基于屈服装置-碟簧系统的双向调节预应力锚索.pdf

书书书 工程地质学报 （）杨栋，王全成，姜昭群 基于屈服装置 碟簧系统的双向调节预应力锚索 工程地质学报，（）：，（）：基于屈服装置 碟簧系统的双向调节预应力锚索杨栋王全成姜昭群（中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 ，中国）摘要川藏交通廊道规划路线沿线滑坡锚固工程在全生命周期内将不可避免受到季节性冻土冻胀融缩的不利影响。为减缓此不利影响，本文提出基于多个挤压摩擦型屈服套的屈服装置、消能蓄能型碟簧系统，形成可双向调节预应力的锚索新结构。并对该锚索进行室内张拉试验、极限承载力试验及工作机理研究，成功研制吨位 级、行程 的双向调节预应力锚索。室内试验证实，单个挤压摩擦型屈服套起始屈服力为 ，平稳行程可达 ；屈服装置由 个挤压摩擦型屈服套及锚组成，起始屈服力为 ，行程可达到 以上；碟簧系统可实现耗能（冻胀时可抵消约 的预应力增长）与蓄能（融缩时可抵消约 的预应力损失）的目的。屈服行程完结后，双向调节预应力锚索极限承载力为 ，与传统锚索极限承载力相当。该新型锚索起始屈服力及行程具有较好的可拓展性，性能参数优于市场同类产品，可用于冻融环境及地震、大变形情形下的滑坡边坡加固，为川藏交通廊道沿线季节性冻土区滑坡、边坡防护提供了一种新的解决方案。关键词双向调节锚索；屈服装置；碟簧；川藏交通廊道；季节性冻土中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：中国地质调查局地调项目（资助号：），国家重点研发计划项目（资助号：）（）（）第一（通讯）作者简介：杨栋（），男，硕士，高级工程师，主要从事岩土体稳定性评价及地质灾害防治技术方面的研究 ：（，），；引言川藏交通廊道规划线路穿越青藏高原东缘高寒带岛状山地冻土区，大多段为季节性冻土区，该区季节性冻土区下限约为海拔 ，属于稳定型、南方型和亚热带型季节性冻土（李宗龙，；薛翊国等，）。季节性冻土标准冻深为 ，以昌都为例，根据气象站点多年资料，冻季从 月开始，月冻土深度为 ，月冻土深度为 ，月、月冻结深度达到最大，为 ，月、月开始解冻，冻结指数为 ，为轻冻区（）。在 铁路建设和运营中，其边坡支护工程不可避免地将受到季节性冻土的影响。项目组曾对川西地区及藏东昌都地区 、沿线滑坡锚固工程 余处典型案例进行调查，发现大量锚固工程破坏的现象。土体冻胀时，在框格基底产生法向应力，最大可达 。锚索随之产生指向坡外的变形，由于锚索的弹性模量很大，即使产生很小的位移，也会引起内力大幅增加，进而可能产生锚头被破坏的现象。土体融缩时，锚索随之回缩，预应力损失严重，甚至存在工作锚具脱空的情况。锚索冻融效应研究方面，主要手段为现场监测锚索内力在冻季、融季的变化。如法国 地下车库基坑工程（，）采用锚杆和土钉复合支护，通过冻期内力监测表明：土体冻结过程中锚杆拉力增加，拉力增加最明显是在锚杆端头，最大可达冻前 倍。德国一处永久性边坡（，），年监测数据表明，冻结初期锚杆轴力明显增加，最大拉力可达受冻前的 倍，融化后锚杆上仍存在冻胀引起的部分拉力。美国缅因州 城 挡土墙上进行锚杆内力监测（，），结果表明，挡墙冻季土压力为平时的 倍，锚杆内力增大，且次年内力大于第一年内力，呈逐年增大的趋势。近年来，国内也开始关注锚索的冻胀效应，主要集中于对北方地区越冬基坑支护锚杆的监测及分析（郭红仙等，；赵延凯等，；张媛等，），认为冻季锚杆内力增加，暖季土体融化松散，容易出现裂缝及坍塌。以上研究均表明，冻融作用对锚索的正常工作产生重大影响。为减缓锚索的冻胀融缩影响，可采用屈服锚索及消能锚索两种新型锚索结构。屈服锚索能在外营力的作用下，以位移抵消力的作用，产生较大变形后仍可提供可靠锚固力，在软岩、深埋流变岩体及岩爆作用范围内的支护工程中应用较为广泛。屈服锚索结构形式以摩擦型、剪切型及活塞型最为常见。