預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨段粘結(jié)強度及長度的確定

預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨段粘結(jié)強度及長度的擬定摘

要：通過對國內(nèi)30余例錨固工程實驗資料的統(tǒng)計分析，在討論影響巖體與錨固體間粘結(jié)強度因素的基礎(chǔ)上，提出了擬定預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段與巖體間粘結(jié)強度的經(jīng)驗公式．為便于設(shè)計人員擬定內(nèi)錨段長度，建立了內(nèi)錨段長度設(shè)計系數(shù)圖．實例計算表明，所提供的擬定辦法與巖錨實驗成果較為吻合．核心詞：錨索；粘結(jié)強度；內(nèi)錨固段；設(shè)計系數(shù)；錨固；巖體基本質(zhì)量指標(biāo)預(yù)應(yīng)力錨索作為巖土體加固的重要手段，在水利水電、交通、礦山等建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用．在預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計中，內(nèi)錨固段長度的擬定是其十分重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計人員普通從下列3個方面來考慮：①預(yù)應(yīng)力鋼絞線與否從水泥漿或水泥砂漿中抽出；②鋼絞線與否斷裂；③內(nèi)錨固段與否沿孔壁滑移．前兩個方面，由于實驗較易，費時較少，普通能夠從室內(nèi)實驗求得．但是，內(nèi)錨段與否會從孔壁中抽出只能憑現(xiàn)場巖錨實驗的成果來擬定，故常需要耗費大量的人力與財力．因此，長久以來，對巖體與錨體間的粘結(jié)強度合理取值，國內(nèi)外許多學(xué)者進行了某些有關(guān)研究，如英國小約翰根據(jù)某些代表性巖石抗壓強度實驗成果，提出了巖石與灌漿體間粘結(jié)強度的設(shè)計值；Serrano和Olalla［1，2］等根據(jù)Hoek－Brown準(zhǔn)則推導(dǎo)了群錨破壞條件下的巖錨極限粘結(jié)強度Cult的經(jīng)驗公式；我國長江科學(xué)院韓軍［3］等提出了按巖石強度等級擬定的錨固體與巖體粘結(jié)強度的建議值．上述諸多辦法，為擬定巖體與錨固體間的粘結(jié)強度提供了一種簡便的辦法，但未能考慮巖體中構(gòu)造面的性質(zhì)與發(fā)育程度、內(nèi)錨段灌漿作用等因素對粘結(jié)強度的影響，與實際工程需要相比尚有一定差別．不同巖體中實施的大量巖錨實驗，積累了豐富的實驗資料，為建立經(jīng)驗公式提供了詳實的統(tǒng)計根據(jù)，使建立粘結(jié)強度與巖體性質(zhì)之間的經(jīng)驗關(guān)系成為后繼工程減少巖錨實驗的又一重要的途徑．本文通過大量巖錨實驗資料分析，結(jié)合室內(nèi)模型實驗，從分析影響粘結(jié)強度眾多因素入手，提出了擬定巖錨粘結(jié)強度的經(jīng)驗辦法，并建立巖體質(zhì)量與粘結(jié)強度的有關(guān)關(guān)系，為工程設(shè)計人員提供一種簡便的辦法，盼望對擬定粘結(jié)強度的辦法有所改善．1影響巖錨粘結(jié)強度的因素現(xiàn)場巖錨實驗及室內(nèi)實驗成果表明，影響粘結(jié)強度的因素重要有下列幾個方面．1．1巖石干抗壓強度與粘結(jié)強度的有關(guān)性分析大量現(xiàn)場實驗表明，堅硬、力學(xué)強度高的巖石如花崗巖含有較高的粘結(jié)強度；而軟弱、力學(xué)強度較低的巖石，在相似的膠結(jié)材料時含有較低的粘結(jié)強度，通過對國內(nèi)小浪底、漫灣、隔河巖等30余例巖錨工程的120束代表性錨索拉拔實驗資料進行粘結(jié)強度與對應(yīng)內(nèi)錨段完整巖石干抗壓強度的有關(guān)性分析（圖1），得到兩者間的有關(guān)關(guān)系式：（1）式中：為完整巖石與錨固體間的粘結(jié)強度，MPa；Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa．圖1巖錨粘結(jié)強度與巖石單軸抗壓強度關(guān)系曲線1．2構(gòu)造面特性對粘結(jié)強度的影響巖體與錨固體間的粘結(jié)強度尚與巖體中分布的構(gòu)造面性質(zhì)有關(guān)．為進一步探索構(gòu)造面發(fā)育程度及性質(zhì)對粘結(jié)強度的影響，筆者在實驗室內(nèi)選用了灰?guī)r、砂巖、花崗巖及片麻巖等四類弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖石（確保明驗數(shù)據(jù)的可比性），根據(jù)不同構(gòu)造面的幾何性質(zhì)分別模擬錨索的工作機理進行拉拔實驗，將實驗后的巖塊作構(gòu)造面的發(fā)育程度、結(jié)合程度的描述，構(gòu)造面的發(fā)育程度以構(gòu)造面間距衡量，結(jié)合程度則以構(gòu)造面的張開度、填充物來表達(dá)．實驗成果的統(tǒng)計表明，對于同類巖體，構(gòu)造面間距、張開度對粘結(jié)強度的影響特別明顯，將全部的實驗資料按構(gòu)造面間距和張開度分別統(tǒng)計其對粘結(jié)強度的影響，得到對應(yīng)的影響系數(shù)見表1和表2．1．3漿體強度特性現(xiàn)在，工程上普通采用純水泥漿與水泥砂漿作為巖錨的注漿材料．針對這兩種材料，長江科學(xué)院結(jié)合三峽工程進行了大量的實驗研究，成果表明，相似巖體條件下，不同注漿材料漿體與巖體間的粘結(jié)強度有所差別（表3）．水泥砂漿與巖體間的粘結(jié)強度比純水泥漿與巖體的粘結(jié)強度略高．1．4施工質(zhì)量施工質(zhì)量對巖體與錨固體的粘結(jié)強度也有一定的影響．對工程規(guī)模巨大，規(guī)定較高的大噸位預(yù)應(yīng)力錨索，普通規(guī)定鉆孔后用高壓風(fēng)進行吹渣，后用清水洗孔．當(dāng)巖體較破碎時，壓力注漿能夠提高巖體的整體性及粘結(jié)強度．但迄今為止，還沒有有關(guān)的錨索質(zhì)量無損檢測設(shè)備，對施工質(zhì)量也未有較好的檢測辦法，故本文建議，通過取一折減系數(shù)R3來考慮施工質(zhì)量對粘結(jié)強度的影響，R3可根據(jù)巖體質(zhì)量、施工單位的信譽綜合擬定．2用綜合因素法擬定巖錨粘結(jié)強度從以上分析可知，巖體與錨固體間的粘結(jié)強度不僅與完整巖石的抗壓強度有關(guān)，同時巖體中構(gòu)造面間距，張開度及填充物、漿體性質(zhì)與施工質(zhì)量對強度都有一定的影響．因此，綜合以上4個方面的因素，擬定粘結(jié)強度的經(jīng)驗公式可表達(dá)為式中：C1為巖體與錨固體間粘結(jié)強度原則值，MPa；K1，K2為考慮構(gòu)造面張開度、填充物對粘結(jié)強度影響的因子，取表1、表2中的數(shù)值；R3為施工質(zhì)量修正系數(shù)．3用基本質(zhì)量指標(biāo)法擬定巖錨粘結(jié)強度3．1基本質(zhì)量指標(biāo)擬定的巖錨粘結(jié)強度由于綜合因素法較難獲得R3，為工程應(yīng)用的方便，擬謀求用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)來擬定巖錨粘結(jié)強度的辦法．巖體基本質(zhì)量指標(biāo)是我國實施巖體質(zhì)量分級的重要根據(jù)，該指標(biāo)基本反映了巖體的強度與完整性，能夠用來擬定巖錨粘結(jié)強度的大小，質(zhì)量好的巖體對應(yīng)的巖體與錨固注漿材料間的粘結(jié)強度高．因此，本文通過對國內(nèi)某些錨索工程的實例分析，得到由巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ擬定粘結(jié)強度的經(jīng)驗公式（式（3）），有關(guān)曲線如圖2所示．式中：為采用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)擬定的巖體與錨固體間粘結(jié)強度，MPa；BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，其值由BQ＝90Rc＋250KV擬定，Rc為巖石單軸抗壓強度值，KV為完整性系數(shù)，可參考文獻(xiàn)［4］擬定．