关于预应力锚索加固效应研究的几点看法

文章作者 100test 发表时间 2007:12:17 12:48:18
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　　摘　要　分析了预锚加固体系现行设计方法所依据的基本理论,认为改进设计方法的关键在于加强对加固机理和效应的认识。通过分析预锚体系的特点,对单根预应力锚索研究的重点问题以及如何提高预锚加固的效果提出了自己的观点。此外,还探讨了有限单元法在预锚计算中的应用,以及群锚体系的整体效应和计算特点。

　　自1934年阿尔及利亚在加高舍尔法坝时使用预应力锚索以来,预应力锚索加固技术已因其独特的优越性而在国内外许多工程(特别是水电工程和岩土工程)中得到广泛应用,对预锚技术的研究也日益深入[1]。本文在参阅大量研究成果的基础上,对预锚加固效应研究的重要性和必要性、预锚体系的特点和研究方法、预锚研究中应当重视的一些问题等提出了自己的看法,以期对进一步研究预锚加固技术有一定的帮助。

1应加强预锚加固效应的研究

　　近年来,我国科技工作者在预锚技术理论研究方面取得了较大的进展,但总的来说,这方面的研究还落后于工程实践,特别是设计计算方法还不成熟,大多数设计只能主要凭经验和工程类比法来确定预锚参数,这是由于我们还无法从理论上完善地、定量地说明预应力锚索的力学效应和加固机理。本文将从以下几方面对预锚研究提出一些看法:(ａ)现行设计方法所依据的基本理论以及改进设计方法的关键.(ｂ)预锚加固体系的特点以及有限单元法在预锚研究中的应用.(ｃ)预锚研究中应特别重视内、外锚头区的应力变化.(ｄ)提高单孔吨位的新途径———分级张拉法.(ｅ)群锚加固体系的整体效应和简化方法。

2　探索加固机理,才能改进设计方法

　　预锚加固岩体边坡设计常用的一种方法,就是基于可能出现的岩体失稳形式,采用刚体极限平衡法对加固前的岩体进行分析,再根据下面的公式计算保持边坡稳定所需施加的预锚力。
Ｑ1 Ｑ2ｔａｎø.=ＫＴ
式中:Ｔ———加固前岩体的下滑力.ø.———滑动面的内摩擦角.Ｑ1,Ｑ2———由预应力锚索提供的切向抗滑力和法向正压力.Ｋ———安全系数。然后由经验和一些近似计算公式来确定其余的布锚参数,包括锚索的布设范围、间距、方向、长度、锚固方式、锚固段长度等。
在加固洞室围岩的计算中,公认的理论和统一的设计方法还没有建立起来,而只是针对不同的围岩条件,分别沿用了非预应力锚杆加固中的悬吊理论、组合拱理论、组合梁理论等。
在许多计算中,复杂的岩体被简化为刚体,预应力锚索的作用被看成仅仅是提供一个平衡力。在整体围岩和软弱围岩的计算中,虽然考虑到了预应力所引起的岩体应力场的变化,但对于这种变化在岩体内的具体分布情况及其对预锚加固效果的影响,还缺乏规律性的认识。设计计算方法的不足之处,正是缘于对预锚加固的力学效应和加固机理的认识不够深入,这已引起人们的重视。例如,文献[2]中分析了预锚加固的机理和效果,从不同的角度加深了对预锚作用的认识。

3　应明确预锚体系的特点

3。1　预锚体系是不可分割的整体
　　预锚加固体系由预应力施加体和被加固岩体所组成,而预应力施加体又由预应力锚索和内、外锚头组成。内锚头有机械式和胶结式两种,目前国内大型预锚加固工程中使用最多的是用水泥砂浆作为胶结材料的胶结式内锚头。本文将胶结式内锚头及胶结段的锚索统称为内锚固段。人为施加到锚索上的预应力正是依靠外锚头的支撑作用、胶结段锚索与胶结体之间的粘结力、胶结体自身的承载力,以及胶结体与周围岩体之间的粘结力,最终传递到被加固的岩体上。因此,预锚体系是一个不可分割的、共同工作的整体。
本文主张在研究中重视“整体性”的概念,其含义包括:(ａ)每根锚索与周围岩体形成一个整体,从而使预锚力能有效地传递到岩体.(ｂ)各锚索通过周围岩体联系在一起,产生群锚加固的整体效应.(ｃ)通过对加固前后岩体整体稳定性的比较,研究预锚加固的机理和效果。

