摘 要 分析了預(yù)錨加固體系現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法所依據(jù)的基本理論 ,認(rèn)為改進(jìn)設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵在于加
強(qiáng)對加固機(jī)理和效應(yīng)的認(rèn)識(shí) .通過分析預(yù)錨體系的特點(diǎn) ,對單根預(yù)應(yīng)力錨索研究的重點(diǎn)問題以及如
何提高預(yù)錨加固的效果提出了自己的觀點(diǎn) .此外 ,還探討了有限單元法在預(yù)錨計(jì)算中的應(yīng)用 ,以及
群錨體系的整體效應(yīng)和計(jì)算特點(diǎn) .
自 1 934年阿爾及利亞在加高舍爾法壩時(shí)使用預(yù)應(yīng)力錨索以來 ,預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)已因其獨(dú)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(yīng)用 ,對預(yù)錨技術(shù)的研究也日益深入[1 ].本文在參閱大量研究成果的基礎(chǔ)上 ,對預(yù)錨加固效應(yīng)研究的重要性和必要性、預(yù)錨體系的特點(diǎn)和研究方法、預(yù)錨研究中應(yīng)當(dāng)重視的一些問題等提出了自己的看法 ,以期對進(jìn)一步研究預(yù)錨加固技術(shù)有一定的幫助 .
1 應(yīng)加強(qiáng)預(yù)錨加固效應(yīng)的研究
近年來 ,我國科技工作者在預(yù)錨技術(shù)理論研究方面取得了較大的進(jìn)展 ,但總的來說 ,這方面的研究還落后于工程實(shí)踐 ,特別是設(shè)計(jì)計(jì)算方法還不成熟 ,大多數(shù)設(shè)計(jì)只能主要憑經(jīng)驗(yàn)和工程類比法來確定預(yù)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(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)效應(yīng)和加固機(jī)理 .本文將從以下幾方面對預(yù)錨研究提出一些看法 :(ａ)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法所依據(jù)的基本理論以及改進(jìn)設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵 ;(ｂ)預(yù)錨加固體系的特點(diǎn)以及有限單元法在預(yù)錨研究中的應(yīng)用 ;(ｃ)預(yù)錨研究中應(yīng)特別重視內(nèi)、外錨頭區(qū)的應(yīng)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(yīng)和簡化方法 .
2 探索加固機(jī)理 ,才能改進(jìn)設(shè)計(jì)方法
預(yù)錨加固巖體邊坡設(shè)計(jì)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(jìn)行分析 ,再根據(jù)下面的公式計(jì)算保持邊坡穩(wěn)定所需施加的預(yù)錨力 .
Ｑ1 +Ｑ2 ｔａｎ? =ＫＴ
式中 :Ｔ———加固前巖體的下滑力 ;?———滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角 ;Ｑ1 ,Ｑ2 ———由預(yù)應(yīng)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(yàn)和一些近似計(jì)算公式來確定其余的布錨參數(shù) ,包括錨索的布設(shè)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(jì)算中 ,公認(rèn)的理論和統(tǒng)一的設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)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(jì)算中 ,復(fù)雜的巖體被簡化為剛體 ,預(yù)應(yīng)力錨索的作用被看成僅僅是提供一個(gè)平衡力 .在整體圍巖和軟弱圍巖的計(jì)算中 ,雖然考慮到了預(yù)應(yīng)力所引起的巖體應(yīng)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(yù)錨加固效果的影響 ,還缺乏規(guī)律性的認(rèn)識(shí) .設(shè)計(jì)計(jì)算方法的不足之處 ,正是緣于對預(yù)錨加固的力學(xué)效應(yīng)和加固機(jī)理的認(rèn)識(shí)不夠深入 ,這已引起人們的重視 .例如 ,文獻(xiàn) [2 ]中分析了預(yù)錨加固的機(jī)理和效果 ,從不同的角度加深了對預(yù)錨作用的認(rèn)識(shí) .
