巖土錨固安全評(píng)價(jià)與處治技術(shù)研究

1、巖土錨固安全評(píng)價(jià)與處治技術(shù)研究報(bào)告簡(jiǎn)本1、引言“巖土錨固安全評(píng)價(jià)與處治技術(shù)研究”系2004年交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目。項(xiàng)目的立項(xiàng)主要基于以下背景：（1）作為隱蔽工程，如何評(píng)價(jià)邊坡錨固工程的施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)踐中雖然通過(guò)驗(yàn)收試驗(yàn)及長(zhǎng)期監(jiān)控的手段來(lái)控制，但卻存在國(guó)內(nèi)外尚未解決的如何根據(jù)獲得的資料來(lái)判斷工程質(zhì)量的問(wèn)題。（2）在缺乏資料與數(shù)據(jù)的情況下，如何評(píng)價(jià)錨固工程的質(zhì)量及安全、如何找出工程隱患和評(píng)價(jià)其危害程度以及如何處治這些工程隱患是巖土工作者必須面對(duì)和解決的課題。（3）邊坡巖土錨固技術(shù)作為一種先進(jìn)但非永久的支護(hù)手段，它的使用壽命關(guān)系到人類千百萬(wàn)工程及子孫后代的安危。探求錨的安全性評(píng)價(jià)

2、及檢測(cè)方法、研究邊坡巖土錨固中錨失效后對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及其綜合處治技術(shù)等課題的研究迫在眉睫。（4）滯后的理論研究導(dǎo)致施工中或完工后都出現(xiàn)了不同程度的錨固路塹邊坡失穩(wěn)事故。錨固路塹邊坡破壞后既阻塞交通，給國(guó)家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，又破壞環(huán)境景觀和生態(tài)平衡。在此背景下，交通部科技教育司和重慶交通科研設(shè)計(jì)院于2004年7月簽訂了科研合同，擬定由重慶交通科研設(shè)計(jì)院牽頭的競(jìng)標(biāo)聯(lián)合體承擔(dān)“巖土錨固安全評(píng)價(jià)與處治技術(shù)”項(xiàng)目的研究。2、主要研究?jī)?nèi)容經(jīng)過(guò)課題組三年多的努力，完成了邊坡巖土錨固的安全狀況及工程地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查、錨固失效模式和臨界技術(shù)指標(biāo)研究、錨固安全性檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法研究、錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性

3、的影響研究、錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)研究等多項(xiàng)研究成果，形成了具有實(shí)用價(jià)值的巖土錨固安全評(píng)價(jià)與處治的成套技術(shù)。2.1 邊坡巖土錨固的安全狀況及工程地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查對(duì)調(diào)研的86個(gè)錨固邊坡工程實(shí)例工點(diǎn)，按其安全性狀況的差異分為以下四種情況：安全、基本安全、欠安全和不安全。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有43個(gè)工程工點(diǎn)為安全的工點(diǎn)，所占比例為50%；有28個(gè)工程工點(diǎn)為基本安全的工點(diǎn)，所占比例為33%；有11個(gè)工程工點(diǎn)為欠安全的工點(diǎn)，所占比例為13%；有4個(gè)工程工點(diǎn)為不安全的工點(diǎn)，所占比例為5%。 錨固結(jié)構(gòu)不合理（云南楚大高速公路）圖1 基本安全邊坡錨固典型工點(diǎn) 坡體及錨孔滲水（貴州貴新一級(jí)公路）圖2 欠安全邊坡錨固典

4、型工點(diǎn)邊坡鼓脹變形、錨梁破壞致錨索外露（重慶渝黔高速公路）圖3 不安全邊坡錨固典型工點(diǎn)通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)公路邊坡采用主動(dòng)錨進(jìn)行加固的主要巖土體對(duì)象有三大類：軟巖類土質(zhì)邊坡、順層巖體邊坡、碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡，其中尤以軟巖類土質(zhì)邊坡最為典型。2.2 錨固失效模式和臨界技術(shù)指標(biāo)研究針對(duì)云南保龍高速公路第5標(biāo)依托工程工點(diǎn)，綜合采用室內(nèi)模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值分析、工程實(shí)例工點(diǎn)調(diào)研等手段研究了各類錨固失效模式及其影響因素。從調(diào)研及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果看，錨的主要失效模式有粘結(jié)破壞（錨筋注漿體界面和注漿體巖石界面的粘結(jié)破壞及其復(fù)合破壞）、錨筋斷裂、預(yù)應(yīng)力松弛、錨具失效、灌漿材料的剪切破壞、圍巖體內(nèi)部破壞等六種。錨索與注漿體發(fā)

