摘 要 分析了預錨加固體系現(xiàn)行設計方法所依據的基本理論,認為改進設計方法的關鍵在于加強對加固機理和效應的認識。通過分析預錨體系的特點,對單根預應力錨索研究的重點問題以及如何提高預錨加固的效果提出了自己的觀點。此外,還探討了有限單元法在預錨計算中的應用,以及群錨體系的整體效應和計算特點。
自1934年阿爾及利亞在加高舍爾法壩時使用預應力錨索以來,預應力錨索加固技術已因其獨特的優(yōu)越性而在國內外許多工程(特別是水電工程和巖土工程)中得到廣泛應用,對預錨技術的研究也日益深入[1]。本文在參閱大量研究成果的基礎上,對預錨加固效應研究的重要性和必要性、預錨體系的特點和研究方法、預錨研究中應當重視的一些問題等提出了自己的看法,以期對進一步研究預錨加固技術有一定的幫助。
1應加強預錨加固效應的研究
近年來,我國科技工作者在預錨技術理論研究方面取得了較大的進展,但總的來說,這方面的研究還落后于工程實踐,特別是設計計算方法還不成熟,大多數設計只能主要憑經驗和工程類比法來確定預錨參數,這是由于我們還無法從理論上完善地、定量地說明預應力錨索的力學效應和加固機理。本文將從以下幾方面對預錨研究提出一些看法:(ａ)現(xiàn)行設計方法所依據的基本理論以及改進設計方法的關鍵;(ｂ)預錨加固體系的特點以及有限單元法在預錨研究中的應用;(ｃ)預錨研究中應特別重視內、外錨頭區(qū)的應力變化;(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和簡化方法。
2 探索加固機理,才能改進設計方法
預錨加固巖體邊坡設計常用的一種方法,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行分析,再根據下面的公式計算保持邊坡穩(wěn)定所需施加的預錨力。
Ｑ1+Ｑ2ｔａｎø=ＫＴ
式中:Ｔ———加固前巖體的下滑力;ø———滑動面的內摩擦角;Ｑ1,Ｑ2———由預應力錨索提供的切向抗滑力和法向正壓力;Ｋ———安全系數。然后由經驗和一些近似計算公式來確定其余的布錨參數,包括錨索的布設范圍、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算中,公認的理論和統(tǒng)一的設計方法還沒有建立起來,而只是針對不同的圍巖條件,分別沿用了非預應力錨桿加固中的懸吊理論、組合拱理論、組合梁理論等。
在許多計算中,復雜的巖體被簡化為剛體,預應力錨索的作用被看成僅僅是提供一個平衡力。在整體圍巖和軟弱圍巖的計算中,雖然考慮到了預應力所引起的巖體應力場的變化,但對于這種變化在巖體內的具體分布情況及其對預錨加固效果的影響,還缺乏規(guī)律性的認識。設計計算方法的不足之處,正是緣于對預錨加固的力學效應和加固機理的認識不夠深入,這已引起人們的重視。例如,文獻[2]中分析了預錨加固的機理和效果,從不同的角度加深了對預錨作用的認識。
3 應明確預錨體系的特點
3。1 預錨體系是不可分割的整體
預錨加固體系由預應力施加體和被加固巖體所組成,而預應力施加體又由預應力錨索和內、外錨頭組成。內錨頭有機械式和膠結式兩種,目前國內大型預錨加固工程中使用最多的是用水泥砂漿作為膠結材料的膠結式內錨頭。本文將膠結式內錨頭及膠結段的錨索統(tǒng)稱為內錨固段。人為施加到錨索上的預應力正是依靠外錨頭的支撐作用、膠結段錨索與膠結體之間的粘結力、膠結體自身的承載力,以及膠結體與周圍巖體之間的粘結力,最終傳遞到被加固的巖體上。因此,預錨體系是一個不可分割的、共同工作的整體。
本文主張在研究中重視“整體性”的概念,其含義包括:(ａ)每根錨索與周圍巖體形成一個整體,從而使預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,產生群錨加固的整體效應;(ｃ)通過對加固前后巖體整體穩(wěn)定性的比較,研究預錨加固的機理和效果。
3。2 預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力(國內目前常常取為0。625σｂ～0。65σｂ)、保證錨索質量和采取防腐措施來防止。
ｂ。錨索與膠結體間的結合面破壞。是否會發(fā)生此類破壞,主要取決于結合面強度。以往工程界都是利用抗拔試驗取得平均的結合面強度數據,而本文則傾向于結合剪應力的分布規(guī)律和相對滑移量進行研究。
ｃ。膠結體內部破壞。膠結體內部可能發(fā)生拉裂及剪切的復雜應力破壞,可用非線性有限元方法計算其應力場,并模擬實際破壞過程。