3。2　预锚加固体系破坏形式的多样性

ａ。锚索断裂破坏。这种破坏主要是通过控制张拉应力(国内目前常常取为0。625σｂ～0。65σｂ)、保证锚索质量和采取防腐措施来防止。
ｂ。锚索与胶结体间的结合面破坏。是否会发生此类破坏,主要取决于结合面强度。以往工程界都是利用抗拔试验取得平均的结合面强度数据,而本文则倾向于结合剪应力的分布规律和相对滑移量进行研究。
ｃ。胶结体内部破坏。胶结体内部可能发生拉裂及剪切的复杂应力破坏,可用非线性有限元方法计算其应力场,并模拟实际破坏过程。
ｄ。胶结体与岩体之间的结合面破坏。是否发生此类破坏,取决于胶结体的强度以及内锚头是否进行扩孔处理等多种因素。一般情况下较少发生这种破坏。
ｅ。被加固岩体发生破坏。一般认为只要有足够的锚固力,就不会发生锚固破坏。笔者认为这种观点不够全面。在分析被加固岩体破坏形式时应考虑以下几点:被加固岩体的整体稳定性和安全度.预锚加固后薄弱面向更深层转移,产生新的整体失稳的可能性.预锚力所引起的预锚附加应力场是否会造成岩体局部破坏,以及这种局部破坏是否会进一步发展为整体破坏。

4　有限单元法是一种有效的方法

　　在预锚技术理论研究的诸多方法中,有限单元法因其独特的优点而被经常采用。成功地应用这一方法的关键在于选择合适的单元类型,采用符合实际的破坏准则,恰当地模拟预锚体系的结构特点、材料性质、工作机制和破坏过程。

4。1　单元类型
　　杆单元、三角形截面整圆环单元、三角形截面整圆环裂纹单元、平面或空间等参单元、裂隙单元、夹层单元、描述结合面处传力特性的粘结单元等,在预锚加固研究中都是非常有效的。关于粘结单元,可以借鉴钢筋混凝土方面的研究成果。笔者受平面分析中双弹簧粘结滑移单元的启发,在预锚加固空间有限元分析中成功地采用了空间弹簧粘结滑移单元。

4。2　本构关系
　　理想的线弹性模型在大多数预锚加固问题中难以真实、准确地反映预锚体系的实际特征,也无法说明整个体系的安全储备能力。因此,常常需要深入分析各种非线性的特点,采用更接近于实际状况的本构关系。在预锚加固计算中尤其应考虑锚索与胶结体之间的粘结应力和滑移量的关系,才能合理地构造出粘结滑移单元的刚度矩阵。

4。3　荷载的复杂性
　　荷载的复杂性包括两方面的内容,即除了与一般的岩土工程问题相同外,还必须考虑预锚力作用的复杂性。显然,预应力锚索的作用并不总是能简化为锚索两端的一对集中力,很多情况下我们必须考虑预锚力究竟是以何种规律被传递到岩体上的,有时还需考虑锚索与胶结体共同抗弯、抗剪的作用。

4。4　平面和空间有限单元法
　　平面非线性有限单元法可用于计算一些预锚加固问题,但在许多问题中空间效应的影响是较大的,此时就必须采用空间有限单元法。

4。5　群锚计算的简化
　　本文建议在大规模群锚问题分析中,采用子结构等方法来缩减工作量。

4。6　有限单元法的局限性
　　有限单元法是研究预锚加固体系的一种有效的方法,但由于非线性有限元的计算结果的可靠性在很大程度上依赖于模型参数选取的准确性,因此,这一方法在实际工程计算中的应用和推广仍受到很大限制,笔者主要将其用于对一些简化的情形进行初步的理论上的研究。