如加拿大 锚杆采取摩擦型（，），主要构成部分包含一体成型的光圆杆体和尾部锥形扩大头，非恒阻，行程 ；澳大利亚 锚杆（，），由光圆的实心钢筋、能量吸收装置和锚固套筒组成，吨位 ，行程 。近年来，我国已研发出数十种屈服锚索。如业大学研制的恒阻大变形锚杆，吨位 ，行程 ，形成完备的理论设计方法及技术体系，并在采矿巷道围岩支护中得到成功应用（何满潮等，）。室内大型物理模拟试验及工程案例证明，恒阻大变形锚杆具有大变形、高恒阻以及吸收能量的特性，能有效控制边坡失稳变形（陶志刚等，），还能用来监测滑坡的应力场（陶志刚等，）。总参三所在锚索锚头处设置钢套筒，与带有弹簧丝的钢绞线挤压成型，依靠摩擦输出力，最大输出力为 ，但张拉过程中荷载出现骤降跳动的现象（张勇等，）。消能锚索指在锚索锚头处设置阻尼器，减缓各种外营力对锚索内力陡增陡降的影响。总参三所研究爆炸条件下不同垫板形式锚杆对洞室加固效果的影响（明治清等，），（）杨栋等：基于屈服装置 碟簧系统的双向调节预应力锚索发现球形垫片可作为消能构件缓冲爆炸荷载，但行程较小。李鹏（）采取弯曲外形的结构形式吸能，但该锚杆承载力较小。以上锚索存在吨位低、行程小且不能双向调节的问题（所谓双向调节，指边坡产生指向坡内或坡外的位移时，锚索均能自动调节预应力，尽量维持锁定状态）。本文提出一种适用于季节性冻土滑坡不同工况的新型可调式锚索结构，主要由基于挤压摩擦屈服套的屈服装置及基于碟簧系统的应力保持装置组成。该结构已公开发明专利一项（）。双向预应力调节锚索基本思路双向预应力调节锚索结构见图 ，其主要由基于挤压摩擦屈服套的屈服装置及基于碟簧系统的应力保持装置组成。利用屈服装置调节由冻胀大变形产生的预应力增加；利用碟簧蓄能系统，抵消部分预应力损失，也可抵抗较小的冻胀作用。具体而言，级（额定状态）双向自动调节式预应力锚索锁定锚固力为 ，冻胀作用下，当内力小于设计屈服力时，碟簧系统发挥消能作用，大大降低由于冻胀产生的预应力增量；当内力大于设计屈服力时，屈服装置发挥作用，可维持一定锚固力输出；融缩作用下，碟簧系统发挥蓄能作用，能补偿大部分由于融缩作用而产生的预应力损失；在地震或者边坡大变形作用下，屈服装置发挥作用，以位移抵消力的作用，产生较大变形后仍能提供可靠锚固力，以避免锚索被瞬间破坏。图 中 为安全卡套（锚），其功能为：当屈服行程完结后，锚可对屈服装置限位，使其充分发挥钢绞线的极限承载。屈服装置室内试验研究 屈服装置工作原理屈服套制作过程见图 ，图 为屈服套挤压状态，图 为挤压成型屈服套，图 为屈服套内壁凹痕。其工作原理为：通过特制挤压机挤压作用，在屈服套内壁形成凹痕，与钢绞线紧密贴合。滑移时钢绞线此凹痕滑移，产生旋转，接触界面处于滑动摩擦，滑动摩擦系数相对稳定，因此能以较为稳定的恒力输出。屈服装置由数个挤压 摩擦型屈服套组成，其吨位可根据屈服套数量调整，本文采取 个屈图 双向调节预应力锚索结构示意图 碟簧系统；注浆管；保护套筒；屈服套；安全卡套；封底板；钢绞线；锚具；架线环；导向帽；承力转换板；自由段；锚固段图 屈服套制作过程 服套组成屈服装置，其起始屈服力达到 ，屈服行程可根据需要调节，大大提高屈服锚索的性能指标。屈服套室内试验评价屈服套性能指标的参数有 个：起始屈服力、行程及平稳度，其中平稳度定义如下：（）（）式中：为行程（）；为预应力骤降次数。由式（）可见，行程越长，预应力骤降次数越少，则屈服套平稳度越高。为获取满足设计的屈服套参 数，根 据 不 同 长 度（、）、不同外径（、）及不同接触方式（有弹簧、无弹簧）共进行了 组试验（表 ）。屈服套试验结果见图 ，其中图 为各组试样指标参数统计图，组 组存在起始屈服力低、行 工程地质学报 表 屈服套室内试验分组统计表 序号 接触方式挤压前尺寸 挤压后尺寸 有弹簧：有弹簧：有弹簧：无弹簧：无弹簧：无弹簧：无弹簧：程或平稳度不够的问题，而 组及 组起始屈服力、行程及平稳度均满足设计要求。