成為承受預應力的載體。錨固段有時又稱內錨固段。 ( 3 ) 自由段：是傳力部分，為錨索穿過被加固巖土體的段落，其下端為錨 固段，上端為錨頭。自由段中的鋼絞線周圍不注漿或被塑料套管套護后注漿，為 無粘結鋼絞線，鋼絞線可自由伸縮，將錨頭施加的預應力傳遞到錨固段，并將錨 固段的反力傳遞回錨頭。 預應力錨索的分類方法很多，其中按內錨固段受力狀態(tài)“”進行分類，預應力 錨索可以分為：拉力型錨索、壓力型錨索和荷載分散型錨索，見( 圖2 2 ) 。 碩士學位論文 第二章 預應力錨索及其荷載傳遞規(guī)律的研究內容 圖2 2 預應力錨索的分類結構圖 ( 1 ) 拉力型錨索( 見圖2 - 1 ) ，主要依靠內錨固段提供足夠的抗拔力，來保 證預應力的施作，其荷載依賴于固定段索體與灌漿體界面上的剪應力( 粘結應 力) 。這種錨索的內錨固段一般有兩種形式，一種是采用水泥漿或水泥砂漿將錨 固段部分的錨索體固結在巖體的穩(wěn)定部分；另一種是采用機械式內錨固段，如脹 殼式內錨頭。由于機械式內錨頭適應性差，加工量大，現己很少使用。拉力型錨 索結構簡單，施工方便，造價較低。但拉力型錨索內錨固段受力不盡合理，錨固 段主要承受拉應力，且在錨固段起始部位應力十分集中，易造成漿體開裂，影響 抗拔力和錨索的耐久性。 ( 2 ) 壓力型錨索( 見圖2 3 ) 借助無粘結鋼絞線或帶套管線材使之與灌漿體 隔開，將荷載直接傳至底部特制的承載體，通過承載體的擠壓作用將荷載由錨固 體的底端向錨固體的頂部傳遞。壓力型錨索與拉力型錨索的受力機理不同，其荷 載的分布特點是：在錨索的根部荷載大，靠近孔口方向荷載明顯變小，這樣有 利于將不穩(wěn)定體錨定在地層深部，充分利用有效錨固段，從而可以縮短錨索長度。 漿體受壓，被錨固體受壓范圍更大，可提供更大錨固力。壓力型錨索的錨索 體采用無粘結鋼絞線，因而多一層防護措施，如果采用鍍鋅或環(huán)氧噴涂鋼絞線外 再包裹一層或兩層高密度聚乙烯( p e 套管) ，就具有更高防護性能。下錨后可 一次性全孔注漿，這樣不僅可以減少注漿工序，而且即使沒施加預應力，靠漿體 和巖土體的粘結力也能起到一定加固作用，這對于正在滑動的滑坡體加固是很有 必要的。 碩士學位論文第二章預應力錨索及其荷載傳遞規(guī)律的研究內容 圖2 - 3 壓力型錨索結構簡圖 ( 3 ) 荷載分散型錨索，是以上一種或兩種錨圃方式的復合結構，它將施加 的預應力分散在整個錨固段上，使應力應變分散、減小，以便克服拉力型或壓力 型應力集中的不利因素，確保錨固體不受破壞。這類錨索按其應力性質可分為四 種：拉力分散型、壓力分散型、剪力型和拉壓分散型。 其中拉力分散型錨索( 見圖2 4 ) 的錨索體均采用無粘結鋼絞線，較簡單 圖2 - 4拉力分散型錨索結構簡圖 的拉力型錨索是將處于錨固段中不同長度的無粘結鋼絞線末端按一定長度剝除 高密度聚乙烯( p e ) 套管，即變?yōu)檎辰Y段。當注漿固結后，錨索預應力通過鋼 絞線與漿體的粘結力傳遞給被加固體，從而提供錨固力。 壓力分散型錨索( 見圖2 5 ) 的索體也是采用無粘結鋼絞線，較簡單的壓 力分散型錨索的結構是：在不同長度的無粘結鋼絞線末端套以承載板和擠壓套。 當錨索體被注漿體固結后，以一定荷載張拉相應承載板上的鋼絞線時，設置在不 同深度部位的數個承載板將壓應力通過漿體傳遞給被加固體，這樣對在錨固段范 圍內的被加固體提供被分散的錨固力。 剪力型錨索( 見圖2 6 ) 也是荷載分散型的一種，它的結構是在不同長度 的無粘結鋼絞線末端用環(huán)氧砂漿粘結，靠剪力和壓力將預應力分散作用于錨固 段。 碩士學位論文 第二章預應力錨索及其荷載傳遞規(guī)律的研究內容 圖2 - 5壓力分散型錨索結構簡圖 轱結材料2 一剪力塊3 一鋼絞線4 注漿體 圖2 - 6剪力型錨索結構簡圖 拉壓分散型錨索( 見圖2 7 ) 是在兩根無粘結鋼絞線下部剝除l 3 米p e 圖2 7 拉壓分散系錨固錨索結構簡圖 套管，變?yōu)槔π湾^固段，在無粘結段上部安裝可移動擠壓套和承載板，變?yōu)閴?力型錨固段，在另外兩根或四根、或六根無粘結鋼絞線上也按上兩根那樣處置， 然后將他們編制在一起。