3 應(yīng)明確預(yù)錨體系的特點(diǎn)
3. 1 預(yù)錨體系是不可分割的整體
預(yù)錨加固體系由預(yù)應(yīng)力施加體和被加固巖體所組成 ,而預(yù)應(yīng)力施加體又由預(yù)應(yīng)力錨索和內(nèi)、外錨頭組成 .內(nèi)錨頭有機(jī)械式和膠結(jié)式兩種 ,目前國內(nèi)大型預(yù)錨加固工程中使用最多的是用水泥砂漿作為膠結(jié)材料的膠結(jié)式內(nèi)錨頭 .本文將膠結(jié)式內(nèi)錨頭及膠結(jié)段的錨索統(tǒng)稱為內(nèi)錨固段 .人為施加到錨索上的預(yù)應(yīng)力正是依靠外錨頭的支撐作用、膠結(jié)段錨索與膠結(jié)體之間的粘結(jié)力、膠結(jié)體自身的承載力 ,以及膠結(jié)體與周圍巖體之間的粘結(jié)力 ,最終傳遞到被加固的巖體上 .因此 ,預(yù)錨體系是一個(gè)不可分割的、共同工作的整體 .
本文主張?jiān)谘芯恐兄匾暋罢w性”的概念 ,其含義包括 :(ａ)每根錨索與周圍巖體形成一個(gè)整體 ,從而使預(yù)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(yīng) ;(ｃ)通過對加固前后巖體整體穩(wěn)定性的比較 ,研究預(yù)錨加固的機(jī)理和效果 .
3. 2 預(yù)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(yīng)力 (國內(nèi)目前常常取為 0 . 62 5σｂ～ 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(jié)體間的結(jié)合面破壞 .是否會(huì)發(fā)生此類破壞 ,主要取決于結(jié)合面強(qiáng)度 .以往工程界都是利用抗拔試驗(yàn)取得平均的結(jié)合面強(qiáng)度數(shù)據(jù) ,而本文則傾向于結(jié)合剪應(yīng)力的分布規(guī)律和相對滑移量進(jìn)行研究 .
ｃ.膠結(jié)體內(nèi)部破壞 .膠結(jié)體內(nèi)部可能發(fā)生拉裂及剪切的復(fù)雜應(yīng)力破壞 ,可用非線性有限元方法計(jì)算其應(yīng)力場 ,并模擬實(shí)際破壞過程 .
ｄ .膠結(jié)體與巖體之間的結(jié)合面破壞 .是否發(fā)生此類破壞 ,取決于膠結(jié)體的強(qiáng)度以及內(nèi)錨頭是否進(jìn)行擴(kuò)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(rèn)為只要有足夠的錨固力 ,就不會(huì)發(fā)生錨固破壞 .筆者認(rèn)為這種觀點(diǎn)不夠全面 .在分析被加固巖體破壞形式時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn) :被加固巖體的整體穩(wěn)定性和安全度 ;預(yù)錨加固后薄弱面向更深層轉(zhuǎn)移 ,產(chǎn)生新的整體失穩(wěn)的可能性 ;預(yù)錨力所引起的預(yù)錨附加應(yīng)力場是否會(huì)造成巖體局部破壞 ,以及這種局部破壞是否會(huì)進(jìn)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(yù)錨技術(shù)理論研究的諸多方法中 ,有限單元法因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被經(jīng)常采用 .成功地應(yīng)用這一方法的關(guān)鍵在于選擇合適的單元類型 ,采用符合實(shí)際的破壞準(zhǔn)則 ,恰當(dāng)?shù)啬M預(yù)錨體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料性質(zhì)、工作機(jī)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(jié)合面處傳力特性的粘結(jié)單元等 ,在預(yù)錨加固研究中都是非常有效的 .關(guān)于粘結(jié)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(jié)滑移單元的啟發(fā) ,在預(yù)錨加固空間有限元分析中成功地采用了空間彈簧粘結(jié)滑移單元 .
4 . 2 本構(gòu)關(guān)系
理想的線彈性模型在大多數(shù)預(yù)錨加固問題中難以真實(shí)、準(zhǔn)確地反映預(yù)錨體系的實(shí)際特征 ,也無法說明整個(gè)體系的安全儲(chǔ)備能力 .因此 ,常常需要深入分析各種非線性的特點(diǎn) ,采用更接近于實(shí)際狀況的本構(gòu)關(guān)系 .在預(yù)錨加固計(jì)算中尤其應(yīng)考慮錨索與膠結(jié)體之間的粘結(jié)應(yīng)力和滑移量的關(guān)系 ,才能合理地構(gòu)造出粘結(jié)滑移單元的剛度矩陣 .