5、生粘結(jié)破壞 注漿體與巖石發(fā)生粘結(jié)破壞復(fù)合失效 鋼絞線斷裂圖4 巖錨的破壞模式本項(xiàng)目將錨長(zhǎng)、灌漿飽滿度、預(yù)應(yīng)力及腐蝕作為評(píng)價(jià)錨固安全的指標(biāo)，簡(jiǎn)稱“四指標(biāo)”體系。研究建立了“四指標(biāo)”的臨界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：灌漿飽滿度75%、預(yù)應(yīng)力損失30%、腐蝕率4%、內(nèi)錨固段錨長(zhǎng)的最小（大）臨界值可采用式（1）和式（2）計(jì)算。 （1） （2）其中：為側(cè)摩阻剛度系數(shù)；E為錨筋的彈性模量；A為錨筋的橫截面面積。2.3錨固安全性檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法研究由本課題組研發(fā)的錨固質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)軟件包ANDTS 2.0由數(shù)值模擬模塊、小波分析模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊組成。該軟件界面設(shè)置友好，如果需要修改當(dāng)前錨桿所在的工程參數(shù)，只須點(diǎn)擊右側(cè)對(duì)話框條的

6、“更新工程參數(shù)”功能鍵，在彈出的對(duì)話框中重新設(shè)置所需要的工程參數(shù)標(biāo)題及參數(shù)值，設(shè)定參數(shù)將隨結(jié)果表打印輸出。如圖5所示。圖5 建立的錨桿錨固模型錨極限承載力、錨長(zhǎng)、灌漿飽滿度以及預(yù)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果按表1表4進(jìn)行評(píng)價(jià)。表1 錨極限承載力評(píng)價(jià)項(xiàng)目名稱檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果錨極限承載力測(cè)試值設(shè)計(jì)值0.5倍設(shè)計(jì)值測(cè)試值<設(shè)計(jì)值測(cè)試值<0.5倍設(shè)計(jì)值單錨安全性安全欠安全不安全表2 錨長(zhǎng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目名稱檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果（設(shè)計(jì)值-臨界值）/（設(shè)計(jì)值-實(shí)測(cè)值）錨長(zhǎng)測(cè)試值小于臨界值2>2錨長(zhǎng)安全性安全欠安全不安全表3 灌漿飽滿度評(píng)價(jià)項(xiàng)目名稱檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果灌漿飽滿度75%75%80%80%90%>90%灌漿飽

7、滿度安全性不合格合格良優(yōu)表4 預(yù)應(yīng)力評(píng)價(jià)項(xiàng)目名稱檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果預(yù)應(yīng)力損失率10%10%20%20%30%>30%預(yù)應(yīng)力損失率安全性優(yōu)良合格不合格預(yù)應(yīng)力超載率20%20%50%50%100%>100%預(yù)應(yīng)力超載率安全性優(yōu)良合格不合格腐蝕指標(biāo)可采用對(duì)地層腐蝕程度進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。地層腐蝕程度分為以下三等：嚴(yán)重腐蝕，對(duì)應(yīng)筋材腐蝕率4%；中等腐蝕，對(duì)應(yīng)4%>筋材腐蝕率2%；無(wú)腐蝕，對(duì)應(yīng)筋材腐蝕率<2%。根據(jù)地層腐蝕程度評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行筋材剩余壽命估算，估算結(jié)果按表5進(jìn)行評(píng)價(jià)。表5 腐蝕評(píng)價(jià)項(xiàng)目名稱估算與評(píng)價(jià)結(jié)果剩余壽命2年2年50年>50年腐蝕嚴(yán)重腐蝕中度腐蝕無(wú)腐蝕腐蝕安全性不

