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巖土錨桿與錨固結構設計中的若干問題

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2022/01/04 17:20
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        巖土錨桿與錨固結構,是一項能主動調動和充分利用巖土體自身強度和自穩性能,結構新穎、輕巧的工程技術。半個多世紀以來,巖土錨桿與錨固結構在土木、水利、建筑、交通和礦業領域得到了空前廣泛和迅猛的發展,在提高工程結構的穩定性和經濟性等諸多方面,顯示出較傳統被動式支擋結構無可比擬的優越性。近年來,我國在巖土錨固理論的探新及新技術的發展應用方面成效顯著。隨著我國基礎設施,特別是對水利、交通、能源及城市基礎設施建設力度的加大,巖土錨桿與錨固結構將展示出廣闊的發展前景。

      但是,伴隨著巖土錨固技術的廣泛應用,因對錨固機理認識的不足或設計經驗的虧缺,在巖土錨固設計或施工過程中也出現了一些工程事故,造成了不少經濟損失。針對巖土錨固技術推廣應用中出現的工程問題,我們將程良奎教授發表的《巖土錨固工程的若干力學概念問題》《巖土錨固研究與新進展》等文章編撰成了《巖土錨桿與錨固結構設計中的若干問題》供廣大巖土工程技術設計人員參考使用。

巖土錨桿與錨固結構設計中的若干問題

程良奎

 

      巖土錨桿與錨固結構是一門新興的能充分挖掘和利用巖土體潛能的工程結構學科。隨著我國巖土錨固理論的不斷發展,新技術、新方法不斷涌現,巖土錨固技術已在邊坡、基坑、隧道、地下洞室、礦山、壩體、航道、水庫、機場、碼頭及抗傾、抗浮結構等工程建設中廣泛應用。巖土錨桿與錨固結構在提高工程結構的穩定性和經濟性等諸多方面,具有明顯的優勢,具有傳統被動的支擋結構和重力結構無法比擬的優越性,在工程建設中顯示了勃勃生機,和廣闊的發展前景。

      但是,伴隨著巖土錨固技術的廣泛應用,一些因對錨固機理認識的缺陷或設計經驗的不足,在巖土錨固設計或施工工程中也發生了一些工程事故,造成了不少經濟損失。下面將針對工程中出現的一些技術問題進行論述。

01

錨桿的筋體截面、自由段、錨固體的設計與錨桿受拉承載力

 

1.1 預應力筋的截面面積設計

預應力錨桿是將張拉力傳遞到穩定的或適宜的巖土體中的一種受拉體系,一般由錨頭、桿體自由段和桿體錨固段組成。其結構如圖1 所示。關于預應力筋體截面面積設計,JGJ120—2012《建筑基坑支護技術規程》規定按式(1)計算:

(1)

式中:N為錨桿軸向拉力設計值,fpy為預應力筋抗拉強度設計值,Ap 為預應力筋截面面積 。

圖1 預應力錨固示意

      式(1)對于由普通鋼筋作桿體的非預應力錨桿是合適的,而對于一般以多股鋼絞線作筋體的預應力錨桿則不相宜,會造成筋體截面不足。巖土中的預應力錨桿是一種典型的后張法預應力結構,應當滿足張拉控制應力的要求?;诓捎枚喙射摻g線作筋體的預應力錨桿埋設于地層內,工作條件惡劣,直徑為4,5mm 的鋼絲在地下水或潮濕介質影響下易出現腐蝕,筋體施加預應力后,各股鋼絞線及各根鋼絲的拉應力是不均勻的,其差異常高達10%~20%;鋼絲在高拉應力狀態下工作,易出現微細裂縫,導致應力衰減風險的加大。在滿足設計抗力要求時,預應力錨桿筋體的張拉應力水平不應大于鋼材極限抗拉強度標準值的60%。各國規定的錨桿筋體的最小抗拉安全系數(筋體極限抗拉力與錨桿拉力設計值之比),美國為1.67,日本為1.54(臨時)與1.67(永久),中國為1.6(臨時)與1.8(永久),英國為1.6(臨時),英國的錨桿標準還規定,對地層腐蝕風險較大或破壞后果嚴重的錨桿工程,錨桿筋體抗拉安全系數不應小于2.0。而按式(1)計算得出的錨桿筋體截面,按常用的1860 級鋼絞線進行測算,筋體的抗拉安全系數僅為1.4,對巖土錨固工程的安全不利。