4 . 3 荷載的復(fù)雜性
荷載的復(fù)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(yù)錨力作用的復(fù)雜性 .顯然 ,預(yù)應(yīng)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(yù)錨力究竟是以何種規(guī)律被傳遞到巖體上的 ,有時(shí)還需考慮錨索與膠結(jié)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(jì)算一些預(yù)錨加固問題 ,但在許多問題中空間效應(yīng)的影響是較大的 ,此時(shí)就必須采用空間有限單元法 .
4 . 5 群錨計(jì)算的簡化
本文建議在大規(guī)模群錨問題分析中 ,采用子結(jié)構(gòu)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(yù)錨加固體系的一種有效的方法 ,但由于非線性有限元的計(jì)算結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于模型參數(shù)選取的準(zhǔn)確性 ,因此 ,這一方法在實(shí)際工程計(jì)算中的應(yīng)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(jìn)行初步的理論上的研究 .
5 應(yīng)重視內(nèi)、外錨頭區(qū)的應(yīng)力變化
在對單根錨索的加固效應(yīng)和破壞特點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)重視以下幾個(gè)方面 :預(yù)應(yīng)力施加體自身的受力和破壞特點(diǎn) ;預(yù)應(yīng)力的傳播規(guī)律和力學(xué)效應(yīng) ;預(yù)錨加固力學(xué)效應(yīng)的影響因素 ;預(yù)錨加固的機(jī)理和效果 ;提高預(yù)錨加固效率和效果的途徑 .
考慮到應(yīng)力分布形態(tài)的特點(diǎn)及其對預(yù)錨加固機(jī)理和效果的影響[3 ],本文主張重點(diǎn)對外錨頭、內(nèi)錨固段及其附近區(qū)域進(jìn)行分析 .在對膠結(jié)式內(nèi)錨固段進(jìn)行研究時(shí) ,尤其應(yīng)重視錨索和膠結(jié)體之間的粘結(jié)滑移特性 .
5. 1 膠結(jié)式內(nèi)錨固段長度的計(jì)算
目前設(shè)計(jì)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(jié)體之間、膠結(jié)體與孔壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度 ;Ｋｃ,ξ———安全系數(shù)和折減系數(shù) .
這一方法實(shí)際上是把不均勻應(yīng)力當(dāng)成均勻應(yīng)力來計(jì)算 ,難以準(zhǔn)確地反映實(shí)際狀況 .
5. 2 預(yù)錨力的傳遞規(guī)律
可以采用雙彈簧或空間彈簧粘結(jié)滑移單元來模擬錨索和膠結(jié)體之間的傳力和滑移特性 ,以便分析預(yù)錨力在錨索和巖體之間傳遞并在巖體內(nèi)傳播、擴(kuò)散的規(guī)律 .
5. 3 預(yù)錨加固的力學(xué)效應(yīng)
預(yù)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(qiáng)巖體結(jié)構(gòu)、提高巖體強(qiáng)度以及參與調(diào)整應(yīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性 ,以及天然因素或人為因素所引起的應(yīng)力重分布所決定的 ,而預(yù)錨加固的實(shí)質(zhì)就是施加主動(dòng)的錨固力 :一方面使巖體的結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng) ,大大提高巖體的承載能力 ,另一方面 ,在巖體內(nèi)產(chǎn)生預(yù)錨附加應(yīng)力場 ,使不利的應(yīng)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(yù)錨附加應(yīng)力場的特點(diǎn)、預(yù)錨參數(shù)對它的影響、應(yīng)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(jié)體之間的剪應(yīng)力存在著相當(dāng)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象 .因此 ,當(dāng)預(yù)錨力較大時(shí)可能會(huì)造成結(jié)合面發(fā)生局部粘結(jié)破壞 ,甚至引起內(nèi)錨頭嚴(yán)重破壞 .此時(shí) ,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(dāng)水泥結(jié)石達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí) ,對錨索施加部分荷載 ,然后進(jìn)行下一階段回填及張拉 .當(dāng)后一階段回填長度足夠長時(shí) ,該階段加荷僅會(huì)對前一段水泥結(jié)石內(nèi)的應(yīng)力狀況產(chǎn)生很小的影響 .通過這一方法 ,可以緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象 ,大大改善膠結(jié)式內(nèi)錨固段的應(yīng)力狀態(tài) ,防止內(nèi)錨頭的破壞 .而且本文認(rèn)為 ,還可以通過這一方法控制被加固巖體內(nèi)的應(yīng)力重分布的具體狀況 ,提高加固的效率和效果 .
