岩土预应力锚固技术的进展_陈祖煜.pdf

岩土预应力锚固技术的进展陈祖煜,杨?健(中国水利水电科学研究院岩土工程研究所,北京?100044)摘?要:总结了岩土预应力锚固技术的发展历程,对岩土锚固机理、长期耐久性以及安全检测技术等预应力锚固关键技术问题目前的研究情况进行了论述;介绍了一种新型的预应力锚固体系?全程防锈分散压缩型预应力锚索体系,阐明其特点和优势,指出研制和开发新型锚索体系是提高岩土锚固工程安全性的根本途径;提出了预应力锚固技术研究发展的核心问题,阐明了岩土锚固技术的发展趋势。关键词:土木建筑结构;岩土锚固技术;新型锚索体系;发展趋势中图分类号:TV554?13?文献标识码:B?文章编号:1007-0133(2004)05-0005-06?1?岩土锚固技术发展历史回顾对于岩土锚固技术的应用和研究,已有 100 多年的历史。早在 1890 年,在北威尔士的煤矿加固工程中就开始用钢筋加固岩层;1905 年,在美国的矿山中也出现了类似的钢筋加固工程;但预应力锚索真正得到应用始于 20 世纪 30 年代。1934 年,法国在阿尔及利亚 Cheurfas 混凝土坝加高和缺陷处理中首次应用了 37 根 10 000 kN 的预应力锚索。此后,岩土锚固技术迅速发展,现在已普及到世界各国的露天矿的边坡加固、地下开采硐室的支护、水利水电工程中坝基的加固、高边坡的稳定的加固、土木建筑中的深基坑的支护等各个领域。据不完全统计,国外的各类岩石锚杆已达 600 余种,锚杆年使用量超过 2?5 亿根。从 20 世纪 50年代后期起,中国开始在矿山巷道中使用锚杆支护。1964年在梅山水库连拱坝左、右坝肩加固中,首次使用了预应力锚索。1986 年在重庆松澡矿务局金鸡岩滑坡治理中,应用了锚索抗滑桩技术并取得了成功。20 世纪 90 年代以来,锚索框架广泛应用于铁路、公路滑坡及高边坡治理中。大规模的边坡锚固工程,当始于漫湾水电站。漫湾水电站由于左岸滑坡,在 1990 1992 年对左岸成功布设了 2 000 余根 3 000 kN 的预应力锚索。这一工程实践极大地促进了中国岩土锚固技术的发展。随之,锚固技术开始在中国的矿山、冶金、水电、交通及土木建筑等领域内推广使用,其应用范围从坚硬稳定岩石发展到松软破碎岩体,由小巷道发展到大跨度硐室,由静荷条件发展到动荷条件,由基建工程发展到工程抢险和结构补强。近年来,锚索技术在文物加固中也得了较多的应用,取得了可喜的成果。回顾岩土工程预应力锚索发展的历史,大致经过以下几个过程。1?1?第一代有黏结无保护预应力锚索这一类型锚索体系由内锚固段、自由段和外锚固段组成,至今仍在中国绝大多数交通、水利水电等工程中应用。自由段的钢绞线用油脂保护,由于其防锈可靠性较差,几乎所有的工程最后都通过灌浆将自由段封死,因而此类锚索最终变为有黏结无保护型。图 1 为三峡船闸工程使用的预应力锚索的设计详图。这类锚索体系存在着以下缺陷:(1)由于锚索和内锚固段全部在裸露状态下被回填砂浆充填包裹,一旦回填砂浆体开裂,则在水的浸蚀下锚索极易锈蚀。(2)由于自由段用砂浆灌满,锚索无法随岩体变形,失去了自由调整的能力,降低了对边坡加固的效果。(3)此类锚索因需要形成 1 个预张拉的内锚头,故难以在向上打的钻孔中布置内锚头;同时,由于内锚头是在无压状态下形成的,故难以保证其注浆的密实性。根据调查,约有 10%的锚索内锚头存在或多或少的注浆不密实的质量问题。1?2?第二代无黏结双层保护锚索第二代锚索采用充防锈油脂的聚氯乙稀套管保护钢绞线,内锚固段和自由段一次灌浆;同时内锚固段还用波纹套管保护,以达到全程防水效果。中国在小浪底水电工程第一次大量使用这种形式的锚索(见图 2)。此类锚索弥补了第一代锚索的缺点:a.钢绞线在套管内可自由移动,使整个锚索体系?5?第 18 卷第 5 期?贵州水力发电GUIZHOU WATER POWER?2004年 10 月?收稿日期:2004-06-16作者简介:陈祖煜(1943-),男,浙江省镇海县人,高级工程师(教授级),工学博士,从事边坡和水工建筑物稳定分析研究工作;杨?健(1970-),男,上海市人,高级工程师,博士,从事地质工程与边坡工程研究工作。