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岩质高边坡预应力锚固应力分析 1 预应力锚固技术现状 岩石锚固是现代岩石工程领域的一个重要分支。在岩石体中使用锚固技术，可以充分利用岩石体的能量，积极使用岩石体的强度，有效控制岩石体、工程结构和结构的变形，因此现代岩石的高度边坡得到了积极、充分的加固。 然而, 理论研究仍然落后于实际工程应用, 如预应力加固效应的定量描述、 预应力大小对加固效果的影响及如何描述锚固端的力学行为等。 本文通过施锚过程中锚固端剪应力、 轴力的实测资料及综合分析已有资料的基础上, 提出了预应力张拉条件下内锚固端的力学规律, 建立了群锚加固效应的概念, 为合理设计内锚固段长度提供了理论依据。 2 内锚固段电压测试元件的配置 2.1 钢铰线弹性模量的计算 为观测预应力在锚索内锚固段的分布状况, 在钢铰线内锚段钢丝上间隔一定距离粘贴应变片, 由下式计算出钢铰线的轴力: P=K0ESε(1)Ρ=Κ0ESε(1) 式中:E为钢铰线的弹性模量(205×103MPa);S为钢铰线的公称面积(mm2);K0为与电阻片灵敏度及电缆长度有关的系数;ε为应变仪读数。 2.2 剪应变及其稳定性 将应变片贴置在内锚固段波纹管的塑料筒壁上, 在每一监测断面上沿环向间隔120°均匀布置3个测点, 每点放2个应变片, 通过实测平面内一点三个方向的线应变求得剪应变γs, 由下式换算成剪应力τs:τs=Gγs(2) 式中:G为灌浆体的剪切模量(MPa);γs为剪应变。 3 内轴固段轴力和剪应力的分布特征 3.1 锚固段外距离 对锚索分级张拉的同步监测资料分析表明, 张拉荷载传递到内锚固段的外端时, 应力即向周围岩体扩散, 从而表现出应力的分布外端大、 根部极小的喇叭形(图1), 根据大量试验数据,笔者提出了荷载分布曲线的函数表达式(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为预应力张拉值(kN);x为距离内锚固段外端的距离(m);N为内锚固段中的轴力(kN)。 3.2 预应力锚索内锚固段剪应力分布的特征分析 锚固体与孔壁之间的剪应力分布对锚固段长度的设计影响颇大, 在以往的工程实践中, 均假定剪应力沿内锚固段全长均匀分布。 事实证明, 内锚固段中剪应力分布是很不均匀的, 在内锚固段外端有剪应力高度集中现象(图2)。 从外向内, 剪应力的分布随深度增加而减小, 呈指数函数关系, 至一定距离后, 剪应力趋于一极限值。 而且, 剪应力的峰值与岩体性质、 张拉荷载的大小有关, 岩体坚硬, 峰值点离内锚固段外端的距离大。 一次张拉剪应力的峰值数值几乎为张拉应力值的4.88倍。 根据大量试验数据, 笔者提出了1000～3000kN级预应力锚索内锚固段剪应力的分布的经验公式为 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为预应力值(kN);x为离内锚固段外端距离(m)。 4 岩体变形 边坡岩体开挖卸载后, 岩体向临空方向发生变形, 形成卸荷松动带, 预应力锚索(杆)则具有抑制岩体变形的作用。 群锚相当于在岩体表面施加了一均布荷载, 荷载的大小及岩体的物理力学性质影响着预应力锚索加固岩体的效果。 现场试验表明, 不同的岩体质量、 不同的预应力值引起的群锚效应不同, 本文称之为群锚第一效应与群锚第二效应, 从二方面探讨预应力群锚对边坡岩体的加固效应。 4.1 提高边坡岩体质量 预应力施加, 通过外锚墩应力向岩体内部扩散, 使锚索张拉影响范围的岩体处于受压状态, 根据多点位移计观测结果, 群锚第一效应受岩体质量和预应力大小的影响显著, 表1为坚硬完整的岩体在不同预应力张拉下的压缩扩散范围。 为进一步查明相邻预应力锚索加固岩体的叠加增效效应, 结合某高速公路路堑边坡加固中的现场群锚试验, 在同一边坡岩体中采取二种不同的状况对群锚加固效应进行了现场数据采集, Ai-1锚距Ai锚0.5m, Ai-2锚距Ai锚1.5m, Ai与Bi锚相距2m。 状况Ⅰ: 对A1锚张拉, 测得A1-1, A1-2的压缩范围(表1)。 状况Ⅱ: A2锚和B2锚在相同张拉力下同时张拉, c2锚不张拉, 测得A2-1, A2-2的压缩范围(表2)。 通过对锚索张拉后岩体压缩量的分析表明