ｄ。膠結體與巖體之間的結合面破壞。是否發(fā)生此類破壞,取決于膠結體的強度以及內錨頭是否進行擴孔處理等多種因素。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。一般認為只要有足夠的錨固力,就不會發(fā)生錨固破壞。筆者認為這種觀點不夠全面。在分析被加固巖體破壞形式時應考慮以下幾點:被加固巖體的整體穩(wěn)定性和安全度;預錨加固后薄弱面向更深層轉移,產生新的整體失穩(wěn)的可能性;預錨力所引起的預錨附加應力場是否會造成巖體局部破壞,以及這種局部破壞是否會進一步發(fā)展為整體破壞。
4 有限單元法是一種有效的方法
在預錨技術理論研究的諸多方法中,有限單元法因其獨特的優(yōu)點而被經常采用。成功地應用這一方法的關鍵在于選擇合適的單元類型,采用符合實際的破壞準則,恰當地模擬預錨體系的結構特點、材料性質、工作機制和破壞過程。
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、描述結合面處傳力特性的粘結單元等,在預錨加固研究中都是非常有效的。關于粘結單元,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滑移單元的啟發(fā),在預錨加固空間有限元分析中成功地采用了空間彈簧粘結滑移單元。
4。2 本構關系
理想的線彈性模型在大多數預錨加固問題中難以真實、準確地反映預錨體系的實際特征,也無法說明整個體系的安全儲備能力。因此,常常需要深入分析各種非線性的特點,采用更接近于實際狀況的本構關系。在預錨加固計算中尤其應考慮錨索與膠結體之間的粘結應力和滑移量的關系,才能合理地構造出粘結滑移單元的剛度矩陣。
4。3 荷載的復雜性
荷載的復雜性包括兩方面的內容,即除了與一般的巖土工程問題相同外,還必須考慮預錨力作用的復雜性。顯然,預應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錨力究竟是以何種規(guī)律被傳遞到巖體上的,有時還需考慮錨索與膠結體共同抗彎、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算一些預錨加固問題,但在許多問題中空間效應的影響是較大的,此時就必須采用空間有限單元法。
4。5 群錨計算的簡化
本文建議在大規(guī)模群錨問題分析中,采用子結構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錨加固體系的一種有效的方法,但由于非線性有限元的計算結果的可靠性在很大程度上依賴于模型參數選取的準確性,因此,這一方法在實際工程計算中的應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行初步的理論上的研究。
自1934年阿爾及利亞在加高舍爾法壩時使用預應力錨索以來,預應力錨索加固技術已因其獨特的優(yōu)越性而在國內外許多工程(特別是水電工程和巖土工程)中得到廣泛應用,對預錨技術的研究也日益深入[1]。本文在參閱大量研究成果的基礎上,對預錨加固效應研究的重要性和必要性、預錨體系的特點和研究方法、預錨研究中應當重視的一些問題等提出了自己的看法,以期對進一步研究預錨加固技術有一定的幫助。
1應加強預錨加固效應的研究
近年來,我國科技工作者在預錨技術理論研究方面取得了較大的進展,但總的來說,這方面的研究還落后于工程實踐,特別是設計計算方法還不成熟,大多數設計只能主要憑經驗和工程類比法來確定預錨參數,這是由于我們還無法從理論上完善地、定量地說明預應力錨索的力學效應和加固機理。本文將從以下幾方面對預錨研究提出一些看法:(ａ)現(xiàn)行設計方法所依據的基本理論以及改進設計方法的關鍵;(ｂ)預錨加固體系的特點以及有限單元法在預錨研究中的應用;(ｃ)預錨研究中應特別重視內、外錨頭區(qū)的應力變化;(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和簡化方法。
2 探索加固機理,才能改進設計方法
預錨加固巖體邊坡設計常用的一種方法,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行分析,再根據下面的公式計算保持邊坡穩(wěn)定所需施加的預錨力。
Ｑ1+Ｑ2ｔａｎø=ＫＴ
式中:Ｔ———加固前巖體的下滑力;ø———滑動面的內摩擦角;Ｑ1,Ｑ2———由預應力錨索提供的切向抗滑力和法向正壓力;Ｋ———安全系數。然后由經驗和一些近似計算公式來確定其余的布錨參數,包括錨索的布設范圍、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算中,公認的理論和統(tǒng)一的設計方法還沒有建立起來,而只是針對不同的圍巖條件,分別沿用了非預應力錨桿加固中的懸吊理論、組合拱理論、組合梁理論等。