随着岩体变形,达到内力调整的目的;b.打上仰孔和保证注浆密实的问题也相应获得解决。近年来,中国水利水电系统逐渐使用了经保护的钢绞线(如小湾、紫坪铺等工程),但是由于中国尚无内锚固段波纹套管的技术标准和经技术论证的生产厂家,所以绝大多数的自由锚只能任内锚头裸露、直接与砂浆接触,而真正按国际标准生产的无黏结双层保护锚索大概仅在小浪底工程中应用过。图 1?三峡船闸工程使用的全长有黏结无保护预应力锚索图 2?小浪底工程采用的双层保护无黏结锚索1?3?压缩型、分散型无黏结新型锚索研究表明,锚索的内锚头在受拉时将在某一段内产生应力集中(见图 3),同时内锚头在拔出时产生的剪胀会导致内锚索砂浆固结段开裂。若采用压缩型、分散型的内锚头,则可以改善内锚头的应力状态、提高内锚头的可靠性,从而为减少内锚头的长度创造条件。2?预应力锚固技术的几个关键问题2?1?关于锚固机理的研究在锚固工作状态、失效环境和临界稳定条件的研究方面,国内外学者曾开展了大量的试验研究工作。2?1?1?关于内锚固段长度的研究传统的预应力锚索设计理论是假定内锚固段沿周边均匀提供抗拔力,此抗拔力全部由黏结力提供,因而内锚头长度 Ll按下式计算1Ll=kqm?DC式中:qm为锚索的超张拉力;D 为锚索孔直径;C 为胶结材料同孔壁的黏结强度;k 为安全系数。规范为不同的岩性提供了参考数值。?6?第 18 卷第 5 期?贵州水力发电?2004 年 10 月图 3?内锚头的受力状态?但是,国外学者对锚固机理的试验和研究表明,内锚头的抗力是由岩壁与钢绞线之间的摩擦力提供的(如图 4(a)示2),当钢绞线在外力作用下向外位移时,将发生剪胀现象,导致岩壁径向反力N 增大,直至回填的砂浆柱压碎(见图 4(b)。此时,阻止钢绞线拔出的力 T 为T=N tan(?i+?b)式中:?b为钢绞线与砂浆的基本摩擦角,?i为被绑成?枣核形?的钢绞线的起伏角。图 4?岩体锚固机理Kaiser(1992)2等根据这一理论,提出了钢绞线的抗拔力取决于:a.岩壁的弹性模量,因为它决定了 N;b.回填砂浆的抗压强度和弹性模量,因为它同时决定了砂浆柱最终被压碎的条件和 N;c.钢绞线的起伏度和粗糙程度。已有的大量试验工作同时也确认,内锚段的受力是极不均匀的,应力往往集中于某一局部,所以内锚固段并不是越长越好。Jarred 等进行的一系列试验就说明:当锚索长度达到一定值后,内锚固段提供的抗拔能力不仅不增加,还会减少8;1998年 Briaud和 Weatherby 在美国 ASCE 岩土工程学报上发表了以?Should grouted anchors have short ten-don bond length?为题的论文4中也提出:通过理论分析和现场试验,明确地提出过长的内锚头不仅无益,而且有害的。显然,对内锚头破坏机理的认识,不仅是一个纯学术问题。因为它关系到内锚头应该采取的合理形式,同时也指出了应该从哪几个方面进行改善(如提高回填砂浆强度和弹性模量、钢绞线粗糙度等)以提高内锚头的可靠性。2?1?2?现场试验了解内锚固段抗拔能力的最直接手段是进行现场试验,不少工程对此进行过现场破坏性试验。国家电力公司成都勘测设计研究院准达公司为了验证上述有关内锚头受力状态的理论,曾经在分散压缩型内锚头内安装传感器,通过现场测试来论证合理的内锚头形式 8。该试验共布置锚索 6 根(拉力型锚索 3 根、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索 3 根),每根长 50 m,试验拉力为 3 000kN,试验成果如下:(1)3 000 kN 级拉力型锚索应力曲线表明,锚固段应力主要为拉应力,分布在距离锚固段与自由段交界处 0?5 5 m 范围内,该处水泥结石体发生了破坏,而在此范围以外的应力分布则较小。(2)3 000 kN 级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索(锚头部分长约 3 m)的试验结果是:在锚头部分 0 4 m 范围内以压应力为主,同时还有一部分拉应力分布,说明此类型锚索应力分布为拉、压应力的复合分布,应力分布比较均匀。