錨索非線性分析

預(yù)應(yīng)力錨索通過盡可能少地?cái)_動被錨固巖土體，由錨固在穩(wěn)定巖土體中的錨固段提供預(yù)應(yīng)力，從而有效地提高了被錨固巖土體的穩(wěn)定性，是一種高效、經(jīng)濟(jì)的巖土加固技術(shù)，已廣泛地運(yùn)用于工業(yè)與民用建筑、公路、鐵路邊坡的加固防護(hù)、大型地下洞室的圍巖加固以及大壩基礎(chǔ)的加固等。而對于預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)理論的研究也正成為巖土工程界研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。但預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的工作機(jī)理還不十分清楚，盡管國內(nèi)外已做了大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，錨固段的側(cè)阻力分布的定性結(jié)論已經(jīng)比較清楚，但理論研究，特別是用理論方法來預(yù)測錨固段的側(cè)阻力分布規(guī)律還有待于深入。現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論還停留在簡單地將側(cè)阻力分布按均勻分布簡化的階段，而大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，錨固段側(cè)阻力不是均勻分布的，而是在其前端形成峰值，然后沿錨固段長度迅速衰減直至趨近于零。顯然，對這一問題作出合理解釋，進(jìn)而用理論方法來預(yù)測并作出能用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)，這些對于工程實(shí)踐才比較有意義。文 曾采用損傷理論對這一問題進(jìn)行了研究，分別定義了巖體的剪切損傷變量和漿體材料的受拉損傷變量并研究了各自對應(yīng)的損傷演化方程，根據(jù)荷載、變形協(xié)調(diào)關(guān)系建立方程組，并通過迭代法求解，取得了一定的成果。

在本文中，作者首先將預(yù)應(yīng)力錨索錨固段離散化，并將預(yù)應(yīng)力錨索體系分解成承受側(cè)阻力荷載作用的巖土體部分及錨固段部分并分別加以研究。其中，巖土體部分采用基于Mindlin應(yīng)力解及應(yīng)力疊加原理計(jì)算巖土體內(nèi)任意點(diǎn)處的應(yīng)力分布，并根據(jù)修正分層總和法計(jì)算預(yù)應(yīng)力荷載下錨固段穩(wěn)定巖土體內(nèi)任意點(diǎn)處的變形值；錨固段漿體材料部分則根據(jù)錨索錨固段荷載傳遞特性來計(jì)算其變形量。最后根據(jù)兩者荷載、變形協(xié)調(diào)關(guān)系建立聯(lián)立方程組，采用迭代法求解，可以獲得錨索錨固段的側(cè)阻力分布及荷載、變形特性。本方法能夠考慮巖土體的三向應(yīng)力對其變形特性的影響，最為重要的是在計(jì)算變形時(shí)能夠考慮巖土體的本構(gòu)關(guān)系，從而可以考慮巖土體的非線性特性對其變形特性的影響。因此，在理論計(jì)算上比較合理。同時(shí)，可以運(yùn)用本文建議方法的基本原理研究預(yù)應(yīng)力錨索的群錨效應(yīng)。本文理論對于預(yù)應(yīng)力錨索工作機(jī)理特性研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

錨索錨固段的離散化

施加在錨索上的預(yù)應(yīng)力是通過埋設(shè)在穩(wěn)定巖土體中的錨固段傳遞給周圍巖土體，因此，錨固段是預(yù)應(yīng)力錨索的主要受力部分，也是預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。至于錨索錨固段的側(cè)阻力分布模式、錨固段荷載、變形特性則是預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。

首先，將錨固段進(jìn)行離散化處理(圖1)，即將錨固段離散為n段，當(dāng)然每微段長度可以相同，也可不相同，設(shè)各微段長度分別為d_i(i=1，2，3，…，n)；作用在各微段上的側(cè)阻力為均勻分布，其大小分別為t_i(i=1，2，3，…，n)，各微段的側(cè)阻力是各不相同的。

其次，將錨索體系看成是由兩部分組合而成：其一是承擔(dān)預(yù)應(yīng)力荷載P及錨固段與巖土體相互作用的側(cè)阻力荷載P_s=[t₁，t₂，t₃，L，t_n]T的錨固段；其二是承擔(dān)側(cè)阻力荷載P_t= [t₁，t₂，t₃，L，t_n]T的穩(wěn)定巖土體(圖 2)。當(dāng)然，這兩者之間要通過錨固段與巖土體之間相互作用的側(cè)阻力荷載、變形協(xié)調(diào)關(guān)系統(tǒng)一起來。