1.2 錨桿自由段的設計

      預應力錨桿桿體的自由段是指錨桿錨頭與錨固段間的桿體長度,其功能是將拉力完全地傳遞給錨固體及錨固體周邊的地層。錨桿設計中必須保證足夠長度的自由段。其原因是:1)錨桿自由段應穿過臨界破壞面至少1.5m(圖2),只有當錨桿錨固段離潛在破壞面足夠的遠,才能有效發揮錨桿的抗力作用和保證地層開挖面與滑裂面間有足夠的壓應力區。2) 有利于將錨固段設置于抗剪強度較高的地層中。3) 保證錨桿與結構體系的整體穩定性。4) 足夠長的桿體自由段有利于緩減位移變化引起錨桿初始預應力的顯著變化,既可防止由于鋼絞線與錨具間缺乏足夠緊固度或墩座等傳力系統荷載損失而引起傳遞荷載的顯著減小,也可防止由于地層位移增大而引起傳遞荷載的顯著增大。因此,世界各國的巖土錨桿技術標準均規定,錨桿的自由段長度不應小于4.5~5.0m。

圖2 錨桿的錨固段定位

 

1.3 錨桿的錨固段的設計

      預應力錨桿錨固段的功能是借助注漿體或機械裝置,將作用于錨桿桿體上的拉力,傳遞給其周圍的地層。對于黏結型錨固體錨桿的抗拔承載力值R是由錨固體長度La、錨固體直徑D、錨固段注漿體與地層間的黏結強度fmg決定的,以往一般采用式(2)計算:

(2)

      式(2)表明錨桿的抗拔承載力隨著錨固段長度的增加而成比例地增大,由此一些商業性程序按傳統的計算式確定錨桿錨固段長度,導致國內相當普遍地存在基坑錨拉樁墻的錨桿錨固段長度過長。但大量的試驗和理論分析表明:荷載集中型錨桿在拉力作用下,錨桿錨固段注漿體與地層間的黏結應力沿錨固長度的分布很不均勻,一般呈現圖3所示的分布形態:當拉力較小時,黏結應力僅分布在較小的長度上;隨著拉力的增大,黏結應力峰值逐漸向錨桿根部轉移,而錨桿錨固段近端的黏結應力則急劇下降;當黏結應力峰值到達根部時,錨桿錨固段近端殘余黏結應力則會降至很低的水平或出現注漿體與周邊地層的黏脫現象。錨桿的錨固段越短,則其平均黏結強度越高,有效發揮巖土體抗剪強度的錨固段長度是有限的。

圖3 荷載集中型錨桿沿錨固段全長的黏結應力分布

 

      GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》規定荷載集中型錨桿的錨固段長度宜為3~8m(巖石)和6~12m(土層)被驗證是正確的,過長的錨固段,不必要也不經濟,反而會降低錨桿施工效率,增加工程成本,推遲施錨時機。

      在錨桿設計中有許多不確定因素,因此錨桿設計必須嚴格按規范要求采用安全系數。根據錨固工程破壞后對公共安全的破壞程度,永久錨桿錨固段的抗拔安全系數應不小于1.8~2.2,桿體的抗拉安全系數應不小于1.6 (鋼筋)和1.8(鋼絞線)。此外,將錨固長度的黏結應力視為均勻分布,錨桿承載力與錨固長度成正比增長是不合理的,錨桿承載力計算中應考慮錨固長度對黏結強度的影響系數ψ,當錨固長度大于6.0m(巖錨)或10.0m(土錨)時,可取0.6~1.0;當錨固長度小于6.0m(巖錨)和10.0m(土錨)時,可取1.0~1.6。