7 應(yīng)注重群錨體系的整體效應(yīng)
已有一些文章涉及到群錨加固體系 ,但對其進(jìn)行系統(tǒng)、深入研究的還不多見 .本文認(rèn)為在群錨研究中 ,以下幾方面值得引起重視 .ａ.將群錨加固體系作為一個(gè)整體來分析群錨加固條件下巖體內(nèi)的應(yīng)力場、位移場沿空間和時(shí)間的分布規(guī)律 .
ｂ .各單錨之間相互影響和共同工作的規(guī)律 .
ｃ.影響群錨加固整體效應(yīng)的主要因素 .
ｄ .群錨加固力學(xué)效應(yīng)與群錨加固效果的關(guān)系 .
ｅ.預(yù)錨加固前后巖體穩(wěn)定性的評價(jià) ,安全系數(shù)的確定 .
ｆ.采取合理的簡化方法 ,提高大規(guī)模群錨體系有限元分析的工作效率 .例如 ,可采用子結(jié)構(gòu)的方法來縮減計(jì)算工作量 .
8 預(yù)錨加固效應(yīng)研究的前景
預(yù)錨技術(shù)的應(yīng)用前景是廣闊的 ,但預(yù)錨理論的研究不可能一步登天 ,只有綜合應(yīng)用理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場測試等各種手段 ,對各方面進(jìn)行深刻分析 ,設(shè)計(jì)計(jì)算方法的改進(jìn)才能水到渠成 .
預(yù)錨技術(shù)的一些新的研究方向也值得關(guān)注 ,例如如何用動(dòng)力分析方法取代目前常用的擬靜力法來分析預(yù)錨加固體系的動(dòng)力特性 ,以及如何發(fā)展預(yù)錨體系與其它結(jié)構(gòu)聯(lián)合加固巖體的技術(shù) ,等等 .
強(qiáng)對加固機(jī)理和效應(yīng)的認(rèn)識(shí) .通過分析預(yù)錨體系的特點(diǎn) ,對單根預(yù)應(yīng)力錨索研究的重點(diǎn)問題以及如
何提高預(yù)錨加固的效果提出了自己的觀點(diǎn) .此外 ,還探討了有限單元法在預(yù)錨計(jì)算中的應(yīng)用 ,以及
群錨體系的整體效應(yīng)和計(jì)算特點(diǎn) .
自 1 934年阿爾及利亞在加高舍爾法壩時(shí)使用預(yù)應(yīng)力錨索以來 ,預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)已因其獨(dú)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(yīng)用 ,對預(yù)錨技術(shù)的研究也日益深入[1 ].本文在參閱大量研究成果的基礎(chǔ)上 ,對預(yù)錨加固效應(yīng)研究的重要性和必要性、預(yù)錨體系的特點(diǎn)和研究方法、預(yù)錨研究中應(yīng)當(dāng)重視的一些問題等提出了自己的看法 ,以期對進(jìn)一步研究預(yù)錨加固技術(shù)有一定的幫助 .
1 應(yīng)加強(qiáng)預(yù)錨加固效應(yīng)的研究
近年來 ,我國科技工作者在預(yù)錨技術(shù)理論研究方面取得了較大的進(jìn)展 ,但總的來說 ,這方面的研究還落后于工程實(shí)踐 ,特別是設(shè)計(jì)計(jì)算方法還不成熟 ,大多數(shù)設(shè)計(jì)只能主要憑經(jīng)驗(yàn)和工程類比法來確定預(yù)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(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)效應(yīng)和加固機(jī)理 .本文將從以下幾方面對預(yù)錨研究提出一些看法 :(ａ)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法所依據(jù)的基本理論以及改進(jìn)設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵 ;(ｂ)預(yù)錨加固體系的特點(diǎn)以及有限單元法在預(yù)錨研究中的應(yīng)用 ;(ｃ)預(yù)錨研究中應(yīng)特別重視內(nèi)、外錨頭區(qū)的應(yīng)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(yīng)和簡化方法 .