(3)3 000 kN 级拉力型锚索的拉应力分布,存在较大的应力集中区。三峡船闸高边坡也曾开展过锚索破坏性试验,试验采用的内锚头长度为 1 m,共进行了 6 个锚索的试验 5,结果如下:(1)在 3 个 1 000 kN 的锚索中,2 个在 1 600kN 时被破坏,其部位为外锚头夹片外的钢绞线;1个在 1 556 kN 时被破坏,其部位为内锚固段。(2)在3 个 3 000 kN 的锚索试验中,全部都在4 310 4 318 kN时被破坏,其破坏形式是钢绞线抽丝。上述试验成果说明,内锚头抗拔力具有较大的超?7?陈祖煜,等:岩土预应力锚固技术的进展?2004 年第 5 期载能力,故目前在工程中普遍采用的内锚固段长度(一般为 6 12 m)属偏大,具有较多的优化可能性。2?2?关于锚索体系耐久性问题的研究在锚索体系耐久性问题的研究方面,虽然国际上对预应力锚索体的腐蚀破坏机理和防腐处理方法进行了全面的研究,但由于预应力锚索在高应力条件下的腐蚀过程比较复杂,故尚没有提出成熟的防腐处理方法6。目前,对锚索腐蚀问题调查工作做得比较全面的文献记载是法国联邦预应力协会(Federation In-ternationale de la Precontrainte)对 35 个锚固件腐蚀情况的调查。这一次调查的主要结果是7:(1)腐蚀和锚固件类型无关。35 个锚固件中有 9 个发生于锚杆,有 19 个发生于钢丝,有 8 个发生于钢绞线。(2)锈蚀发生的时间为:有 9 个发生在 6 个月内;有 10 个在 6 个月至 2 年内;有 18 个在 2 31年内。(3)发生破坏的部位为:发生于外锚头的为19 个,发生于锚索自由段的为 20 个,在内锚头破坏的有 2 个。(4)调查结果不支持这样的观点:增加锚杆体的直径可以延长寿命、抗腐蚀。虽然不可能用单一的参数全面地反映锚索腐蚀的风险,但现已明确:锚索(锚杆)体的腐蚀在本质上可以分为化学的、电化学的和(或者)微生物的这3种影响类型。Eyre 和 Lewis 提出了一种综合评价的方法来确定锚索所处土层的侵蚀性,从而为锚索体的防腐处理提供了基本依据7。这项技术为:对每个现场量测到的参数赋值,然后将各项的总和确定为土层侵蚀性的评判指标(见表 1)。作为现场勘查的一部分,初步试验应该包括表 1 中部分 1所列所有项;如果这些试验的结果总和是临界值,即在-1-4 之间,则需进行部分 2 所列的各项试验的分析。表 2 为锚杆所处土层整体侵蚀值和侵蚀定性分类的对比。3?一种新型的预应力锚固体系在国家?948?项目支持下,中国水利水电科学研究院于 2003 年 9 月引进了韩国三友公司的分散压缩型锚索生产线(图 5)。目前,这种新型的分散压缩型预应力锚索体系在韩国、日本等国家已得到广泛应用,主要用于高速公路、铁路、水利水电、工业民用建筑基础等工程中的高边坡支护工程。表 1?土层侵蚀性整体评价的各项因素(Eyre 和 Lewis,1987)7因素分类因素项目测量特征数值部分 1部分 2土的分类地下水电阻率/?cm含水量/%(按重量计)pH 值可溶硫酸盐/(?10-6)煤渣、焦煤或人工填土氧化还原电位/mV硫化物碳酸盐氯化物/(?10-6)(?)对通过 425?m 孔径筛的土 体,其中 通过 63?m 孔径筛的土体重量不超过 10%;塑性指数 2。(?)通过 63?m 和 2?m 孔径筛的土体重量分别不超过 75%和 10%;对通过 425?m 孔径的筛的土的塑性指数 6。(?)所有土通过 425?m 孔径筛;塑性指数 15。(?)所有土通过 425?m 孔径筛;塑性指数?15。(?)机质含量按重量计算?0?2%。(?)锚索安装地区排水良好(?)锚索安装地区排水条件差3 000 R?10 0001 000 R?3 000100 20pH?6pH 6SO4?200200 SO4?500500 1 000无有RP?400400 RP?200200 RP?0RP 0无遗迹现存强强现存有遗迹Cl?5050 Cl?250250 Cl?500500 Cl+20-2-4-4+1-1-1-2-3-40-10-20-1-2-30-4+20-2-40-2-3-4+2+100-1-2-4?8?