 

1.4 錨固設計中錨桿類型的選擇

      對于明確要求由錨固力參與抵抗結構傾覆、豎向位移、沿基底或剪切面滑移及可能出現大范圍失穩或塌落的巖土工程,均應采用預應力錨桿。永久性巖石邊坡與大型巖石洞室支護,宜采用高或較高預應力的長錨桿(索)與低預應力的短錨桿相結合的錨固體系。

      巖石隧道支護應積極發展端頭附有機械錨固件的或用塊硬膠結料(樹脂、水泥錨固劑)的低預應力鋼筋錨桿。圍巖自穩時間短或有明顯流變特征或受爆破震動影響的礦山巷道工程,宜采用縫管式、水脹式等摩擦型低預應力錨桿。

      對軟巖和土體中的邊坡或基坑工程,宜采用荷載分散型錨固體系。永久性錨固工程應采用壓力分散型錨桿;臨時性錨固工程,可采用拉力分散型錨桿。對結構抗浮工程,宜采用壓力型、壓力分散型錨桿或擴體型錨桿。

      非預應力錨桿則可用于跨度較小(<10m)處于II,III 級圍巖中的隧道洞室支護,控制邊坡錨固工程預應力錨桿間的小塊巖石滑動或土體變形和加固開挖深度較小的基坑邊坡。

      用于加固基坑土體的非預應力全長黏結型錨桿(土釘),由于土中水包括地下水、雨水、地下管線的漏水、局部水源等,常導致土體強度的急劇降低,土與土釘間的摩擦力減小,造成浸水部位土釘墻垮塌。相反,若土釘支護用于地下水位以上,或采用人工降低地下水,地表水又有嚴格的防排設施的區域,則土釘的加固效應和土釘墻的穩定性就會明顯的提升。

02

提高錨桿抗拔承載力的幾種有效方法

1) 單孔復合錨固法(圖4a),在一個鉆孔內設置2個或2個以上單元錨桿,各單元錨桿均有獨立的桿體自由段與桿體錨固段,當對各單元錨桿分別作用張拉力后,可使注漿體與地層間的黏結應力分布均勻,應力峰值大大降低,達到充分利用錨固段周邊地層抗剪強度的目的,這種方式可使錨桿抗拔力隨單元錨固體個數及錨固體總長度的增加而成比例地增大。

圖4 提高錨固力的幾種方法

 

2) 后高壓注漿錨固法(圖4b)。將附有袖閥管、密封袋等特殊裝置的錨桿桿體插入孔內后,先對錨固段實施重力灌漿形成圓柱狀注漿體,當強度達到5.0 MPa 后,采用不小于2.5 MPa的高壓注漿漿液劈開初次注漿體,向錨固段周邊地層滲透、擴散和擠壓,從而能極大地提高注漿體與地層間的黏結強度,并導致錨桿的極限抗拔力得以成倍提高。

3)擴大頭錨固法(圖4c)。擴大頭錨桿能利用錨固段變截面處土體的支承阻力,大幅度提高錨桿的極限抗拔力。

03

荷載分散(單孔復合)型錨固體系的傳力機制

 

      由于集中荷載作用,錨桿錨固段注漿體與地層間的黏結應力分布不均勻;錨固段越短,則錨固段平均黏結應力越高,越能有效發揮錨桿錨固段周邊地層的抗剪強度。為改變荷載集中型錨桿傳力方式的弊端。由程良奎等自主開發的壓力分散型(可拆芯)錨桿技術(圖5),一般由2~4個單元錨桿組成,單元錨桿錨固段長度較短,常為2~4m,單元錨桿所受的荷載僅為壓力集中型錨桿的1/2~1/4。與荷載集中型錨桿相比,壓力分散型錨桿具有更為優越的力學特性(圖6):

圖5 壓力分散型錨桿的結構示意

圖6 壓力型錨桿的內力分布

 