8、合格合格優(yōu)單錨安全性等級(jí)分為三級(jí)：安全、欠安全、不安全。單錨安全性評(píng)價(jià)在錨長(zhǎng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上，按以下方法進(jìn)行：當(dāng)錨長(zhǎng)安全評(píng)價(jià)結(jié)果為不合格時(shí)，則該單錨安全性等級(jí)應(yīng)劃分為不安全；當(dāng)錨長(zhǎng)安全評(píng)價(jià)結(jié)果為合格或優(yōu)良時(shí)，再綜合考慮灌漿飽滿度、預(yù)應(yīng)力、腐蝕三指標(biāo)安全評(píng)價(jià)結(jié)果，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法自動(dòng)獲取四個(gè)指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重，經(jīng)計(jì)算后確定單錨安全性評(píng)價(jià)結(jié)果。2.4 錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究對(duì)于不同的邊坡，其不同位置的錨失效和錨力減小對(duì)邊坡開(kāi)裂荷載和破壞荷載的影響各異，因而工程實(shí)踐中邊坡布錨應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行布置。錨失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響受邊坡破壞面形態(tài)變化影響較大，圓弧形的破壞面形態(tài)不受錨失效位置的影響，而折線

9、形的破壞面形態(tài)則受錨失效位置變化影響較大。對(duì)于純錨索支護(hù)的邊坡，某根錨索的失效將導(dǎo)致邊坡承載力和穩(wěn)定性的降低，群錨中的其它錨張力將有較大增長(zhǎng)?？v粱的施加，將上下排錨索聯(lián)系在一起，某根錨索張力損失后，其承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移至縱梁中。橫粱將左右側(cè)錨索聯(lián)系在一起，某根錨索的失效，導(dǎo)致相對(duì)一側(cè)中的錨索張力偏大。在錨索格子梁預(yù)應(yīng)力損失過(guò)程中，坡體不平衡力可通過(guò)格子梁在群錨中轉(zhuǎn)移，群錨中某根錨索預(yù)應(yīng)力的損失或失效會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性急劇降低。邊坡位移和錨索張力的大小與結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)密切相關(guān)，若結(jié)構(gòu)面較光滑，則錨索承擔(dān)的下滑力較大，某根錨失效后其它錨間的荷載轉(zhuǎn)移明顯，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大；反之，若結(jié)構(gòu)面有一定的粗糙度

10、，則錨失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不會(huì)很大。坡面施加格子梁后，格子梁與群錨形成空間承載體系，某根錨索張力損失后，其承擔(dān)的荷載將通過(guò)格子梁轉(zhuǎn)移，只要該三維體系能維持，錨失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不會(huì)太顯著。一旦錨索接連失效，邊坡穩(wěn)定性將急劇降低。若錨索滑脫引發(fā)失效，則錨索張力和邊坡承載力均較小，端錨應(yīng)力損失和坡面格子梁對(duì)穩(wěn)定性的影響甚微。2.5 錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)巖土錨固單錨失效后的處治方法可分為兩大類：原錨補(bǔ)強(qiáng)、增設(shè)新錨。具體又可細(xì)分為以下14種方法：（1）增加新錨錨長(zhǎng)；（2）重設(shè)錨頭、加強(qiáng)對(duì)錨頭防銹的維護(hù)；（3）采用單孔復(fù)合錨；（4）更換錨桿或降低鎖定荷載；（5）改變錨桿（錨索）結(jié)構(gòu)；（6）二次

11、劈裂灌漿；（7）錨注結(jié)合；（8）小噸位多點(diǎn)錨；（9）增加鉆孔粗糙度、改變灌漿體的配合比；（10）加強(qiáng)施工控制；（11）采用梁、網(wǎng)等形式加強(qiáng)錨與錨之間的連接；（12）增強(qiáng)錨固力度；（13）加強(qiáng)防排水，減載；（14）進(jìn)行補(bǔ)償張拉。具體選用這些方法時(shí)，應(yīng)先查明錨失效的原因、模式，評(píng)價(jià)單錨或群錨失效對(duì)錨固工程穩(wěn)定性的影響，并考慮處治的必要性、處治方案的可行性的基礎(chǔ)上經(jīng)方案比選后選定適宜的處治辦法。3、主要研究結(jié)論通過(guò)本項(xiàng)目研究，取得了以下主要研究成果。（1）提出了邊坡巖土錨固安全的主要影響因素，建立了邊坡巖土錨固的安全評(píng)估體系，歸納總結(jié)了公路邊坡錨固的工程地質(zhì)環(huán)境條件，在86個(gè)工程實(shí)例工點(diǎn)調(diào)研的基礎(chǔ)上

