自1934年阿爾及利亞在加高舍爾法壩時使用預應力錨索以來,預應力錨索加固技術已因其獨特的優(yōu)越性而在國內(nèi)外許多工程(特別是水電工程和巖土工程)中得到廣泛應用,對預錨技術的研究也日益深入[1]。本文在參閱大量研究成果的基礎上,對預錨加固效應研究的重要性和必要性、預錨體系的特點和研究方法、預錨研究中應當重視的一些問題等提出了自己的看法,以期對進一步研究預錨加固技術有一定的幫助。

1應加強預錨加固效應的研究

近年來,我國科技工作者在預錨技術理論研究方面取得了較大的進展,但總的來說,這方面的研究還落后于工程實踐,特別是設計計算方法還不成熟,大多數(shù)設計只能主要憑經(jīng)驗和工程類比法來確定預錨參數(shù),這是由于我們還無法從理論上完善地、定量地說明預應力錨索的力學效應和加固機理。本文將從以下幾方面對預錨研究提出一些看法:(ａ)現(xiàn)行設計方法所依據(jù)的基本理論以及改進設計方法的關鍵;(ｂ)預錨加固體系的特點以及有限單元法在預錨研究中的應用;(ｃ)預錨研究中應特別重視內(nèi)、外錨頭區(qū)的應力變化;(ｄ)提高單孔噸位的新途徑———分級張拉法;(ｅ)群錨加固體系的整體效應和簡化方法。

2　探索加固機理,才能改進設計方法

預錨加固巖體邊坡設計常用的一種方法,就是基于可能出現(xiàn)的巖體失穩(wěn)形式,采用剛體極限平衡法對加固前的巖體進行分析,再根據(jù)下面的公式計算保持邊坡穩(wěn)定所需施加的預錨力。
Ｑ1+Ｑ2ｔａｎ?=ＫＴ
式中:Ｔ———加固前巖體的下滑力;?———滑動面的內(nèi)摩擦角;Ｑ1,Ｑ2———由預應力錨索提供的切向抗滑力和法向正壓力;Ｋ———安全系數(shù)。然后由經(jīng)驗和一些近似計算公式來確定其余的布錨參數(shù),包括錨索的布設范圍、間距、方向、長度、錨固方式、錨固段長度等。
在加固洞室圍巖的計算中,公認的理論和統(tǒng)一的設計方法還沒有建立起來,而只是針對不同的圍巖條件,分別沿用了非預應力錨桿加固中的懸吊理論、組合拱理論、組合梁理論等。
在許多計算中,復雜的巖體被簡化為剛體,預應力錨索的作用被看成僅僅是提供一個平衡力。在整體圍巖和軟弱圍巖的計算中,雖然考慮到了預應力所引起的巖體應力場的變化,但對于這種變化在巖體內(nèi)的具體分布情況及其對預錨加固效果的影響,還缺乏規(guī)律性的認識。設計計算方法的不足之處,正是緣于對預錨加固的力學效應和加固機理的認識不夠深入,這已引起人們的重視。例如,文獻[2]中分析了預錨加固的機理和效果,從不同的角度加深了對預錨作用的認識。

3　應明確預錨體系的特點

3。1　預錨體系是不可分割的整體
預錨加固體系由預應力施加體和被加固巖體所組成,而預應力施加體又由預應力錨索和內(nèi)、外錨頭組成。內(nèi)錨頭有機械式和膠結式兩種,目前國內(nèi)大型預錨加固工程中使用最多的是用水泥砂漿作為膠結材料的膠結式內(nèi)錨頭。本文將膠結式內(nèi)錨頭及膠結段的錨索統(tǒng)稱為內(nèi)錨固段。人為施加到錨索上的預應力正是依靠外錨頭的支撐作用、膠結段錨索與膠結體之間的粘結力、膠結體自身的承載力,以及膠結體與周圍巖體之間的粘結力,最終傳遞到被加固的巖體上。因此,預錨體系是一個不可分割的、共同工作的整體。
本文主張在研究中重視“整體性”的概念,其含義包括:(ａ)每根錨索與周圍巖體形成一個整體,從而使預錨力能有效地傳遞到巖體;(ｂ)各錨索通過周圍巖體聯(lián)系在一起,產(chǎn)生群錨加固的整體效應;(ｃ)通過對加固前后巖體整體穩(wěn)定性的比較,研究預錨加固的機理和效果。