這樣分解的目的在于根據(jù)錨固段與巖土體的各自受力特點(diǎn)及各自的本構(gòu)關(guān)系分別采用不同的方法進(jìn)行研究，計(jì)算各自的荷載、變形關(guān)系。最后，通過兩者荷載、變形協(xié)調(diào)關(guān)系將其聯(lián)系起來，從而獲得問題的最終解答。

固段周圍巖土體應(yīng)力分布研究

為研究巖土體內(nèi)由于側(cè)阻力荷載作用下沿錨固段與巖土體接觸面上任意點(diǎn)處的應(yīng)力分布規(guī)律，本文采用基于Mindlin應(yīng)力解進(jìn)行計(jì)算。均布矩形側(cè)阻力下應(yīng)力計(jì)算簡圖見圖3。

荷載作用下沿錨固段與巖土體接觸面上任意點(diǎn)處的附加應(yīng)力計(jì)算公式可通過積分獲得，與常規(guī)問題有所不同的是，本文問題的荷載作用方向是沿z軸的負(fù)方向。

固段荷載傳遞特性研究

錨固段的變形分析可以采用荷載傳遞法進(jìn)行，首先推導(dǎo)錨索錨固段的荷載傳遞微分方程，然后，根據(jù)錨固段的側(cè)阻力分布模式，并利用邊界條件即可求得錨固段上任意點(diǎn)處的變形量。通過前面幾節(jié)的分析，可以確定巖土體在給定側(cè)阻力荷載作用下與錨固段接觸面上任意點(diǎn)處的沉降量，以及在給定外加預(yù)應(yīng)力荷載和錨固段側(cè)阻力荷載共同作用錨固段的變形量。下面通過錨固段與周圍巖土體荷載、變形協(xié)調(diào)關(guān)系來對預(yù)應(yīng)力錨索體系進(jìn)行整體分析。

從理論上來說，在錨固段與周圍巖土體之間不產(chǎn)生滑移的情況下，任何位置處都應(yīng)該變形協(xié)調(diào)，即變形應(yīng)相等。

研究結(jié)論

從理論上對2次灌漿型預(yù)應(yīng)力錨索錨固段側(cè)阻力分布規(guī)律、錨固段荷載、變形特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，歸納起來做了以下工作：

(1)將預(yù)應(yīng)力錨索體系分解成承受側(cè)阻力荷載作用的巖土體部分及錨固段部分并分別加以研究。

(2)巖土體部分采用基于Mindlin應(yīng)力解及應(yīng)力疊加原理計(jì)算巖土體內(nèi)任意點(diǎn)處的應(yīng)力分布，并根據(jù)修正分層總和法計(jì)算預(yù)應(yīng)力荷載下錨固段穩(wěn)定巖土體內(nèi)任意點(diǎn)處的變形值。

(3)將錨固段進(jìn)行離散化處理，并根據(jù)錨索錨固段荷載傳遞特性來計(jì)算其變形量，推導(dǎo)了錨固段荷載傳遞微分方程。

(4)根據(jù)兩者荷載、變形協(xié)調(diào)關(guān)系建立聯(lián)立方程組來進(jìn)行錨索體系的整體分析，并采用迭代法求解，給出了具體的迭代步驟。

(5)通過一工程實(shí)例的分析比較，說明本文理論是合理的。

鉆孔、錨索、注漿同時(shí)進(jìn)行。連接鉆桿接手、鉆頭，采用泥漿護(hù)壁方法，注漿鉆進(jìn)同步進(jìn)行，自由端完成后采用稠水泥漿進(jìn)行旋進(jìn)。

1. 上腰粱

采用工字鋼連接錨索。

2. 張拉

待泥漿凝固，兩天后進(jìn)行張拉。

3. 外部保護(hù)

封孔注漿后，從錨具量起留50 mm鋼絞線，其余的部分截去，在其外部包覆厚度不小于50 mm的水泥砂漿保護(hù)層。

錨索鉆孔

鉆孔是錨索施工中控制工期的關(guān)鍵工序。為確保鉆孔效率和保證鉆孔質(zhì)量，采用潛孔沖擊式鉆機(jī)。鉆機(jī)鉆井時(shí)，按錨索設(shè)計(jì)長度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊，鉆桿用完，孔深也恰好到位。鉆孔深度要超出錨索設(shè)計(jì)長度0.5 m左右。

鉆孔結(jié)束，逐根拔出鉆桿和鉆具，將沖擊器清洗好備用。用一根聚乙烯管復(fù)核孔深，并以高壓風(fēng)吹孔，待孔內(nèi)粉塵吹干凈，且孔深不少于錨索設(shè)計(jì)長度時(shí)，拔出聚乙烯管，塞好孔口。

