【52監測網訊】第203期 巖質邊坡預應力錨固的理性設計原則與方法探討
 52監測網專家報告分享-第203期 《巖質邊坡預應力錨固的理性設計原則與方法討論》 西安理工大學 李寧/教授 目錄 一、引言 二、預應力錨索的工作機理 三、預應力大小的理性設計 四、預應力群錨間距d的理性設計 五、錨索長度L設計 六、錨固角度的設計 七、預應力錨索與邊坡滑動面數值模型 八、結語 內容介紹 一、引言 ? 預應力錨固作為不同于傳統“被動”式支護、加固措施的一種“主動”式支護手段，其優越性已被廣大設計人員所認可，并被廣泛應用于節理體邊坡、巖體斷層、軟弱帶的支護與加固工程中。 ? 以下對預應力錨固設計中的幾個基本指標的設計思路與原則、設計方法及各指標之間的關系作一拋磚引玉式的分析與探討，并與在坐各位進行切磋交流。 二、預應力錨索的工作機理 ? 根據不同的巖體強度理論，對預應力錨索的錨固機理有以下幾點不同的解釋與理解： （1）從結構面剪切破壞角度分析，錨索具有承剪阻滑作用 （2）從脆性斷裂強度理論分析，錨索具有降低裂隙間應力強度因子、阻礙裂隙擴展的作用； （3） 從節理巖體的巖橋強度理論出發，錨索具有增強節理巖體的裂隙前緣巖橋的斷裂韌度的作用，使裂隙斷裂擴展力不但要克服巖橋的阻力，還要提供錨索的橋聯作用，因而阻止了裂隙的進一步擴展與貫通。 ? 實際施工經驗與實測結果表明，預應力錨固效果與巖體本身的物理力學性質、巖體結構面的力學性質、幾何特性及錨固材料本身的強度、剛度、安裝工藝和過程有關。 ? 而預應力錨索的失效形式，根據現場實測、模型試驗與巖體力學分析可總結為如下幾點： （1）錨索內錨固段沿孔,壁拔出； （2）鋼絞線從注漿體中拔出； （3）鋼絞線拉斷； （4）群錨錨固段的次生破壞； 三、預應力大小的理性設計 預應力大小的設計必須考慮下列幾個因素： （1）被加固體所需的總噸位； （2）被加固體的強度（抗剪、抗拉強度決定錨固段的長度，抗壓強度決定預應力作用噸位）； （3）初步設計的錨索長度、內錨固段的設計長度和間距； （4）施工工藝與成本的比較； ? 由李家峽、龍灘、錦屏、拉西瓦、紫坪鋪等大型水電工程有關邊坡的預應力錨固設計實踐中，本文通過系統的數值試驗總結出下列幾點設計原則： （1）對堅硬、較完整的巖體加固，預應力噸位可選t≥2000kN較為經濟有效； 對于中等堅硬的巖體，選t=1000~2000kN的預應力較為合適； 對于軟弱巖體，選t≤1000kN的噸位較為安全，預應力損失較小； （2）對于較硬的巖體，預應力噸位應該足夠大，以使巖體被加固圈內的裂隙能夠閉合。因此,錨索越長,所需噸位越大；巖體變形模量越高，所需噸位越大；巖體強度越高，可承受的噸位越高，錨索長度、噸位均可相應增加，間距也可隨之增大，以便節省工程量。 （3）預應力錨索噸位不宜過大，一般以預應力產生的巖體附加應力不大于巖體單軸抗壓強度Rc的60%一70%為宜，以防止巖體在預應力作用下產生較多沿預應力方向的劈裂型微裂紋。 預應力錨索噸位的科學確定方法：
四、預應力群錨間距d的理性設計 ? 預應力群錨間距的設計必須考慮的因素為： （1）間距不能太大，致使群錨不能達到其設計的整體加固效果； （2）間距不能過小，以致于群錨的表面壓縮效應引起預應力的過大損失； ? 具體設計思路應包括 （1）由被加固體所需總噸位與單錨設計預應力之比初步擬定預應力群錨間距； （2）根據錨索長度L與間距d之關系進行調整； （3）由單錨作用導致的擾動半徑r1、相鄰群錨作用半徑r2、群錨加固內錨固段應力疊加產生拉剪破壞的臨界半徑r3及群錨“表面壓縮效應”產生預應力損失的臨界半徑r4等諸參數中的最大值決定； ? 群錨間距d的具體設計方法可歸納為如下幾點：
不同間距的群錨效應也同時給出（與單錨作用效果相比)），見表1。
五、錨索長度L設計
六、錨固角度的設計 ? 錨固角度的設計思路與原則應考慮既能最有效地發揮預應力對邊坡或洞室的加固作用，又不使錨索過長而造成施工困難和成本大幅增加。 ? 具體的設計原則可歸納如下： （1）錨索與滑動面的夾角（圖1中a角）不應大于90°，從而避免其切向分力偏向下滑方向； （2）錨固角度應在不使錨索過長的條件下盡量以小角度（與水平線夾角）布置: （3）錨固角度一般不以負角度（向上翹）布置，以免給施工造成極大不便； （4）對于開挖坡面小于滑動面傾角的土坡、風化軟弱巖體邊坡可采用較大錨固角度，較有利于大幅減小錨索長度，見圖1(a)； （5）對于開挖坡面大于滑動面角度的含有較大軟弱夾層的堅硬完整巖體邊坡，可采用較小的錨固角度，則有利于充分發揮預應力的切向分力對不滑力的分擔（抗滑）作用,見圖1(b)； （6）對于傾倒型邊坡的錨固，則可根據傾倒方向來施加反向預應力錨固，建議以水平方向為主。
七、預應力錨索與邊坡滑動面數值模型 1）常見的模擬方法 ? 等效連續模型法 等效方法只考慮了錨索對巖體的剛度貢獻，而無法考慮預應力這一主要因素，已被廣大分析人員所共識； 桿單元法——只考慮局部剛度作用； 兩點集中力法——只考慮預應力加固效果； ◎ 桿單元法
數值模擬方法 ◎ 兩點集中力法 該方法反映了錨索的應力貢獻，沒有反映剛度貢獻，僅反映錨索預應力的施加過程卻并無法模擬錨索對后續開挖的變形約束作用。 ◎ 只承拉桿單元法 拉、壓不等剛度的數值模擬方法屬于變剛度非線性問題，數值分析處理上十分復雜。 預加應力所產生的附加壓縮變形則會影響錨索剛度貢獻作用的及時發揮。 ◎ 其他組合方法
2）新的模擬方法 ? 集中力后續補償張拉法
? 集中力+桿單元方法——復合桿單元法
3）新型錨索單元法
4）錦屏一級水電站左岸拱肩槽邊坡
5）滑動面模擬存在的問題
6）Goodman和 Katona模型的比較
? COJO內界面單元模型優勢
八、結語 （1）提出了錨索量化設計的幾個原則與方法； （2）提出了預應力群錨的數值仿真模型； （3）提出了潛在滑動面的數值模擬方法；
《巖質邊坡預應力錨固的理性設計原則與方法討論》 西安理工大學 李寧/教授 注：本內容僅供個人研學交流，版權歸原作者所有 |
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