图 为 组屈服套张拉曲线，个试样均可形成恒阻，起始屈图 屈服装置室内试验结果 屈服装置试验结果统计；组屈服套张拉曲线；组屈服套张拉曲线；接触面长度与输出恒力的关系服力为 ，平稳行程 ；图 为 组屈服套张拉曲线，除试样 加工后产生弯曲而不能形成恒阻外，其余 个试样均可形成恒阻，起始屈服力约为 ，平稳行程 。组、组均未产生预应力陡降的情形，其稳定性达到 。图 为输出力与界面接触长度关系曲线，两种规格（、）屈服套界面的输出力与接触长度呈线性关系，斜率基本一致，将所有散点数据进行最小二乘拟合，得到下式，为屈服套长度设计提供依据：（）式中：为输出力；为挤压后的接触面长度。碟簧锚索室内试验 碟簧系统工作原理本文通过在锚头处设置大吨位碟簧，利用碟簧系统的耗能蓄能功能，减缓预应力的增加或损失。冻胀过程与融缩过程工作机理类似，以冻胀过程为例分析其工作原理。张拉锁定状态时，以锚具为研究对象，其力学平衡状态为：（）式中：为钢绞线弹性模量；为钢绞线原长；为 （）杨栋等：基于屈服装置 碟簧系统的双向调节预应力锚索张拉过程中钢绞线伸长量；为钢绞线半径；为碟簧弹力系数；为张拉过程中碟簧压缩量。假设冻胀过程土体冻胀位移为 。设此时相对于张拉锁定状态锚索伸长量为 ，碟簧再压缩量为 ，由几何关系，位移满足：（）此时以锚具为研究对象，其力学平衡状态为：（）（）联立式（）、式（）、式（），得：()（）由式（）可见，由于碟簧阻尼器的作用使得钢绞线位移增长值小于土体冻胀位移，因此能减缓冻胀作用给锚索带来的额外荷载，能有效保护锚索的有效性，碟簧系统弹力系数越小，锚索位移增量最小。碟簧锚索冻融循环试验拟定碟簧系统极限荷载 ，行程 ，按照 机械手册 进行设计，本次试验采用的碟簧系统由 片 碟 簧 片 叠 合 再 对 合 而 成。其 外 径 ，内 径 ，单 片 厚 度 ，高 度 。锚索采用 根 钢绞线，长度 。试验中用油缸伸缩模拟冻胀融缩变形。碟簧锚索多次冻融曲线见图 ，点为锚索锁定状态，为冻胀过程，为融缩过程，由图可见 次循环的曲线基本一致，碟簧系统的可靠性较好，其位移随预应力的变化比较稳定。碟簧系统的力与位移并非严格直线关系，呈一定变刚度特性。碟簧锚索工作曲线见图 ，图中所示相同的冻胀位移 时，碟簧锚索预应力增量相比于传统锚索少 ，融缩 时，碟簧锚索预应力损失量相比于传统锚索少 。由于碟簧系统的变刚度特性，使得其耗能功能（冻胀时可抵消约 预应力增长）优于其蓄能功能（融缩时可抵消约 预应力损失）。双向预应力调节锚索室内试验研究在完成屈服装置及碟簧系统室内试验后，需要将两种新结构结合起来，形成双向调节预应力锚索，以适应可能存在双向变形的滑坡防治工程。图 碟簧锚索多次冻融循环曲线 图 碟簧锚索工作曲线 试验方案设计室内试验共试验了两种规格的双向预应力调节锚索：型（屈服装置由 个 组屈服套组成，碟簧系统由 片碟簧 片再对合而成）及型（屈服装置由 个 组屈服套组成，碟簧系统由 片碟簧 片再对合而成）。为方便对比研究，两种锚索自由段长度均为 。试验主要步骤为：屈服装置制作 锚索制作 安装碟簧 安装张拉系统 预张拉 张拉至正常工作状态（）用油缸伸缩模拟冻土冻胀融缩过程。试验结果型双向调节预应力锚索屈服装置工作过程见图 ，其中图 为屈服装置初始状态，屈服套与安全 锚的距离约为 ；图 为起始屈服状 工程地质学报 图 双向调节预应力锚索屈服装置工作过程 态，实验中屈服套 先滑移，而后 、开始屈服；图 、图 、图 、图 为屈服装置屈服中间状态，一旦全部启动屈服，则各屈服套位移基本一致；图 为屈服套 的屈服行程完结状态，此时 先与 锚贴合，其他屈服套尚与 锚存在间隙；图 为各屈服套行程均完结的状态，此时所有屈服套均与 锚贴合。型双向调节预应力锚索冻胀曲线见图 。从正常工作状态（）至屈服行程完结，冻胀量约为 。冻胀过程中，碟簧系统被压缩，位移达到 后达到碟簧额定工作状态，不再产生明显位移。屈服装置起始屈服力为 ，随后产生屈服位移约 ，屈服行程完结时锚固力约为 。