兩種特殊情況的處理：

滲水的處理。在鉆孔過程中或鉆孔結(jié)束后吹孔時(shí)，從孔中吹出的都是一些小石粒和灰色或黃色團(tuán)粒而無粉塵，說明孔內(nèi)有滲水，巖粉多貼附于孔壁，這時(shí)，若孔深已夠，則注入清水，以高壓風(fēng)吹凈，直至吹出清水；若孔深不夠，雖沖擊器工作，仍有進(jìn)尺，也必須立即停鉆，拔出鉆具，洗孔后再繼續(xù)鉆進(jìn)，如此循環(huán)，直至結(jié)束。有時(shí)孔內(nèi)滲水量大，有積水，吹出的是泥漿和碎石，這種情況巖粉不會糊住孔壁，只要沖擊器工作，就可繼續(xù)鉆。如果滲水量太大，以至淹沒了沖擊器，沖擊器會自動停止工作，應(yīng)拔出鉆具進(jìn)行壓力注漿。

塌孔、卡鉆的處理。當(dāng)鉆孔穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層或巖體破碎帶時(shí)，往往發(fā)生塌孔。塌孔的主要標(biāo)志是從孔中吹出黃色巖粉，夾雜一些原狀的（非鉆頭碎的、非新鮮的、無光澤的）石塊，這時(shí)，不管鉆進(jìn)深度如何，都要立即停止鉆進(jìn)，拔出鉆具，進(jìn)行固壁注漿，注漿壓力采用0.4 MPa，漿液為水泥砂漿和水玻璃的混合液，24小時(shí)后重新鉆孔。雨季，常常順巖體破碎帶向孔內(nèi)滲流泥漿，固壁注漿前，必須用水和風(fēng)把泥漿洗出（塌入鉆孔的石塊不必清除），否則，不僅固壁注漿效果差，還容易造成假象。

錨索在鉆孔的同時(shí)于現(xiàn)場進(jìn)行編制，內(nèi)錨固段采用波紋形狀，張拉段采用直線形狀。鋼紋線下料長度為錨索設(shè)計(jì)長度、錨頭高度、千斤頂長度、工具錨和工作錨的厚度以及張拉操作余量的總和。正常情況下，鋼絞線截?cái)嘤嗔咳?0 mm。將截好的鋼絞線平順地放在作業(yè)臺架上，量出內(nèi)錨固段和錨索設(shè)計(jì)長度，分別作出標(biāo)記；在內(nèi)錨固段的范圍內(nèi)穿對中隔離支架，間距60-100 cm，兩對中支架之間扎緊固環(huán)一道；張拉段每米也扎一道緊固環(huán)，并用塑料管穿套，內(nèi)涂黃油；最后，在錨索端頭套上導(dǎo)向帽。

錨索錨索安裝

向錨索孔裝索前，要核對錨索編號是否與孔號一致，確認(rèn)無誤后，再以高壓風(fēng)清孔一次，即可著手安裝錨索。

安裝下傾錨索比較簡單，沒有更多的技術(shù)問題。安裝上傾和水平錨索時(shí)要注意以下四點(diǎn)：檢查定位止?jié){環(huán)和限漿環(huán)的位置，損壞的，按技術(shù)要求更換；檢查排氣管的位置和暢通情況；錨索送入孔內(nèi)，當(dāng)定位止?jié){環(huán)到達(dá)孔口時(shí)，停止推送，安裝注漿管和單向閥門；錨索到位后，再檢查一遍排氣管是否暢通，若不暢通，拔出錨索，排除故障后重新送索。

錨索錨固法注漿

錨固法注漿采用排氣注漿發(fā)施工。下傾的孔，注漿管插至孔底，砂漿由孔底注入，空氣由錨索孔排出；上傾和水平孔，砂漿由孔口注入，空氣壓向孔底，由孔底進(jìn)入排氣管排出孔外（水平錨索，空氣經(jīng)限漿環(huán)進(jìn)入排氣管）。

上傾和水平錨索孔注漿過程中，當(dāng)排氣管不再排氣，且有稀水泥漿從排氣管壓出時(shí)，說明注漿已滿；對于下傾錨索注漿，采用砂漿位置指示器控制注漿位置。

錨索孔注漿采用注漿機(jī)，注漿壓力保持在0.3-0.6 MPa。

錨索立錨墩

錨墩的作用是把錨具的集中荷載傳遞到巖面和調(diào)整巖面受力方向。為了使錨墩上表面與錨索軸線垂直，預(yù)先將一根外徑與鉆頭直徑相同的薄壁鋼管和墊板正交焊牢，澆筑錨墩前將鋼管的另一端插入鉆孔即可。

