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第203期 岩质边坡预应力锚固的理性设计原则与方法探讨

2024-2-5 16:47

【52监测网讯】第203期 岩质边坡预应力锚固的理性设计原则与方法探讨


52监测网专家报告分享-第203期
《岩质边坡预应力锚固的理性设计原则与方法讨论》
西安理工大学 李宁/教授

目录
一、引言
二、预应力锚索的工作机理
三、预应力大小的理性设计
四、预应力群锚间距d的理性设计
五、锚索长度L设计
六、锚固角度的设计
七、预应力锚索与边坡滑动面数值模型
八、结语

内容介绍

一、引言

• 预应力锚固作为不同于传统“被动”式支护、加固措施的一种“主动”式支护手段,其优越性已被广大设计人员所认可,并被广泛应用于节理体边坡、岩体断层、软弱带的支护与加固工程中。

• 以下对预应力锚固设计中的几个基本指标的设计思路与原则、设计方法及各指标之间的关系作一抛砖引玉式的分析与探讨,并与在坐各位进行切磋交流。

二、预应力锚索的工作机理

• 根据不同的岩体强度理论,对预应力锚索的锚固机理有以下几点不同的解释与理解:
(1)从结构面剪切破坏角度分析,锚索具有承剪阻滑作用
(2)从脆性断裂强度理论分析,锚索具有降低裂隙间应力强度因子、阻碍裂隙扩展的作用;
(3) 从节理岩体的岩桥强度理论出发,锚索具有增强节理岩体的裂隙前缘岩桥的断裂韧度的作用,使裂隙断裂扩展力不但要克服岩桥的阻力,还要提供锚索的桥联作用,因而阻止了裂隙的进一步扩展与贯通。

• 实际施工经验与实测结果表明,预应力锚固效果与岩体本身的物理力学性质、岩体结构面的力学性质、几何特性及锚固材料本身的强度、刚度、安装工艺和过程有关。

• 而预应力锚索的失效形式,根据现场实测、模型试验与岩体力学分析可总结为如下几点:
(1)锚索内锚固段沿孔,壁拔出;
(2)钢绞线从注浆体中拔出;
(3)钢绞线拉断;
(4)群锚锚固段的次生破坏;

三、预应力大小的理性设计

预应力大小的设计必须考虑下列几个因素:
(1)被加固体所需的总吨位
(2)被加固体的强度(抗剪、抗拉强度决定锚固段的长度,抗压强度决定预应力作用吨位);
(3)初步设计的锚索长度、内锚固段的设计长度和间距
(4)施工工艺与成本的比较;

• 由李家峡、龙滩、锦屏、拉西瓦、紫坪铺等大型水电工程有关边坡的预应力锚固设计实践中,本文通过系统的数值试验总结出下列几点设计原则:
(1)对坚硬、较完整的岩体加固,预应力吨位可选t≥2000kN较为经济有效;
对于中等坚硬的岩体,选t=1000~2000kN的预应力较为合适;
对于软弱岩体,选t≤1000kN的吨位较为安全,预应力损失较小;

(2)对于较硬的岩体,预应力吨位应该足够大,以使岩体被加固圈内的裂隙能够闭合。因此,锚索越长,所需吨位越大;岩体变形模量越高,所需吨位越大;岩体强度越高,可承受的吨位越高,锚索长度、吨位均可相应增加,间距也可随之增大,以便节省工程量。

(3)预应力锚索吨位不宜过大,一般以预应力产生的岩体附加应力不大于岩体单轴抗压强度Rc的60%一70%为宜,以防止岩体在预应力作用下产生较多沿预应力方向的劈裂型微裂纹。

预应力锚索吨位的科学确定方法:


四、预应力群锚间距d的理性设计

• 预应力群锚间距的设计必须考虑的因素为:
(1)间距不能太大,致使群锚不能达到其设计的整体加固效果;
(2)间距不能过小,以致于群锚的表面压缩效应引起预应力的过大损失;
• 具体设计思路应包括
(1)由被加固体所需总吨位与单锚设计预应力之比初步拟定预应力群锚间距;
(2)根据锚索长度L与间距d之关系进行调整;
(3)由单锚作用导致的扰动半径r1、相邻群锚作用半径r2、群锚加固内锚固段应力叠加产生拉剪破坏的临界半径r3及群锚“表面压缩效应”产生预应力损失的临界半径r4等诸参数中的最大值决定

• 群锚间距d的具体设计方法可归纳为如下几点:


不同间距的群锚效应也同时给出(与单锚作用效果相比)),见表1。


五、锚索长度L设计


六、锚固角度的设计

• 锚固角度的设计思路与原则应考虑既能最有效地发挥预应力对边坡或洞室的加固作用,又不使锚索过长而造成施工困难和成本大幅增加。
• 具体的设计原则可归纳如下:
(1)锚索与滑动面的夹角(图1中a角)不应大于90°,从而避免其切向分力偏向下滑方向;
(2)锚固角度应在不使锚索过长的条件下尽量以小角度(与水平线夹角)布置:
(3)锚固角度一般不以负角度(向上翘)布置,以免给施工造成极大不便;
(4)对于开挖坡面小于滑动面倾角的土坡、风化软弱岩体边坡可采用较大锚固角度,较有利于大幅减小锚索长度,见图1(a);
(5)对于开挖坡面大于滑动面角度的含有较大软弱夹层的坚硬完整岩体边坡,可采用较小的锚固角度,则有利于充分发挥预应力的切向分力对不滑力的分担(抗滑)作用,见图1(b);
(6)对于倾倒型边坡的锚固,则可根据倾倒方向来施加反向预应力锚固,建议以水平方向为主。


七、预应力锚索与边坡滑动面数值模型

1)常见的模拟方法

❖ 等效连续模型法
等效方法只考虑了锚索对岩体的刚度贡献,而无法考虑预应力这一主要因素,已被广大分析人员所共识;
杆单元法——只考虑局部刚度作用;
两点集中力法——只考虑预应力加固效果;

◎ 杆单元法


数值模拟方法

◎ 两点集中力法
该方法反映了锚索的应力贡献,没有反映刚度贡献,仅反映锚索预应力的施加过程却并无法模拟锚索对后续开挖的变形约束作用。

◎ 只承拉杆单元法
拉、压不等刚度的数值模拟方法属于变刚度非线性问题,数值分析处理上十分复杂。

预加应力所产生的附加压缩变形则会影响锚索刚度贡献作用的及时发挥。

◎ 其他组合方法


2)新的模拟方法

➢ 集中力后续补偿张拉法


➢ 集中力+杆单元方法——复合杆单元法


3)新型锚索单元法


4)锦屏一级水电站左岸拱肩槽边坡


5)滑动面模拟存在的问题


6)Goodman和 Katona模型的比较


➢ COJO内界面单元模型优势


八、结语

(1)提出了锚索量化设计的几个原则与方法;
(2)提出了预应力群锚的数值仿真模型;
(3)提出了潜在滑动面的数值模拟方法;

《岩质边坡预应力锚固的理性设计原则与方法讨论》
西安理工大学 李宁/教授

注:本内容仅供个人研学交流,版权归原作者所有


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