巖質(zhì)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨固應(yīng)力分析

巖質(zhì)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨固應(yīng)力分析

1預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)現(xiàn)狀巖石錨固是現(xiàn)代巖石工程領(lǐng)域的一個重要分支。在巖石體中使用錨固技術(shù)，可以充分利用巖石體的能量，積極使用巖石體的強(qiáng)度，有效控制巖石體、工程結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的變形，因此現(xiàn)代巖石的高度邊坡得到了積極、充分的加固。然而,理論研究仍然落后于實(shí)際工程應(yīng)用,如預(yù)應(yīng)力加固效應(yīng)的定量描述、預(yù)應(yīng)力大小對加固效果的影響及如何描述錨固端的力學(xué)行為等。本文通過施錨過程中錨固端剪應(yīng)力、軸力的實(shí)測資料及綜合分析已有資料的基礎(chǔ)上,提出了預(yù)應(yīng)力張拉條件下內(nèi)錨固端的力學(xué)規(guī)律,建立了群錨加固效應(yīng)的概念,為合理設(shè)計(jì)內(nèi)錨固段長度提供了理論依據(jù)。2內(nèi)錨固段電壓測試元件的配置2.1鋼鉸線彈性模量的計(jì)算為觀測預(yù)應(yīng)力在錨索內(nèi)錨固段的分布狀況,在鋼鉸線內(nèi)錨段鋼絲上間隔一定距離粘貼應(yīng)變片,由下式計(jì)算出鋼鉸線的軸力:P=K0ESε(1)Ρ=Κ0ESε(1)式中:E為鋼鉸線的彈性模量(205×103MPa);S為鋼鉸線的公稱面積(mm2);K0為與電阻片靈敏度及電纜長度有關(guān)的系數(shù);ε為應(yīng)變儀讀數(shù)。2.2剪應(yīng)變及其穩(wěn)定性將應(yīng)變片貼置在內(nèi)錨固段波紋管的塑料筒壁上,在每一監(jiān)測斷面上沿環(huán)向間隔120°均勻布置3個測點(diǎn),每點(diǎn)放2個應(yīng)變片,通過實(shí)測平面內(nèi)一點(diǎn)三個方向的線應(yīng)變求得剪應(yīng)變γs,由下式換算成剪應(yīng)力τs:τs=Gγs(2)式中:G為灌漿體的剪切模量(MPa);γs為剪應(yīng)變。3內(nèi)軸固段軸力和剪應(yīng)力的分布特征3.1錨固段外距離對錨索分級張拉的同步監(jiān)測資料分析表明,張拉荷載傳遞到內(nèi)錨固段的外端時,應(yīng)力即向周圍巖體擴(kuò)散,從而表現(xiàn)出應(yīng)力的分布外端大、根部極小的喇叭形(圖1),根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),筆者提出了荷載分布曲線的函數(shù)表達(dá)式(式(3))。N=?????336.2x?0.7382(kN)(P=1000kN)1036.8x?0.2611(kN)(P=1500kN)1401.6x?0.4686(kN)(P=3000kN)(3)Ν={336.2x-0.7382(kΝ)(Ρ=1000kΝ)1036.8x-0.2611(kΝ)(Ρ=1500kΝ)1401.6x-0.4686(kΝ)(Ρ=3000kΝ)(3)式中:P為預(yù)應(yīng)力張拉值(kN);x為距離內(nèi)錨固段外端的距離(m);N為內(nèi)錨固段中的軸力(kN)。3.2預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段剪應(yīng)力分布的特征分析錨固體與孔壁之間的剪應(yīng)力分布對錨固段長度的設(shè)計(jì)影響頗大,在以往的工程實(shí)踐中,均假定剪應(yīng)力沿內(nèi)錨固段全長均勻分布。事實(shí)證明,內(nèi)錨固段中剪應(yīng)力分布是很不均勻的,在內(nèi)錨固段外端有剪應(yīng)力高度集中現(xiàn)象(圖2)。從外向內(nèi),剪應(yīng)力的分布隨深度增加而減小,呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,至一定距離后,剪應(yīng)力趨于一極限值。