第 18 卷第 5 期?贵州水力发电?2004 年 10 月表 2?土壤的整体侵蚀性评价整体侵蚀性的代表值定性分类0 或大于 0可能无侵蚀性-1-4轻度侵蚀-5-10侵蚀-11 或小于-11高度侵蚀图 5?新型分散压缩型锚索生产线?这一新型锚索体系除了具备以往锚索的全部优点以外,还增加了以下重要特点:(1)内锚头抗拔力是由几个互不相关的独立构件提供的(图 6)。锚固力均匀地分散在内锚头的全长中,这样就大大提高了锚索的承载力和可靠性。这一体系同时也为降低内锚头的长度创造了条件。图 6?2 000 kN 分散压缩型无黏结锚索结构图(2)锚索内锚头墩头采用了专用的注油脂密封圈的防水结构(图 7),外锚头也使用了密封圈防水,整个锚索体系全程防锈,大大延长了锚索的使用寿命。(3)采用一次性注浆回填工艺。可通过加压注浆改良钻孔周围岩体,并确保内锚头注浆密实。使用这一工艺可以安装上仰和垂直向上的锚索。(4)工厂化生产,充分保证产品质量。传统的岩体预应力锚索是在现场露天条件下由非专业人员绑扎而成的,难以保证锚索的质量。本产品在工厂的流水线上由经过专门培训的技工生产,整个制作过程按严格的操作规程进行,全过程录像。图 7内锚头防锈防水结构?(5)锚索以成卷产品向现场提供(图 8),使用吊车插入钻孔中,改变了传统的数十人肩扛手提的劳作模式,安装过程快速方便,提高了工作效率。这一优点对公路边坡抢险施工尤为重要。图 8?锚索以成卷产品向现场提供显然,新型锚索体系将会有效地提高边坡锚固的安全性和长期有效性,为中国岩土工程预应力锚固技术的进步发挥重要作用。新型全程防锈分散压缩型预应力锚索体系与传统的锚索体系相比,在结构性能、受力状态、长期耐久性和安全性等方面均具有明显突出的优点。研制和开发新型锚索体系是提高边坡锚固工程安全性的根本途径。目前,中国水利水电科学研究院正在吸收、消化和改造由国家?948?项目引进的分散压缩型预应力锚索的技术,将建成 1 个日生产能力达 30 万 t 的生产线,同时研制开发 1 套小型、机动的现场锚索生产线,形成专利产品。期待通过不断的连续创新性研究,使中国岩土锚固技术在结构、性能、施工工艺和长期有效性等方面赶上国际先进水平,使中国的岩锚技术登上一个新的台阶。4?发展趋势展望纵观中国岩土锚固技术的研究现状,站在科技?9?陈祖煜,等:岩土预应力锚固技术的进展?2004 年第 5 期发展的前沿,紧密结合中国各项工程建设的特点和迫切需要,展望岩土锚固技术的发展趋势,今后的科研工作将主要集中在以下几个方面:(1)建立起岩土体边坡锚固失效模式和临界技术指标;(2)发展新的锚固工程安全性检测技术;(3)完善锚固工程安全性评价方法;(4)提出锚固工程失效后的处治方法;(5)制定边坡锚固安全评价技术标准和相应的规范;(6)开发研制新型全程防锈压缩分散型预应力锚索体系。通过上述研究工作,将在岩土预应力锚索的加固机理、设计方法、施工手段和安全评价方面提出新的理论和技术,开发出更加安全可靠的新型锚索体系。这里,特别要强调制定相岩土锚固安全评价技术标准的重要性。在推广预应力锚索过程中,将面临效益和经济比较的问题,在设计规范中,应该对不同的锚索体系规定不同的分项系数,使可靠度和长期有效性高的锚索在设计优化过程中真正体现出经济效益,以促进新型高效锚索在岩土锚固界的推广和应用。参考文献:1 SL212-98,水工预应力锚固设计标准 S.2 Kaiser,P.K,Yazici,S.,and Nose,J.1992,Effectof stress change on the bond strength of fully grouted cablesJ.Int.i Rock Mech.Min.Sci.&Geomech.Ab-str.,29,293-306.3Jarred,D.J.and Haberfield,C.1997.Tendon/Ground interface performance.Ground anchorages andanchored structures M.T homs T elford.London.3-14.4 Briaud L.and Weatherby,D.E.Should grouted an-chors have short tendon bond length?J.1998,ASCEJournal of Geptechnical and environmental Engineering,ASCE.124:2,110-119.5 长江水利委员会三峡工程代表局.