有效行程段内各屈服套位移保持均匀，与图 规律基本吻合。图 型锚索冻胀曲线 型双向调节预应力锚索冻胀曲线见图 ，从正常工作状态（）至屈服行程完结，冻胀量约为 ；屈服装置起始屈服力为 ，随后产生较大的屈服位移（约 ）；各挤压套位移几乎图 型锚索冻胀曲线 图 双向调节预应力锚索融缩曲线 同步、均匀，性能较为稳定。双向调节预应力锚索融缩曲线见图 ，从正常工作状态（）开始，融缩量约为 ；屈服装置无位移；碟簧系统回弹位移为 ，融缩时可抵消约 预应力损失，与碟簧单独试验时的结论一致。双向调节预应力锚索屈服启动力变化见图 ，（）杨栋等：基于屈服装置 碟簧系统的双向调节预应力锚索图 锚索屈服启动力试验结果 屈服界面与单个屈服套接近“恒阻”的现象不同，表现为一定的“硬化现象”，即随着屈服位移增长其屈服启动力呈较缓斜率增长趋势，这是由于试验中加载速率、各屈服套的不均匀性及锚索表面光滑度差别等造成的，在实际工程中意味着锚索屈服启动阈值变高，实际上是偏于安全的，不影响屈服锚索的正常使用。屈服行程完结后，此时屈服套与 锚完全贴合，对锚索进行破断试验，试验结果见图 。锚索整体破断力与常规锚索一致，呈现弹性阶段（）、弹塑性阶段（）及破坏阶段（），极限承载力分别为 、；破断现象为钢绞线断丝，锚未滑移。由此可见，双向调节预应力锚索在屈服行程完结后仍能发挥传统锚索的工作性能。图 锚索极限承载力试验结果 结论与探讨 结论（）成功研制 级锚索屈服装置：型锚索（屈服装置由 个 组屈服套组成）其起始屈服力为 ，型锚索（服装置由 个 组屈服套组成）其起始屈服力为 ，屈服行程均可达到 以上，可应用于防治可能产生大变形的滑坡。（）阐明碟簧系统的工作机理及其可靠性，实现了耗能（冻胀时可抵消约 的预应力增长）与蓄能（融缩时可抵消约 的预应力损失）的目的。（）成功研制 级双向预应力调节锚索，揭示了屈服装置、碟簧系统在冻融循环下的可靠性及相互作用机制。屈服行程完结后，锚索极限承载力为 。探讨（）目前该新型锚索处于实验室研究阶段，尚需进一步开展现场试验、工程示范，在工程实践中进一步验证其可靠性，总结其施工工艺。（）基于挤压摩擦型屈服套的屈服锚索，其行程、吨位具有良好的可拓展性，目前项目组已通过室内试验成功验证 、级屈服锚索的可行性。（）双向调节预应力锚索技术虽从冻融环境提出，但其在滑坡抗震设计、大变形层状岩质滑坡、倾倒变形体的加固都有广阔的前景，尚需进一步开展加固机理研究。参考文献 ，：，（）：，（）：，（）：，工程地质学报 ：，：，（）：，：，（）：，（）：（）：，（）：，（）：，（）：，（）：郭红仙，宋二祥，陈肇元 季节冻土对土钉支护的影响 工程勘察，（）：，何满潮，郭志飚 恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用 岩石力学与工程学报，（）：李鹏 一种吸能 抗震锚杆：中国，李宗龙 川西高原川藏交通廊道季节性冻土分布规律及处置措施 成都：西南交通大学明治清，顾金才，张向阳，等 锚杆垫板形式对洞室抗爆效果的影响试验研究 岩土力学，（）：陶志刚，罗森林，朱淳，等 滑坡动态力学监测及破坏过程案例分析 工程地质学报，（）：陶志刚，任树林，郝宇，等 层状反倾边坡破坏机制及 锚索控制效果物理模型试验 岩土力学，（）：薛翊国，孔凡猛，杨为民，等 川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题 岩石力学与工程学报，（）：张勇，盛宏光，吴祥云，等 套筒挤压式屈服锚索静载试验研究 煤矿开采，（）：张媛，董建华，董旭光，等 季节性冻土区土钉边坡支护结构冻融反应分析 岩土力学，（）：，赵延凯，彭然，周家伟，等 季节性冻土深基坑支护技术研究 建筑结构，（）：中华人民共和国行业标准编写组 季节性冻土地区公路设计与施工技术规范（）北京：人民交通出版社 （）杨栋等：基于屈服装置 碟簧系统的双向调节预应力锚索