錨索錨索的張拉

張拉錨索前需對張拉設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，將千斤頂、油管、壓力表和高壓油泵聯(lián)好，在壓力機(jī)上用千斤頂主動出力的方法反復(fù)試驗(yàn)三次，取平均值，繪出千斤頂出力（KN）和壓力表指示的壓強(qiáng)（MPa）曲線，作為錨索張拉時(shí)的依據(jù)。因國產(chǎn)壓力表初始起動壓強(qiáng)不完全相同，所以，標(biāo)定曲線上必須注明標(biāo)定時(shí)的壓力表號，使用中不得調(diào)換。壓力表損壞或拆裝千斤頂后，要重新標(biāo)定。

若錨索是由少數(shù)鋼絞線組成，可采用整體分級張拉的程序，每級穩(wěn)定時(shí)間2~3 min；若錨索是由多根鋼絞線組成，組裝長度不會完全相同，為了提高錨索各鋼絞線受力的均勻度，采用先單根張拉，3天后再整體補(bǔ)償張拉的程序。

錨索封孔注漿

補(bǔ)償張拉后，立即進(jìn)行封孔注漿。對于下傾錨索，注漿管從預(yù)留孔插入，直至管口進(jìn)到錨固段頂面約50cm；對于上傾和水平錨索，通過預(yù)留注漿管注漿?？字械目諝饨?jīng)由設(shè)在定位止?jié){環(huán)處的排氣管排出。

錨索外部保護(hù)

為保質(zhì)保量地按期完成施工任務(wù)，工地必須成立QC小組，自始至終每個(gè)階段堅(jiān)持采用科學(xué)的工作方法，制定一系列對策和實(shí)施辦法，及時(shí)改善錨索體結(jié)構(gòu)，積極改進(jìn)施工工藝，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組織施工，盡量做到均衡生產(chǎn)，使鉆孔、注漿、張拉、封錨等工序互不延誤，交叉進(jìn)行，并按統(tǒng)一表格做好施工記錄。

錨索工藝過程

施工準(zhǔn)備—錨孔鉆造—錨索制安—錨孔注漿—腰梁（錨梁、錨墩或十字架梁、型鋼支架）施工—腰梁與樁間用混凝土填充密實(shí)—錨孔張拉鎖定-驗(yàn)收封錨。其主要施工環(huán)節(jié)有兩個(gè)：一是錨孔成孔，錨孔成孔的技術(shù)關(guān)鍵是如何防止孔壁坍塌、卡鉆；二是錨孔注漿，注漿的技術(shù)關(guān)鍵是如 何將孔底的空氣、巖（土）沉 渣和地下水體排出孔外，保證注漿飽滿密實(shí)。

國內(nèi)應(yīng)用較多，如長江南岸鏈子崖危巖體治理和會同縣中心街滑坡治理中都采用了此種錨索。

錨索結(jié)構(gòu)一般由幅度錨頭、錨索體和外錨頭三部分共同組成。內(nèi)錨頭又稱錨固段或錨根，是錨索錨固在巖體內(nèi)提供預(yù)應(yīng)力的根基，按其結(jié)構(gòu)形式分為機(jī)械式和膠結(jié)式兩大類，膠結(jié)式又分為砂漿膠結(jié)和樹脂膠結(jié)兩類，砂漿式又分二次灌漿和一次灌漿式。外錨頭又稱外錨固段，是錨索借以提供張拉噸位和鎖定的部位，其種類有錨塞式、螺紋式、鋼筋混凝土圓柱體錨墩式、墩頭錨式和鋼構(gòu)架式等；錨索體，是連結(jié)內(nèi)外錨頭的構(gòu)件，也是張拉力的承受者，通過對錨索體的張拉來提供預(yù)應(yīng)力，錨索體由高強(qiáng)度鋼筋、鋼絞線或螺紋鋼筋構(gòu)成。

預(yù)應(yīng)力錨索是一種較復(fù)雜的錨固工程，需要專門知識與經(jīng)驗(yàn)，施工監(jiān)理人員，應(yīng)具有更豐富理論和經(jīng)驗(yàn)。

在承載能力方面、在大跨度斷面的支護(hù)上和對冒頂區(qū)域的支護(hù)上相對常規(guī)支護(hù)來說,錨索支護(hù)技術(shù)都有很大的優(yōu)越性。

由鋼筋混凝土抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索或錨桿組成，把樁嵌入穩(wěn)定巖層和在樁頂用錨桿或錨索錨入穩(wěn)定層并進(jìn)行張拉，使抗滑樁形成簡支受力系統(tǒng)。 2100433B