1) 可大幅度降低錨桿錨固段注漿體軸力及注漿體與地層間的剪(黏結)應力峰值,顯著改善了錨桿注漿體軸力與剪(黏結)應力分布的均勻程度。

2) 隨著單元錨桿數量的增加和錨桿總錨固段的增長,錨桿的抗拔承載力可成比例提高。

3) 錨桿受荷時錨固段注漿體與地層間黏結應力分布趨于均勻化,可顯著降低應力集中現象,降低錨固地層的蠕變及地層與注漿體間的剪切位移,有利于控制錨桿初始預應力的損失,提高錨桿長期工作性能。

4) 壓力分散型錨桿的桿體由裸體鋼絞線外涂油脂及外包PE 防護層構成,桿體受拉時,錨桿注漿體基本上處于受壓狀態,不易開裂,顯著增強了錨桿桿體的防腐保護性能,提高錨桿的耐久性。

04

施錨時機

 

      邊坡、隧洞和洞室開挖后,如不及時施作錨桿提供足夠的錨固抗力,會由于地層開挖卸荷作用引起巖土體的變形,并隨時間推移而增大;此外,隨著開挖面的擴大,振動、雨水、風化和溫度變化等因素的作用,巖土體及巖體結構面的抗剪強度會降低,巖體節理裂隙間的軟弱充填物會流失,這些均會加速巖土體自承能力的削弱。

      最大限度地縮短巖土體開挖與錨桿錨固抗力發揮作用間的時距,使開挖面無錨固抗力作用的時段與面積達到最小化,是充分發揮開挖巖土體自承能力,提高邊坡、隧洞穩定性的首要條件與根本原則。對于大跨度高邊墻洞室及IV、V 級圍巖中的隧洞工程的系統錨桿支護應全面采用漲殼式機械錨固錨桿、樹脂卷錨固型錨桿、快硬水泥卷錨固型錨桿等低預應力錨桿取代被動的全長黏結型錨桿。低預應力錨桿能提供主動的支護抗力,有效控制巖體開挖早期的變形,迅速充分調動圍巖的自支承能力,使錨固范圍內的破碎巖塊被緊密聯鎖和咬合在一起,形成壓縮性巖石承載環(拱),提高地下工程的穩定性。

05

關于高應力低強度巖體大跨度高邊墻洞室的錨固設計

 

1) 洞室周邊(頂拱、邊墻)應在開挖后及時全面施作低預應力(張拉)錨桿與鋼纖維噴射混凝土支護,并選取合理的支護參數,迅速在洞室周邊構建有足夠厚度、剛韌性強和處于三維受壓狀態的“錨噴–巖石”承載環,以控制開挖初期巖石應力釋放引起的劇烈變形。

2) 采用預制塊件作傳力結構,最大限度縮小施作系統的低應力錨桿與預應力長錨桿間的間隔時間。預應力長錨桿的張拉鎖定宜在巖石開挖后20~30d內完成。將峒室周邊被錨固的巖石承載環與深部的穩定巖層錨固在一起,以遏制峒室圍巖的后期變形。

3) 縮小預應力長錨桿間距,提高作用于單位面積洞壁面上的初始預應力值,其值不宜小于120kN/m2。

4) 預應力錨桿的初始預應力(鎖定荷載)宜為錨桿拉力設計值的50%,以適應隨著巖石應力進一步釋放和圍巖變形的增加會引起錨桿拉力的增大,而錨桿抗力的增大又會進一步抗衡圍巖變形的發展,使圍巖變形與支護抗力(剛度)在協調發展中取得最終的穩定。

5) 加強洞室工程位移監測與信息反饋,一旦出現圍巖位移持續等速率增長,圍巖–支護抗力相互作用失衡現象,應立即增補預應力錨桿。

 

06

邊坡錨固效應

 