长江三峡水利枢纽岩锚支护现场试验报告 R.1996.6 赵长海,董在志,陈群香.预应力锚固技术 M.北京:中国水利水电出版社,2001.7 Littlejohn,S.1992.Ground anchorage technology-aforward look A.Grouting,soil improvementandGeosynthetics C.Vol.163-107.Geotechnical SpecialPublications,No.30.ASCE.8 四川省紫坪铺开发有限责任公司,四川准达岩土工程公司.自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索研制与应用 R.2000.Development of Prestress Anchor Technology in Rock-soil EngineeringCHEN Zu-yu,YANGJian(Rock-soil Engineering Institute,China Academy of Science&Research For Conservancy&Hydropower,Beijing,100044,China)Abstract:The article reviewed the development history of prestress anchor technology in rock-soil engineering,narrated key technology problems of prestress anchor such as rock-soil anchor mechanism,durability in longtime,safety detection technology,and etc.,and research status in recent years,introduced a new anchor sys-tem,ant-i rust in whole cause and scattered compression one,and its features and advantages.The writer alsopresents the essential way improving security of rock-soil anchor engineering is researching and developing newanchor cable system,as well as what is the key problem of research and development of prestress anchor tech-nology,expounds the development trend of anchor technology in rock-soil engineering.Key words:civil structure of building,rock-soil anchor technology,new anchor cable system,developmenttrend贵阳院 4 个项目获 2004 年度贵州省?四优奖?贵州省 2004 年度?四优奖?项目评选结果近日揭晓,中国水电贵阳勘测设计研究院申报的 4 个项目全部榜上有名,其中:?甘肃黑河龙首水电站工程设计?、?江西柘林水电站扩建工程设计?分别获得贵州省第十三次优秀工程设计一等奖和二等奖;?江西柘林水电站扩建工程勘察?、?南盘江天生桥二级水电站隧洞安全检测?均获得贵州省第十次优秀勘察一等奖。(中国水电贵阳勘测设计研究院:张晋秋供稿)?10?第 18 卷第 5 期?贵州水力发电?2004 年 10 月