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。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1934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+Ｑ2ｔａｎø=ＫＴ
式中:Ｔ———加固前巖體的下滑力;ø———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。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。
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。625σｂ～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。
自1934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+Ｑ2ｔａｎø=ＫＴ
式中:Ｔ———加固前巖體的下滑力;ø———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。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。
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。625σｂ～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。