編索時無粘結段呈臺階狀布置，這樣就形成了拉壓分散 型錨索，它可提供比拉力分散型和壓力分散型錨索更為均勻的錨固力。 2 2 錨索與錨桿 到目前為止，雖然人們對錨索與錨桿加固機理的不同都有了統(tǒng)一和深刻的認 碩士學位論文 第二章預應力錨索及其荷載傳遞規(guī)律的研究內容 識，但對于錨索與錨桿的范疇尚缺乏嚴格意義上的統(tǒng)一界定。不少學者“1 。刪 將錨索與錨桿統(tǒng)稱為錨桿，在二者的設計方法上也沒有嚴格區(qū)分；也有不少學者 口2 ”3 ，對錨索與錨桿的設計與計算方法進行了分類，但也并沒有明確二者的關系。 因此，關于錨索與錨桿的從屬關系以及類別劃分問題仍顯混亂。 由于通常意義下的錨桿和錨索，在加固技術和作用方面存在以下不同： 錨桿材料通常由螺紋鋼等桿狀硬性材料組成，是一種硬性支護方式，錨索 則通常由鋼絞線等索狀柔性材料組成，是一種柔性支護方式。錨索允許被加固體 有較大變形和位移，而錨桿則通常在被加固體發(fā)生較大變形和位移情況下發(fā)生破 壞： 錨桿的加固深度一般在數米到十余米，而錨索的加固深度一般在數十米甚 至百余米； 錨桿所能提供的加固力較小，通常為數十噸，而錨索則能提供數百噸的加 固力； 以硬性材料為主的錨桿加固技術，經不斷發(fā)展己形成不同于錨索的獨特體 系，如已形成端頭錨固式錨桿、全長粘結式錨桿、摩擦式錨桿、擊入式錨桿、自 進式錨桿等種類，而作為以柔性材料為主的錨索則已從拉力型錨索發(fā)展為拉力分 散、壓力分散、拉壓分散等區(qū)別于硬性錨桿的復合錨固體系。 因此，以硬性材料為主的錨桿與以柔性材料為主的錨索實際上已發(fā)展成為差 異愈來愈大的兩個不同錨固體系，如果將二者同劃為錨桿體系，不但難以反映出 二者所具有的明顯差異，而且在概念上容易造成混亂。本文作者認為，錨索是在 錨桿錨固技術發(fā)展中產生的不同于錨桿的新技術。最初的錨桿概念是指桿狀的硬 性錨固方式，自從錨索應用以來，桿狀硬性錨固技術與索狀柔性錨固技術就在兩 個不同的方向上各自不斷發(fā)展完善，以致形成今天這兩大有明顯區(qū)別的錨固體 系。從錨固技術的發(fā)展史看，二者不應屬于同一概念和范疇，作者建議將錨桿和 錨索視為對等平行的關系，統(tǒng)稱二者為錨具。本文的研究內容主要就是針對錨索 而言，不但要研究單一方式的拉力和壓力型錨索，而且要研究預應力錨索獨有的 復合型錨固方式。不過，部分與錨桿錨固方式相同的分析結果同樣適用于這一類 型錨桿。 2 3 預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的研究內容 預應力錨索受力后荷載的傳遞路徑為：索體一漿體一周圍巖土體：錨頭 一錨墩一巖土體。在路徑中，錨索依靠索體與漿體的握裹以及漿體同孔壁的粘 結力來承受張拉力。當索體材料、錨固體以及巖土體強度等條件滿足設計要求時， 錨索承載力發(fā)揮主要受控于內錨段錨束與漿體界面及漿體與巖土體界面上的剪 碩士學位論文 第二章預應力錨索及其荷載傳遞規(guī)律的研究內容 應力，即一定內錨固段長度上的剪應力大小及分布舊1 。在路徑中，預應力由 錨頭傳至錨墩，通過錨墩的壓緊作用，將預應力傳遞給巖土體，從而實現加固作 用。當索體材料、錨墩以及巖土體強度滿足設計要求時，錨索的加固效果就取決 于預應力在巖土體中的傳遞范圍( 即有效加固區(qū)域) 。因此，要保證預應力錨索 設計上的可靠性與經濟性，就必須研究清楚預應力在這兩種傳遞過程中其應力的 分布規(guī)律。對預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的研究，就是來分析錨索受力后，應力在 索體與漿體、漿體同周邊巖土體界面上的分布特征以及預應力在巖土體中的傳遞 形式。雖然預應力錨索按內錨段受力狀態(tài)的不同可分為以上三大種類和許多子 類，但拉力型和壓力型錨索是最基本的類型，而其它類型錨索則不過是這兩種類 型不同形式的組合。因此，研究預應力錨索的荷載傳遞規(guī)律，只要搞清楚這兩種 類型錨索的荷載傳遞特性，其它的便不難得到。 