而且,剪應(yīng)力的峰值與巖體性質(zhì)、張拉荷載的大小有關(guān),巖體堅(jiān)硬,峰值點(diǎn)離內(nèi)錨固段外端的距離大。一次張拉剪應(yīng)力的峰值數(shù)值幾乎為張拉應(yīng)力值的4.88倍。根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),筆者提出了1000～3000kN級預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段剪應(yīng)力的分布的經(jīng)驗(yàn)公式為τ(P,x)=?????7.503e?0.0004xP4.8723e0.0008Px(MPa)(x≥0.5)(x＜0.5)(4)τ(Ρ,x)={7.503e-0.0004xΡ4.8723e0.0008Ρx(ΜΡa)(x≥0.5)(x＜0.5)(4)式中:P為預(yù)應(yīng)力值(kN);x為離內(nèi)錨固段外端距離(m)。4巖體變形邊坡巖體開挖卸載后,巖體向臨空方向發(fā)生變形,形成卸荷松動帶,預(yù)應(yīng)力錨索(桿)則具有抑制巖體變形的作用。群錨相當(dāng)于在巖體表面施加了一均布荷載,荷載的大小及巖體的物理力學(xué)性質(zhì)影響著預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體的效果。現(xiàn)場試驗(yàn)表明,不同的巖體質(zhì)量、不同的預(yù)應(yīng)力值引起的群錨效應(yīng)不同,本文稱之為群錨第一效應(yīng)與群錨第二效應(yīng),從二方面探討預(yù)應(yīng)力群錨對邊坡巖體的加固效應(yīng)。4.1提高邊坡巖體質(zhì)量預(yù)應(yīng)力施加,通過外錨墩應(yīng)力向巖體內(nèi)部擴(kuò)散,使錨索張拉影響范圍的巖體處于受壓狀態(tài),根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)觀測結(jié)果,群錨第一效應(yīng)受巖體質(zhì)量和預(yù)應(yīng)力大小的影響顯著,表1為堅(jiān)硬完整的巖體在不同預(yù)應(yīng)力張拉下的壓縮擴(kuò)散范圍。為進(jìn)一步查明相鄰預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體的疊加增效效應(yīng),結(jié)合某高速公路路塹邊坡加固中的現(xiàn)場群錨試驗(yàn),在同一邊坡巖體中采取二種不同的狀況對群錨加固效應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,Ai-1錨距Ai錨0.5m,Ai-2錨距Ai錨1.5m,Ai與Bi錨相距2m。狀況Ⅰ:對A1錨張拉,測得A1-1,A1-2的壓縮范圍(表1)。狀況Ⅱ:A2錨和B2錨在相同張拉力下同時張拉,c2錨不張拉,測得A2-1,A2-2的壓縮范圍(表2)。通過對錨索張拉后巖體壓縮量的分析表明,隨著張拉荷載的增加,邊坡巖體壓縮效應(yīng)增強(qiáng),壓縮范圍擴(kuò)大,而且壓縮效應(yīng)具有延時和繼續(xù)增強(qiáng)的現(xiàn)象。巖體質(zhì)量影響壓縮范圍的大小,典型錨索的影響半徑γ0與張拉荷載、巖體變形模量E的關(guān)系如式(5),從而可以確定為提高群錨第一效應(yīng)的錨索安裝的最小間距S=2γ0。S=(0.0103P+3.1613)E?6×10?6P?0.5385(5)S=(0.0103Ρ+3.1613)E-6×10-6Ρ-0.5385(5)式中:E為被加固巖體的變形模量(GPa);P為單錨施加的預(yù)應(yīng)力值(kN)?，F(xiàn)場測試還發(fā)現(xiàn),錨索錨固后表層壓縮變形量明顯高于內(nèi)部巖體的變形量,經(jīng)錨索加固后邊坡巖體各部位時效變形速率大幅度降低,約為加錨前的50%,因此,錨索具有控制邊坡變形的加固作用。壓縮區(qū)影響深度Lc,可以根據(jù)距離錨孔的不同位置的應(yīng)變計(jì)實(shí)測得到,然而,巖性、結(jié)構(gòu)面特征和施加預(yù)應(yīng)力大小的不同,引起的壓縮擴(kuò)散深度不同,壓縮區(qū)影響深度還與錨索間距D有關(guān)。施加預(yù)應(yīng)力越大,壓縮深度越大,巖體越完整,強(qiáng)度越高,則相同預(yù)應(yīng)力作用下的壓縮深度越小。