2 探索加固機(jī)理 ,才能改進(jìn)設(shè)計(jì)方法
預(yù)錨加固巖體邊坡設(shè)計(jì)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(jìn)行分析 ,再根據(jù)下面的公式計(jì)算保持邊坡穩(wěn)定所需施加的預(yù)錨力 .
Ｑ1 +Ｑ2 ｔａｎ? =ＫＴ
式中 :Ｔ———加固前巖體的下滑力 ;?———滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角 ;Ｑ1 ,Ｑ2 ———由預(yù)應(yīng)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(yàn)和一些近似計(jì)算公式來確定其余的布錨參數(shù) ,包括錨索的布設(shè)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(jì)算中 ,公認(rèn)的理論和統(tǒng)一的設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)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(jì)算中 ,復(fù)雜的巖體被簡化為剛體 ,預(yù)應(yīng)力錨索的作用被看成僅僅是提供一個(gè)平衡力 .在整體圍巖和軟弱圍巖的計(jì)算中 ,雖然考慮到了預(yù)應(yīng)力所引起的巖體應(yīng)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(yù)錨加固效果的影響 ,還缺乏規(guī)律性的認(rèn)識(shí) .設(shè)計(jì)計(jì)算方法的不足之處 ,正是緣于對預(yù)錨加固的力學(xué)效應(yīng)和加固機(jī)理的認(rèn)識(shí)不夠深入 ,這已引起人們的重視 .例如 ,文獻(xiàn) [2 ]中分析了預(yù)錨加固的機(jī)理和效果 ,從不同的角度加深了對預(yù)錨作用的認(rèn)識(shí) .
3 應(yīng)明確預(yù)錨體系的特點(diǎn)
3. 1 預(yù)錨體系是不可分割的整體
預(yù)錨加固體系由預(yù)應(yīng)力施加體和被加固巖體所組成 ,而預(yù)應(yīng)力施加體又由預(yù)應(yīng)力錨索和內(nèi)、外錨頭組成 .內(nèi)錨頭有機(jī)械式和膠結(jié)式兩種 ,目前國內(nèi)大型預(yù)錨加固工程中使用最多的是用水泥砂漿作為膠結(jié)材料的膠結(jié)式內(nèi)錨頭 .本文將膠結(jié)式內(nèi)錨頭及膠結(jié)段的錨索統(tǒng)稱為內(nèi)錨固段 .人為施加到錨索上的預(yù)應(yīng)力正是依靠外錨頭的支撐作用、膠結(jié)段錨索與膠結(jié)體之間的粘結(jié)力、膠結(jié)體自身的承載力 ,以及膠結(jié)體與周圍巖體之間的粘結(jié)力 ,最終傳遞到被加固的巖體上 .因此 ,預(yù)錨體系是一個(gè)不可分割的、共同工作的整體 .
本文主張?jiān)谘芯恐兄匾暋罢w性”的概念 ,其含義包括 :(ａ)每根錨索與周圍巖體形成一個(gè)整體 ,從而使預(yù)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(yīng) ;(ｃ)通過對加固前后巖體整體穩(wěn)定性的比較 ,研究預(yù)錨加固的機(jī)理和效果 .
3. 2 預(yù)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(yīng)力 (國內(nèi)目前常常取為 0 . 62 5σｂ～ 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(jié)體間的結(jié)合面破壞 .是否會(huì)發(fā)生此類破壞 ,主要取決于結(jié)合面強(qiáng)度 .以往工程界都是利用抗拔試驗(yàn)取得平均的結(jié)合面強(qiáng)度數(shù)據(jù) ,而本文則傾向于結(jié)合剪應(yīng)力的分布規(guī)律和相對滑移量進(jìn)行研究 .
ｃ.膠結(jié)體內(nèi)部破壞 .膠結(jié)體內(nèi)部可能發(fā)生拉裂及剪切的復(fù)雜應(yīng)力破壞 ,可用非線性有限元方法計(jì)算其應(yīng)力場 ,并模擬實(shí)際破壞過程 .