12、獲得了公路邊坡主動(dòng)錨錨固的典型巖土體對(duì)象和營(yíng)運(yùn)中的錨固邊坡安全狀況。（2）研究提出了完整的典型巖土體邊坡主動(dòng)錨錨固單錨失效模式包括四大類：粘結(jié)失效、筋材斷裂失效、預(yù)應(yīng)力松弛失效、錨具失效。針對(duì)云南保龍高速公路第5標(biāo)依托工程工點(diǎn)，綜合采用室內(nèi)模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值分析、工程實(shí)例工點(diǎn)調(diào)研等手段研究了各類錨固失效模式及其影響因素。（3）提出了主動(dòng)錨錨固安全評(píng)價(jià)的“四指標(biāo)”體系：錨長(zhǎng)、灌漿飽滿度、預(yù)應(yīng)力、腐蝕。并采用解析計(jì)算、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，研究建立了“四指標(biāo)”的臨界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：灌漿飽滿度75%、預(yù)應(yīng)力損失30%、腐蝕率4%、錨長(zhǎng)臨界值采用提出的解析公式計(jì)算確定。（4）初步探討了巖

13、土錨固安全性檢測(cè)的無(wú)損探傷理論及其信號(hào)處理技術(shù)，建立了錨動(dòng)測(cè)問(wèn)題的一維波動(dòng)方程，討論了其解析解和各種錨缺陷情況下的數(shù)值解；探討了應(yīng)用頻譜分析法、動(dòng)彈性模量反演法判定灌漿質(zhì)量及錨長(zhǎng)的方法；提出了應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換解決損傷信號(hào)處理問(wèn)題，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和故障特征提取，提高了診斷精度。（5）提出了主動(dòng)錨錨固安全評(píng)價(jià)“四指標(biāo)”的檢測(cè)或估算方法：錨長(zhǎng)、灌漿飽滿度兩指標(biāo)采用應(yīng)力波無(wú)損探測(cè)方法檢測(cè)；預(yù)應(yīng)力指標(biāo)可采用應(yīng)力波無(wú)損探測(cè)方法檢測(cè)、也可采用反拉法檢測(cè)；腐蝕指標(biāo)采用研究提出的剩余壽命評(píng)估公式進(jìn)行估算。開(kāi)發(fā)了利于應(yīng)力波無(wú)損探測(cè)方法檢測(cè)的孔底反射器。通過(guò)依托工程工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模擬試驗(yàn)、解析計(jì)算等手段

14、對(duì)上述成果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證和分析。（6）提出了主動(dòng)錨錨固安全評(píng)價(jià)“四指標(biāo)”安全等級(jí)劃分方法及其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及小波分析法的主動(dòng)錨單錨錨固安全評(píng)價(jià)方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。（7）室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值分析結(jié)果表明，云南保龍路依托工程工點(diǎn)邊坡破壞面近似圓弧形，邊坡不同部位錨失效及錨力損失導(dǎo)致的錨固邊坡破壞基本相同，因此對(duì)這類邊坡而言，各部位的錨都較重要，實(shí)踐中盡量均勻布錨；重慶渝黔路示范工程工點(diǎn)邊坡破壞面為折線形，邊坡滑體質(zhì)心以下的錨失效及錨力損失比邊坡滑體質(zhì)心以上的錨失效及錨力損失更易導(dǎo)致邊坡破壞，因此對(duì)這類邊坡而言，滑體質(zhì)心以下的錨很重要，實(shí)踐中應(yīng)盡量將錨布置在這部

15、分區(qū)域或者說(shuō)強(qiáng)化這部分的錨。（8）針對(duì)重慶渝黔路示范工程工點(diǎn)，初步探討了邊坡不同位置單錨失效對(duì)群錨影響、單錨及群錨失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響、錨失效后荷載重分布特征與規(guī)律。（9）研究提出了邊坡巖土主動(dòng)錨錨固安全性評(píng)價(jià)指南。（10）歸納總結(jié)了單錨失效后不同處治方法的使用條件、邊坡錨固失效后的處治方法及選擇原則，結(jié)合重慶渝黔路示范工程工點(diǎn)，研究了錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)并將之應(yīng)用于該工點(diǎn)。4 有待進(jìn)一步解決得問(wèn)題盡管項(xiàng)目組依托示范工程工點(diǎn)和依托工程工點(diǎn)，對(duì)巖土錨固安全評(píng)價(jià)與處治技術(shù)項(xiàng)目進(jìn)行了邊坡巖土錨固的安全狀況及工程地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查研究、錨固失效模式和臨界技術(shù)指標(biāo)、錨固安全性檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法、錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響、錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)等方面的研究，取得了一定初步成果，但仍