2 4 本章小結 本章主要對預應力錨索的定義、結構組成及其分類進行了詳細介紹，對目前 關于錨桿與錨索范疇界定上的混亂情況進行了評述，并提出了本文對這一問題的 看法和建議。在此基礎上，最后對預應力錨索荷載傳遞的概念及其主要研究內容 進行了全面闡述，明確了本文的研究方向及任務，為下步研究工作的展開打好基 礎。 碩士學位論文第三章預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的理論研究 第三章預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的理論研究 3 1 預應力錨索荷載傳遞規(guī)律研究的理論基礎 3 1 1 彈性力學的位移通解 彈性力學”6 釘中以位移表示的平衡微分方程其通解有多種形式，其中 b o u s s i n e q - f a n e p k m 通解和n e u b e r - m a k o b e u 通解的表達式分別為： ( 1 ) b o u s s i n e q r a e p k 衄通解6 1 堋3 ： c r r = 砑e v 2 一面0 2 ) 仍 o - o ：l 曇 一1 _ 0 ) 仍2( 1 - f 1 ) 瓦( i v 2 - 了瓦) 仍 巳= 志爭刊妒一知 = 而e 三r 珈刊v 2 衛(wèi)o z 2 鼢o2 麗歷【卜川壙一一慨刊 = 麗e 曇 ( 1 刊v 2 一導協(xié) t r o - - 一而e 2 ( 1 旦o r o o o z ( = 。一2 ) 、，7 “ ( 3 1 ) 式中：q 、盯：一分別為柱坐標系下的徑向、切向和豎向應力，p a 勺：、o 、一分別為柱坐標系下的環(huán)向、豎向和徑向剪應力，p a e 、u 、g 一分別為彈性模量( p a ) 、泊松比和剪切模量( p a ) ： 仍l o v e 位移函數，仍= 仍( ，z ) ，m ； 2 一l 印l a c e 運算符號，v 2 = 旦c o r 二z o r + ! r o 三r + 罷o z 碩士學位論文 第三章預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的理論研究 ( 2 ) n e u b e r - j i a h k o b e q 通解 6 l 6 3 u ，一而1 + 妄( + 譬) u e = o 、v = 島- _ 1 2 0 - ) 殺( 九+ 譬) ”島一夏【十了 式中：u r 、一分別為徑向、切向和豎向位移，m 丸、磊一分別為調和函數和矢量函數。 3 1 2 半無限體內一點受集中力作用的位移及應力的解 ( 3 - 2 ) 設半無限體內一點受集中力p 的作用，坐標選取如( 圖3 一i ) 所示，求不記 重力作用時體內應力和位移的分布情況，這是彈性理論中典型的k e l v i n ”6 3 1 問 o 二一 一j l u l _ l 一牛二一一t 一一 一。i ， - 廠幾t 丁_ | ( a ) ( b ) 圖3 - 1 無限體內一點受集中力p 作用的力學模型 題，是一個軸對稱問題。根據量綱分析，應力分量表達式應為p 乘以r 、z 等長 度坐標的負二次冪，因此，從應力分量與l o v e 位移函數之間的關系“6 ”可見， 仍應為一次冪的雙調和函數?，F試取 仍= b ( z 2 + r 2 ) “2 ( a ) 式中b 為任意常數，將( a ) 代入求解有： l曰r z 蚱2 而可 w = 志2 ( 1 傅坐r 型+ 土r + 芻r一) 。 ” ( 3 3 ) 墮主堂焦笙奎笙三皇堡查查堡室壟塾堡望塑堡墮望絲竺塑 鏟而e 嘲學一等， b 嵫 r 3 妒一志”5 學r 仃= 一_ i j 一 2 2 ( 1 一2 ) 。 鏟一志b c 半k 一麗嘲丁 + + 可3 r z z j _ ( 3 4 ) 由式( 3 3 ) 和( 3 4 ) 可見，位移分量和應力分量在坐標原點是奇異的， 而在無窮遠處為零。為了確定常數b ，不妨計算z = a 兩平面( 圖3 一l ( b ) ) 上 正應力的合力，由平衡條件得： p = f 2 刀p ：) 一。