ｄ .膠結(jié)體與巖體之間的結(jié)合面破壞 .是否發(fā)生此類破壞 ,取決于膠結(jié)體的強(qiáng)度以及內(nèi)錨頭是否進(jìn)行擴(kuò)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(rèn)為只要有足夠的錨固力 ,就不會(huì)發(fā)生錨固破壞 .筆者認(rèn)為這種觀點(diǎn)不夠全面 .在分析被加固巖體破壞形式時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn) :被加固巖體的整體穩(wěn)定性和安全度 ;預(yù)錨加固后薄弱面向更深層轉(zhuǎn)移 ,產(chǎn)生新的整體失穩(wěn)的可能性 ;預(yù)錨力所引起的預(yù)錨附加應(yīng)力場是否會(huì)造成巖體局部破壞 ,以及這種局部破壞是否會(huì)進(jìn)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(yù)錨技術(shù)理論研究的諸多方法中 ,有限單元法因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被經(jīng)常采用 .成功地應(yīng)用這一方法的關(guān)鍵在于選擇合適的單元類型 ,采用符合實(shí)際的破壞準(zhǔn)則 ,恰當(dāng)?shù)啬M預(yù)錨體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料性質(zhì)、工作機(jī)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(jié)合面處傳力特性的粘結(jié)單元等 ,在預(yù)錨加固研究中都是非常有效的 .關(guān)于粘結(jié)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(jié)滑移單元的啟發(fā) ,在預(yù)錨加固空間有限元分析中成功地采用了空間彈簧粘結(jié)滑移單元 .
4 . 2 本構(gòu)關(guān)系
理想的線彈性模型在大多數(shù)預(yù)錨加固問題中難以真實(shí)、準(zhǔn)確地反映預(yù)錨體系的實(shí)際特征 ,也無法說明整個(gè)體系的安全儲(chǔ)備能力 .因此 ,常常需要深入分析各種非線性的特點(diǎn) ,采用更接近于實(shí)際狀況的本構(gòu)關(guān)系 .在預(yù)錨加固計(jì)算中尤其應(yīng)考慮錨索與膠結(jié)體之間的粘結(jié)應(yīng)力和滑移量的關(guān)系 ,才能合理地構(gòu)造出粘結(jié)滑移單元的剛度矩陣 .
4 . 3 荷載的復(fù)雜性
荷載的復(fù)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(yù)錨力作用的復(fù)雜性 .顯然 ,預(yù)應(yīng)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(yù)錨力究竟是以何種規(guī)律被傳遞到巖體上的 ,有時(shí)還需考慮錨索與膠結(jié)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(jì)算一些預(yù)錨加固問題 ,但在許多問題中空間效應(yīng)的影響是較大的 ,此時(shí)就必須采用空間有限單元法 .
4 . 5 群錨計(jì)算的簡化
本文建議在大規(guī)模群錨問題分析中 ,采用子結(jié)構(gòu)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(yù)錨加固體系的一種有效的方法 ,但由于非線性有限元的計(jì)算結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于模型參數(shù)選取的準(zhǔn)確性 ,因此 ,這一方法在實(shí)際工程計(jì)算中的應(yīng)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(jìn)行初步的理論上的研究 .
5 應(yīng)重視內(nèi)、外錨頭區(qū)的應(yīng)力變化
在對單根錨索的加固效應(yīng)和破壞特點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)重視以下幾個(gè)方面 :預(yù)應(yīng)力施加體自身的受力和破壞特點(diǎn) ;預(yù)應(yīng)力的傳播規(guī)律和力學(xué)效應(yīng) ;預(yù)錨加固力學(xué)效應(yīng)的影響因素 ;預(yù)錨加固的機(jī)理和效果 ;提高預(yù)錨加固效率和效果的途徑 .
考慮到應(yīng)力分布形態(tài)的特點(diǎn)及其對預(yù)錨加固機(jī)理和效果的影響[3 ],本文主張重點(diǎn)對外錨頭、內(nèi)錨固段及其附近區(qū)域進(jìn)行分析 .在對膠結(jié)式內(nèi)錨固段進(jìn)行研究時(shí) ,尤其應(yīng)重視錨索和膠結(jié)體之間的粘結(jié)滑移特性 .
5. 1 膠結(jié)式內(nèi)錨固段長度的計(jì)算
目前設(shè)計(jì)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(jié)體之間、膠結(jié)體與孔壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度 ;Ｋｃ,ξ———安全系數(shù)和折減系數(shù) .