在許多計算中,復雜的巖體被簡化為剛體,預應力錨索的作用被看成僅僅是提供一個平衡力。在整體圍巖和軟弱圍巖的計算中,雖然考慮到了預應力所引起的巖體應力場的變化,但對于這種變化在巖體內的具體分布情況及其對預錨加固效果的影響,還缺乏規(guī)律性的認識。設計計算方法的不足之處,正是緣于對預錨加固的力學效應和加固機理的認識不夠深入,這已引起人們的重視。例如,文獻[2]中分析了預錨加固的機理和效果,從不同的角度加深了對預錨作用的認識。
3 應明確預錨體系的特點
3。1 預錨體系是不可分割的整體
預錨加固體系由預應力施加體和被加固巖體所組成,而預應力施加體又由預應力錨索和內、外錨頭組成。內錨頭有機械式和膠結式兩種,目前國內大型預錨加固工程中使用最多的是用水泥砂漿作為膠結材料的膠結式內錨頭。本文將膠結式內錨頭及膠結段的錨索統(tǒng)稱為內錨固段。人為施加到錨索上的預應力正是依靠外錨頭的支撐作用、膠結段錨索與膠結體之間的粘結力、膠結體自身的承載力,以及膠結體與周圍巖體之間的粘結力,最終傳遞到被加固的巖體上。因此,預錨體系是一個不可分割的、共同工作的整體。
本文主張在研究中重視“整體性”的概念,其含義包括:(ａ)每根錨索與周圍巖體形成一個整體,從而使預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,產生群錨加固的整體效應;(ｃ)通過對加固前后巖體整體穩(wěn)定性的比較,研究預錨加固的機理和效果。
3。2 預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力(國內目前常常取為0。625σｂ～0。65σｂ)、保證錨索質量和采取防腐措施來防止。
ｂ。錨索與膠結體間的結合面破壞。是否會發(fā)生此類破壞,主要取決于結合面強度。以往工程界都是利用抗拔試驗取得平均的結合面強度數據,而本文則傾向于結合剪應力的分布規(guī)律和相對滑移量進行研究。
ｃ。膠結體內部破壞。膠結體內部可能發(fā)生拉裂及剪切的復雜應力破壞,可用非線性有限元方法計算其應力場,并模擬實際破壞過程。
ｄ。膠結體與巖體之間的結合面破壞。是否發(fā)生此類破壞,取決于膠結體的強度以及內錨頭是否進行擴孔處理等多種因素。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。一般認為只要有足夠的錨固力,就不會發(fā)生錨固破壞。筆者認為這種觀點不夠全面。在分析被加固巖體破壞形式時應考慮以下幾點:被加固巖體的整體穩(wěn)定性和安全度;預錨加固后薄弱面向更深層轉移,產生新的整體失穩(wěn)的可能性;預錨力所引起的預錨附加應力場是否會造成巖體局部破壞,以及這種局部破壞是否會進一步發(fā)展為整體破壞。
4 有限單元法是一種有效的方法
在預錨技術理論研究的諸多方法中,有限單元法因其獨特的優(yōu)點而被經常采用。成功地應用這一方法的關鍵在于選擇合適的單元類型,采用符合實際的破壞準則,恰當地模擬預錨體系的結構特點、材料性質、工作機制和破壞過程。
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、描述結合面處傳力特性的粘結單元等,在預錨加固研究中都是非常有效的。關于粘結單元,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滑移單元的啟發(fā),在預錨加固空間有限元分析中成功地采用了空間彈簧粘結滑移單元。
4。2 本構關系
理想的線彈性模型在大多數預錨加固問題中難以真實、準確地反映預錨體系的實際特征,也無法說明整個體系的安全儲備能力。因此,常常需要深入分析各種非線性的特點,采用更接近于實際狀況的本構關系。在預錨加固計算中尤其應考慮錨索與膠結體之間的粘結應力和滑移量的關系,才能合理地構造出粘結滑移單元的剛度矩陣。
4。3 荷載的復雜性
荷載的復雜性包括兩方面的內容,即除了與一般的巖土工程問題相同外,還必須考慮預錨力作用的復雜性。顯然,預應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錨力究竟是以何種規(guī)律被傳遞到巖體上的,有時還需考慮錨索與膠結體共同抗彎、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算一些預錨加固問題,但在許多問題中空間效應的影響是較大的,此時就必須采用空間有限單元法。
4。5 群錨計算的簡化
本文建議在大規(guī)模群錨問題分析中,采用子結構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錨加固體系的一種有效的方法,但由于非線性有限元的計算結果的可靠性在很大程度上依賴于模型參數選取的準確性,因此,這一方法在實際工程計算中的應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行初步的理論上的研究。