3。2　預錨加固體系破壞形式的多樣性

ａ。錨索斷裂破壞。這種破壞主要是通過控制張拉應力(國內(nèi)目前常常取為0。625σｂ～0。65σｂ)、保證錨索質(zhì)量和采取防腐措施來防止。
ｂ。錨索與膠結體間的結合面破壞。是否會發(fā)生此類破壞,主要取決于結合面強度。以往工程界都是利用抗拔試驗取得平均的結合面強度數(shù)據(jù),而本文則傾向于結合剪應力的分布規(guī)律和相對滑移量進行研究。
ｃ。膠結體內(nèi)部破壞。膠結體內(nèi)部可能發(fā)生拉裂及剪切的復雜應力破壞,可用非線性有限元方法計算其應力場,并模擬實際破壞過程。
ｄ。膠結體與巖體之間的結合面破壞。是否發(fā)生此類破壞,取決于膠結體的強度以及內(nèi)錨頭是否進行擴孔處理等多種因素。一般情況下較少發(fā)生這種破壞。
ｅ。被加固巖體發(fā)生破壞。一般認為只要有足夠的錨固力,就不會發(fā)生錨固破壞。筆者認為這種觀點不夠全面。在分析被加固巖體破壞形式時應考慮以下幾點:被加固巖體的整體穩(wěn)定性和安全度;預錨加固后薄弱面向更深層轉移,產(chǎn)生新的整體失穩(wěn)的可能性;預錨力所引起的預錨附加應力場是否會造成巖體局部破壞,以及這種局部破壞是否會進一步發(fā)展為整體破壞。

4　有限單元法是一種有效的方法

在預錨技術理論研究的諸多方法中,有限單元法因其獨特的優(yōu)點而被經(jīng)常采用。成功地應用這一方法的關鍵在于選擇合適的單元類型,采用符合實際的破壞準則,恰當?shù)啬M預錨體系的結構特點、材料性質(zhì)、工作機制和破壞過程。

4。1　單元類型
桿單元、三角形截面整圓環(huán)單元、三角形截面整圓環(huán)裂紋單元、平面或空間等參單元、裂隙單元、夾層單元、描述結合面處傳力特性的粘結單元等,在預錨加固研究中都是非常有效的。關于粘結單元,可以借鑒鋼筋混凝土方面的研究成果。筆者受平面分析中雙彈簧粘結滑移單元的啟發(fā),在預錨加固空間有限元分析中成功地采用了空間彈簧粘結滑移單元。

4。2　本構關系
理想的線彈性模型在大多數(shù)預錨加固問題中難以真實、準確地反映預錨體系的實際特征,也無法說明整個體系的安全儲備能力。因此,常常需要深入分析各種非線性的特點,采用更接近于實際狀況的本構關系。在預錨加固計算中尤其應考慮錨索與膠結體之間的粘結應力和滑移量的關系,才能合理地構造出粘結滑移單元的剛度矩陣。

4。3　荷載的復雜性
荷載的復雜性包括兩方面的內(nèi)容,即除了與一般的巖土工程問題相同外,還必須考慮預錨力作用的復雜性。顯然,預應力錨索的作用并不總是能簡化為錨索兩端的一對集中力,很多情況下我們必須考慮預錨力究竟是以何種規(guī)律被傳遞到巖體上的,有時還需考慮錨索與膠結體共同抗彎、抗剪的作用。

4。4　平面和空間有限單元法
平面非線性有限單元法可用于計算一些預錨加固問題,但在許多問題中空間效應的影響是較大的,此時就必須采用空間有限單元法。

4。5　群錨計算的簡化
本文建議在大規(guī)模群錨問題分析中,采用子結構等方法來縮減工作量。

4。6　有限單元法的局限性
有限單元法是研究預錨加固體系的一種有效的方法,但由于非線性有限元的計算結果的可靠性在很大程度上依賴于模型參數(shù)選取的準確性,因此,這一方法在實際工程計算中的應用和推廣仍受到很大限制,筆者主要將其用于對一些簡化的情形進行初步的理論上的研究。