3．2錨根效應(yīng)對粘結(jié)強度的修正現(xiàn)場及室內(nèi)套鉆觀察表明，高壓注漿狀態(tài)下（注漿壓力不不大于0．5MPa），錨固段巖體裂隙特性對錨固粘結(jié)力有一定的影響［5］，對于無充填的張性構(gòu)造面，在高壓注漿條件下，漿液沿裂隙充填，形成錨根，該部分水泥砂漿提高了巖體與錨固體間的粘結(jié)力，而在采用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)擬定的巖體與錨固體間粘結(jié)強度的公式中，未考慮這一影響，故需作進一步修正，其修正公式式（5）可通過式（4）得到．式中：P為僅考慮錨根效應(yīng)的粘結(jié)力，N；n為張開度不不大于1mm且無充填的張性裂隙數(shù)量，可由鉆孔裂隙統(tǒng)計得到；ti為單條張裂隙的寬度，mm；τ為水泥砂漿或純水泥漿的抗剪強度，Pa；d為錨索孔的直徑，mm．由式（4）可得考慮錨根效應(yīng)的粘結(jié)強度為式中：C2為考慮錨根效應(yīng)修正的粘結(jié)強度設(shè)計值，MPa；C＊2為由巖體基本質(zhì)量指標(biāo)擬定的巖體與錨固體間粘結(jié)強度，MPa；L為內(nèi)錨固段長度，m；其它符號同上．在實際工程設(shè)計中，普通很難獲得每一束錨索的錨根段巖體的構(gòu)造面分布，故可將錨根效應(yīng)作為安全儲藏項而不計入設(shè)計參數(shù)中．4內(nèi)錨段長度設(shè)計預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計涉及錨固荷載大小、錨孔直徑及內(nèi)錨固段長度等，錨固荷載的大小根據(jù)被加固巖體所需錨固力及外錨墩下巖體的承載力擬定，錨孔直徑由錨索噸位及鋼絞線數(shù)量擬定，而內(nèi)錨固段長度重要依賴于設(shè)計安全系數(shù)、錨孔直徑、錨固荷載大小及粘結(jié)強度的大?。虼耍僭O(shè)一長度設(shè)計系數(shù)K0，內(nèi)錨固段長度L就能夠由式（6）擬定．本文建立了基于巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的內(nèi)錨固段長度設(shè)計系數(shù)K0圖（圖3），設(shè)計人員僅需根據(jù)錨孔的直徑、內(nèi)錨段巖體質(zhì)量指標(biāo)BQ就可從圖中查得K0值，再由式（6）擬定內(nèi)錨固段長度L：式中：K0為內(nèi)錨固段長度設(shè)計系數(shù)，mm／kN，可由圖3查得；K為錨索設(shè)計所采用的安全儲藏，根據(jù)工程等級、荷載大小及錨根效應(yīng)擬定，普通取值為2．5～3．0；P為設(shè)計單束錨索承載力，kN．5工程實例三峽永久船閘高邊坡，設(shè)計采用了2450余束錨索加固其中存在的定位與不定位的不穩(wěn)定塊體，通過大量的現(xiàn)場巖錨實驗，得到錨固體與巖體的粘結(jié)強度原則值為1．85～2．12MPa．根據(jù)長江水利委員會三峽勘察分院歷年勘察資料及有關(guān)文獻(xiàn)［6，7］分析，得到的三峽永久船閘區(qū)巖體的單軸抗壓強度Rc，RMR及巖體基本質(zhì)量BQ，見表4．現(xiàn)按本文提出的兩種辦法對其進行粘結(jié)強度的計算并校核3000kN級預(yù)應(yīng)力錨索的內(nèi)錨段長度，按綜合因素法求得C1＝2．16MPa，考慮錨根效應(yīng)按巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ計算的粘結(jié)強度為C2＝1．89MPa，后者基本符合實際實驗成果，對于3000kN預(yù)應(yīng)力錨索，安全儲藏為2．5，若設(shè)計孔徑為165mm，內(nèi)錨段巖體質(zhì)量指標(biāo)為600，從圖3中查得K0為0．0011，則計算得到的內(nèi)錨段長度為8．25m，實際施工采用的內(nèi)錨段長度為8．0m，計算成果與現(xiàn)場實驗成果基本吻合．由于綜合因素法較難考慮施工因素的影響，計算值比實際值略大，因此，在實際應(yīng)用中，可按兩者分別計算，最后視工程重要程度與安全系數(shù)的大小，或取兩者之平均值，或取兩者之小值以滿足工程設(shè)計需要．錨索運行狀況良好．