4.2單根錨索受力分析根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)錨索實(shí)測資料分析,在離內(nèi)錨固段外端距離近的地方,應(yīng)力高度集中,外端部巖體首先發(fā)生破壞,從而發(fā)生應(yīng)力逐漸向根部轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。此時,錨索的抗拔力大小主要取決于漿體和巖壁接觸面的剪應(yīng)力,一旦剪應(yīng)力超過錨體與周圍巖體的粘結(jié)強(qiáng)度時,錨索內(nèi)錨段與周圍巖體發(fā)生相對滑移;軸力的高度集中,使周圍巖體產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū),相鄰錨索之間的應(yīng)力疊加,即為潛在的破裂面,本文將群錨內(nèi)錨固段的應(yīng)力集中效應(yīng)稱為群錨第二效應(yīng)。由于錨根外端處拉應(yīng)力集中,相鄰錨體間可能的貫通破壞面將會引起巖體中的新的整體破裂,因此,合理確定內(nèi)錨固段間距在工程設(shè)計(jì)中尤為重要。分析單根錨索的受力過程,拉力分布帶的范圍與內(nèi)錨固段“瘦長比”相關(guān),與巖體的質(zhì)量有關(guān),Brincker等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破壞影響半徑r與內(nèi)錨固段長度Lc之間的比例通常為2～4,破壞面可以由單根錨索的破壞試驗(yàn)得到。由Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則可以得到在相同的巖體條件下,“瘦長比”越大,破壞影響范圍越大,從而說明增加內(nèi)錨固段長度在提供錨固力中并不能起到積極作用。5預(yù)應(yīng)力錨索加固計(jì)算某高等級公路,開挖路塹邊坡高45m,根據(jù)鉆孔資料揭示,該邊坡中存在一傾向與坡向相同,傾角小于坡角的軟弱夾層,其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為c=20kPa,φ=15°,巖性為微風(fēng)化白云巖。該邊坡所需錨固力1387kN/m,設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨索加固,原設(shè)計(jì)采用1500kN級預(yù)應(yīng)力錨索,內(nèi)錨固段長度8m,所需錨索共計(jì)82根。為節(jié)約投資,對該設(shè)計(jì)進(jìn)行校核,采用本文提出的內(nèi)錨固段應(yīng)力分布經(jīng)驗(yàn)公式復(fù)核內(nèi)錨固段長度?，F(xiàn)場試驗(yàn)與本文提出的公式計(jì)算得到的軸力和剪應(yīng)力值如表3所示,兩者結(jié)果基本吻合。由表3可見,軸力、剪應(yīng)力在內(nèi)錨固段超過6.0m后的值較小,尤其是剪應(yīng)力極小。而內(nèi)錨固段長度設(shè)計(jì)主要滿足剪力小于粘結(jié)力條件,對內(nèi)錨固段長度可以進(jìn)行修整,以錨索內(nèi)錨固長度x占總剪應(yīng)力的95%作為內(nèi)錨固段長度設(shè)計(jì)值,此時內(nèi)錨固段長度僅需2.0m,考慮邊坡安全性,取K=2.5,故后采用1500kN級預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段長度為5.50～6.0m,工程運(yùn)營近2a結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)可靠,整個加固工程節(jié)約工程投資約20萬元。6預(yù)應(yīng)力錨索群錨加固的作用通過對巖錨現(xiàn)場試驗(yàn)分析,可得到以下結(jié)論:(1)內(nèi)錨固段軸力和剪應(yīng)力的分布具有極其不均勻性,靠近外端,應(yīng)力集中系數(shù)大,外端2.0m范圍內(nèi)的應(yīng)力占全長應(yīng)力的80%以上,說明增加內(nèi)錨固段長度并非增加錨固力的最佳途徑;(2)群錨加固效應(yīng)反映最明顯的是靠近外錨固段的壓縮效應(yīng),預(yù)應(yīng)力改善巖體的性質(zhì)向巖體內(nèi)部的擴(kuò)散與巖體的性質(zhì)、預(yù)應(yīng)力大小有關(guān);(3)