5　應重視內(nèi)、外錨頭區(qū)的應力變化

在對單根錨索的加固效應和破壞特點進行分析時應重視以下幾個方面:預應力施加體自身的受力和破壞特點;預應力的傳播規(guī)律和力學效應;預錨加固力學效應的影響因素;預錨加固的機理和效果;提高預錨加固效率和效果的途徑。
考慮到應力分布形態(tài)的特點及其對預錨加固機理和效果的影響[3],本文主張重點對外錨頭、內(nèi)錨固段及其附近區(qū)域進行分析。在對膠結式內(nèi)錨固段進行研究時,尤其應重視錨索和膠結體之間的粘結滑移特性。

5。1　膠結式內(nèi)錨固段長度的計算
目前設計中確定內(nèi)錨固段長度的方法是按下面兩式求出較大者,即
Ｌｍ=Ｋｃｑｍ/(πｄｎτａξ)
Ｌｍ=Ｋｃｑｍ/(πＤτｂξ)
式中:ｑｍ———張拉力;ｄ,Ｄ———鋼鉸線直徑和內(nèi)錨固段孔徑;ｎ———鋼鉸線根數(shù);τａ,τｂ———錨索與膠結體之間、膠結體與孔壁之間的粘結強度;Ｋｃ,ξ———安全系數(shù)和折減系數(shù)。
這一方法實際上是把不均勻應力當成均勻應力來計算,難以準確地反映實際狀況。

5。2　預錨力的傳遞規(guī)律
可以采用雙彈簧或空間彈簧粘結滑移單元來模擬錨索和膠結體之間的傳力和滑移特性,以便分析預錨力在錨索和巖體之間傳遞并在巖體內(nèi)傳播、擴散的規(guī)律。

5。3　預錨加固的力學效應
預錨加固的作用不僅在于提供直接平衡力、限制巖體變形,更在于加強巖體結構、提高巖體強度以及參與調(diào)整應力狀態(tài)[4]。巖體之所以失穩(wěn)或有失穩(wěn)的趨勢,從根本上說是由巖體自身的結構特點和材料特性,以及天然因素或人為因素所引起的應力重分布所決定的,而預錨加固的實質(zhì)就是施加主動的錨固力:一方面使巖體的結構得到加強,大大提高巖體的承載能力,另一方面,在巖體內(nèi)產(chǎn)生預錨附加應力場,使不利的應力狀態(tài)得到調(diào)整和改善,從而提高巖體穩(wěn)定的可靠度。因此,深入研究預錨附加應力場的特點、預錨參數(shù)對它的影響、應力變化對巖體穩(wěn)定的影響是非常必要的。

6　分級張拉法可提高加固效果和效率

在內(nèi)錨固段靠近上端的部分,錨索和膠結體之間的剪應力存在著相當嚴重的應力集中現(xiàn)象。因此,當預錨力較大時可能會造成結合面發(fā)生局部粘結破壞,甚至引起內(nèi)錨頭嚴重破壞。此時,可以對內(nèi)錨固段采用分段填漿、分級張拉加荷的方法,有效地防止這種破壞。
所謂分段填漿、分級張拉加荷,就是將內(nèi)錨固段的水泥漿改一次回填為多階段回填。在每一階段,當水泥結石達到一定強度時,對錨索施加部分荷載,然后進行下一階段回填及張拉。當后一階段回填長度足夠長時,該階段加荷僅會對前一段水泥結石內(nèi)的應力狀況產(chǎn)生很小的影響。通過這一方法,可以緩解應力集中現(xiàn)象,大大改善膠結式內(nèi)錨固段的應力狀態(tài),防止內(nèi)錨頭的破壞。而且本文認為,還可以通過這一方法控制被加固巖體內(nèi)的應力重分布的具體狀況,提高加固的效率和效果。

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文章來源： 永年加固公司
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