6.1 錨固邊坡的穩定性計算

      目前國內在用剛體極限平衡法計算錨固邊坡的抗滑穩定時,常出現即使采用較多且單錨承載力較高的預應力錨桿,但計算所得錨桿. 對邊坡穩定安全度的貢獻仍較小或很有限,這與錨固邊坡實際反映的穩定安全狀態不符。其原因主要是由于計算中忽略了錨桿預應力可明顯提高邊坡破壞面處的黏聚力c 和巖石彈性模量E,并低估了錨桿錨固力對破壞面的切向抗力作用的緣故。在有足夠的資料或經驗時,可按適當提高c值處理,一般可作為安全儲備考慮;此外,以往在計算錨固邊坡安全系數時,一般將錨桿錨固力的切向分力放在計算式的分子項中,顯然低估了錨桿的錨固效應。合理的處置是將錨桿錨固力的切向分力位于算式分母項中作為減小的下滑力處理。

6.2 巖石坡面的錨桿布設

      巖石邊坡錨固工程設計時要明晰邊坡巖性、巖體結構及結構面的結合情況,結構面與坡面的關系,巖石中軟弱帶的分布和地下水狀況等地質情況,并據此確定邊坡破壞類型或模式。然后根據最可能出現的破壞模式選擇錨桿的布設方案。

      對呈現緩傾不連續面的沉積巖或變質巖體(β<α),可能出現平面破壞的邊坡,一般采取沿坡面均勻布置預應力錨桿(圖7a);對陡傾不連續面的巖質邊坡(β>α),可考慮不設置系統的預應力錨桿,僅對坡面做防護處理;對水平節理巖體(薄層沉積巖)可能出現圓弧滑動或坡腳出現軟弱巖層風化帶的巖質邊坡則可在坡腳的應力集中處安設預應力錨桿(圖7b、7c)。對可能出現傾倒破壞的邊坡,則宜在邊坡的上中部設置預應力錨桿,且錨桿應向上傾斜(圖7d),以提高對不連續面的法向作用力,抵抗巖石的傾倒和折屈破壞。

圖7  巖石邊坡構造與錨桿布設

項目展示

中國銀行總行基坑錨拉墻支護工程

三峽水電站地下廠房錨噴支護工程

石家莊混凝土重力壩錨固工程

 

錦屏一級電站左壩肩530m高邊坡錨固工程

 

作者簡介

程良奎,男,1935年11月出生,江蘇溧陽人。原冶金部建筑研究總院副總工程師,教授級高級工程師,現任或曾任中國巖石力學與工程學會常務理事,中國巖石力學與工程學會技術咨詢委員會主任委員,國際巖石力學學會中國小組成員,中國巖土錨固工程協會(一、二、三屆)理事長,中國巖石力學與工程學會巖石地下工程專業委員會副主任委員,大連理工大學、北京科技大學、中國礦業大學兼職教授,《土木工程學報》《巖石力學與工程學報》編委等。

程良奎長期從事巖土錨固、噴射混凝土及隧洞、邊坡、深基坑穩定性的研究與應用工作。在國內率先主持研究成功噴射混凝土及其支護技術,建立了適用于不同工作條件和圍巖地質條件的噴錨支護體系,提出了加固巖石拱和控制巖體流變的噴錨支護理論,對巖-錨共同工作理論的發展做出了顯著貢獻。程良奎是我國噴錨結構和巖土錨固結構的開拓者和領軍人,作為第一完成人,獲得了國家級及省部級科技進步一、二、三等獎及全國科技大會獎18項科技成果獎,其中國家科技進步獎兩項。主持制定或修定國家及行業標準7部。撰寫出版專著9本,在國內外公開發表論文200余篇。為創建和發展我國巖土錨桿與錨固結構學科,為全面實現我國隧道、大型洞室、邊坡、深基坑、結構抗浮與受拉基礎等工程結構的支護體系與穩定技術的根本變革和跨越發展作出了重要貢獻。1991年享受國務院特殊津貼。2012年入選中國科學技術協會編纂的《中國科學技術專家傳略》工程技術編,冶金卷2。2019年入選中國巖石力學與工程學會科學家事跡叢書《禮贊.科學家精神》(一)。

 

 

 

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