一f 2 ( 吒) d r ( b ) ； 將式( 3 - 4 ) 的第三式代入( b ) ，并注意到對于給定的z ，r d r = r d r ，于是，有： p = 囂昧咖芹砌3 垮卜籌b 由此得 b ：! ! 型鯊( c ) 4 刀豈 將式( c ) 代入式( 3 - 3 ) 和( 3 4 ) ，即得要求的位移分量和應力分量： p1 + hr z b r 。麗f i 雨 w = 土8 z r e 等1 【塑型r + 三r + 芻r一“ 一 一p1 + r ( 1 2 t ) z q 5 西高1 下 p1 2 “z 。麗。i 百?？?， 1 盯一= 一一 8 刀1 一“ p1 o 一面。而 ，( 1 2 , u ) z o i 廣 ，( 1 2 q r o 萬一 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 志 = -，-，j 絲f 一 等塹f 十 + 碩士學位論文 第三章預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的理論研究 3 1 3 空間半無限體表面受法向集中力作用的位移及應力的解 設半無限體表面受法向集中力p 作用，坐標選取如( 圖3 2 ) 所示，求不計自 重作用時體內應力和位移分布情況。這是著名的b o u s s i n e s q 問題。這也是軸對 稱問題，按n e u b e r - j i a n k o b e q 通解( 見式3 2 ) 求解出的位移及應力分量“”6 ” 分別為： 圖3 - 2 空間半無限體表面受法向集中力p 作用的力學模型 驢籌c 暑一警， w = 堅2 e 出t r r 【委r + 2 ( 1 一) 】 z 、 o r = 寺卜等+ 號筍5 互磊【- 可+ 1 百_ 1 曠紫 i z 一熹】 3 p z 3 盯= 一互麗 3 p r z 2 ：71 2 棚5 在直角坐標系里，該問題的結果為 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 碩士學位論文 第三章預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的理論研究 。：墜堂 - 0 - 2 u ) x + 罷1 2 e z c 。r ( r + z 、r ” v ：坐業(yè)一( 1 - 2 u ) y + 一y z 2 砌r ( r + 捫 r ” w = 籌案+ 2 ( - 刊】2 e 牙r r 2 、 曠嘉謦- 0 - 2 ，) 云一熹十案等 曠一嘉黔卅卻，r 云一雨r + 案等】 3 兒3 。 2 r c r 5 3 p y z 2 ” 2 n r 5 3 p x z 2 。 2 月霞5 ，一一上r 絲一1 1 2 , u ) ( 2 r + z ) 1 ” 2 n r2 。r 3 r ( r + 捫2 1 3 1 4 半無限體柱狀孔洞內一點受集中力作用的位移及應力的解 ( 3 9 ) ( 3 一1 0 ) 在半無限體直徑為2 d 的圓柱狀孔洞內受有如( 圖3 - 3 ( a ) ) 所示的集中力p 的 作用，坐標選取見( 圖3 - 3 ( b ) ) ，求不計自重作用時其體內應力和位移分布情況。 這屬于半無限體體內一點受集中力作用的情形。 首先，按式( 3 - 3 ) 和( 3 - 4 ) 計算出半無限體內任意一點的應力和位移，然 后再確定參數b 。 為了確定參數b ，我們計算z = 口兩平面( 圖3 3 ( a ) ) 上的正應力的合力。 圖3 - 3z = 口兩平面上正應力的分布圖 霹 碩士學位論文第三章預應力錨索荷載傳遞規(guī)律的理論研究 令麗= ，由平衡條件，得 ：由此得： j i ) 2 l ：2 x r ( ( r ：) 一。d r j 2 丌r ( 口：) 一。d r = 【r 2 萬，( 吒) 咖一f 2 z ，( 吒) d r 一f 2 z ，( a ：) 一?？?= 篙小脅吐 = 篙小l f 2 刪味 = 籌小卜等似f