這一方法實(shí)際上是把不均勻應(yīng)力當(dāng)成均勻應(yīng)力來計(jì)算 ,難以準(zhǔn)確地反映實(shí)際狀況 .
5. 2 預(yù)錨力的傳遞規(guī)律
可以采用雙彈簧或空間彈簧粘結(jié)滑移單元來模擬錨索和膠結(jié)體之間的傳力和滑移特性 ,以便分析預(yù)錨力在錨索和巖體之間傳遞并在巖體內(nèi)傳播、擴(kuò)散的規(guī)律 .
5. 3 預(yù)錨加固的力學(xué)效應(yīng)
預(yù)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(qiáng)巖體結(jié)構(gòu)、提高巖體強(qiáng)度以及參與調(diào)整應(yīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性 ,以及天然因素或人為因素所引起的應(yīng)力重分布所決定的 ,而預(yù)錨加固的實(shí)質(zhì)就是施加主動(dòng)的錨固力 :一方面使巖體的結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng) ,大大提高巖體的承載能力 ,另一方面 ,在巖體內(nèi)產(chǎn)生預(yù)錨附加應(yīng)力場 ,使不利的應(yīng)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(yù)錨附加應(yīng)力場的特點(diǎn)、預(yù)錨參數(shù)對它的影響、應(yīng)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(jié)體之間的剪應(yīng)力存在著相當(dāng)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象 .因此 ,當(dāng)預(yù)錨力較大時(shí)可能會(huì)造成結(jié)合面發(fā)生局部粘結(jié)破壞 ,甚至引起內(nèi)錨頭嚴(yán)重破壞 .此時(shí) ,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(dāng)水泥結(jié)石達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí) ,對錨索施加部分荷載 ,然后進(jìn)行下一階段回填及張拉 .當(dāng)后一階段回填長度足夠長時(shí) ,該階段加荷僅會(huì)對前一段水泥結(jié)石內(nèi)的應(yīng)力狀況產(chǎn)生很小的影響 .通過這一方法 ,可以緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象 ,大大改善膠結(jié)式內(nèi)錨固段的應(yīng)力狀態(tài) ,防止內(nèi)錨頭的破壞 .而且本文認(rèn)為 ,還可以通過這一方法控制被加固巖體內(nèi)的應(yīng)力重分布的具體狀況 ,提高加固的效率和效果 .
7 應(yīng)注重群錨體系的整體效應(yīng)
已有一些文章涉及到群錨加固體系 ,但對其進(jìn)行系統(tǒng)、深入研究的還不多見 .本文認(rèn)為在群錨研究中 ,以下幾方面值得引起重視 .ａ.將群錨加固體系作為一個(gè)整體來分析群錨加固條件下巖體內(nèi)的應(yīng)力場、位移場沿空間和時(shí)間的分布規(guī)律 .
ｂ .各單錨之間相互影響和共同工作的規(guī)律 .
ｃ.影響群錨加固整體效應(yīng)的主要因素 .
ｄ .群錨加固力學(xué)效應(yīng)與群錨加固效果的關(guān)系 .
ｅ.預(yù)錨加固前后巖體穩(wěn)定性的評價(jià) ,安全系數(shù)的確定 .
ｆ.采取合理的簡化方法 ,提高大規(guī)模群錨體系有限元分析的工作效率 .例如 ,可采用子結(jié)構(gòu)的方法來縮減計(jì)算工作量 .
8 預(yù)錨加固效應(yīng)研究的前景
預(yù)錨技術(shù)的應(yīng)用前景是廣闊的 ,但預(yù)錨理論的研究不可能一步登天 ,只有綜合應(yīng)用理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場測試等各種手段 ,對各方面進(jìn)行深刻分析 ,設(shè)計(jì)計(jì)算方法的改進(jìn)才能水到渠成 .
預(yù)錨技術(shù)的一些新的研究方向也值得關(guān)注 ,例如如何用動(dòng)力分析方法取代目前常用的擬靜力法來分析預(yù)錨加固體系的動(dòng)力特性 ,以及如何發(fā)展預(yù)錨體系與其它結(jié)構(gòu)聯(lián)合加固巖體的技術(shù) ,等等 .
