呂小剛（福建省閩武長城巖土工程有限公司）

試論預應力錨索加固巖體的機理分析和數(shù)值計算

呂小剛（福建省閩武長城巖土工程有限公司）

在現(xiàn)代工程建設中，巖土工程，尤其是巖土工程的穩(wěn)定性問題長期以來就受到社會各界的廣泛關注。在實際的巖土工程施工建設中，預預應力錨索的結構性能決定了巖土工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性。本文正是以預應力錨索出發(fā)點，研究預應力錨索加固巖體的機理分析和數(shù)值計算，旨在促進現(xiàn)代巖土工程的不斷發(fā)展和深化。

預應力錨索；加固巖體；巖土工程

巖土工程的穩(wěn)定性是巖土工程建設施工過程中最大的影響因素，巖土工程的穩(wěn)定性不僅決定了巖土工程的質(zhì)量，而且還直接決定了巖土工程人員的人身安全，因此，巖土工程的穩(wěn)定性優(yōu)化對于現(xiàn)代工程建設的發(fā)展具有舉足輕重的作用。預應力錨索加固技術是現(xiàn)階段巖土工程加固巖體的主要應用技術。本文就預應力錨索加固巖體技術做出探討，研究預應力錨索加固巖體技術的發(fā)展，旨在促進錨索加固巖體技術在現(xiàn)代巖土工程中的應用發(fā)展。

1 預應力錨索機理概述

1.1 預應力虧損機理概述

預應力錨索虧損機理主要包涵三個方面的內(nèi)容：鋼絞線松弛預應力虧損；灌裝體預應力虧損；錨索張拉系統(tǒng)預應力虧損。

鋼絞線松弛預應力虧損指預應錨索在長期的工作負荷狀態(tài)下，錨索鋼絞線出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象，錨索鋼絞線松弛現(xiàn)象會埋下重大的安全隱患，一旦錨索鋼絞線斷裂，就有可能引發(fā)重大的安全事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。通常情況下鋼絞線的松弛時間都比較漫長，有著數(shù)十年的松弛時間，因此造成了松弛實驗的難度。對于鋼絞線松弛的機理研究，現(xiàn)階段的鋼絞線松弛實驗多采用1000h的松弛率制定標準。鋼絞線除鋼絞線的物理屬性以外，鋼絞線的松弛度還受到鋼絞線初始應力的影響。

灌漿體預應力虧損主要是指錨索固段灌漿體在錨索長期負荷的狀態(tài)下，受到各種外力的影響，發(fā)生裂紋擴張擴時灌漿體發(fā)生變化的情況，這種變化稱為徐變，徐變會很大程度地影響灌漿體的性能。因此在實際的預應錨索在巖土工程中的應用過程要注意灌漿體徐變引起的預應力虧損，從而影響預應力錨索在巖土工程中工作效率。

張拉系統(tǒng)引起的預應力虧損主要是油泵和千斤頂構成。在實際的工作過程中，張拉系統(tǒng)的預應力主要依靠工程經(jīng)驗以及實際情況來計算，由于張拉系統(tǒng)引起的摩擦阻力引起的預應力虧損在2～4%之間，在這個過程中，油壓表的拉力值比錨索鋼絞線的實際壓力要大，因此在張拉系統(tǒng)的工作過程中，就要以張拉值油壓表為基礎，考慮張拉系統(tǒng)的應力虧損因素［1］。

2 改善預應力錨索性能的措施

2.1 改善預應力錨索應對自然因素性能的措施

在預應力錨索巖土加固工程中，自然因素對預應力錨索加固工程有著強烈的影響。在自然因素中，對預應力錨索加固工程最為明顯的就是降水。降水主要影響預應力錨索巖土加固工程的巖體滲透度、巖土斷層破裂帶以及巖體裂隙發(fā)育部。隨著降雨量的增加，降雨對預應力錨索加固巖土工程的影響也隨之增強。在降雨過程中，雨水會使得巖土內(nèi)部結構變得松散、使得巖體水位升高，嚴重影響巖土內(nèi)部結構的性能。因此在具體的預應力錨索巖土加固過程中，要制定相關制度，增強巖土工程的防水措施，有效減少雨水大量滲入巖土工程內(nèi)部。

2.2 改善預應力錨索鋼絞線松弛的性能措施

鋼絞線是組成預應力錨索的重要內(nèi)容，在預應力錨索巖體的預應力虧損過程中，鋼絞線松弛不僅會影響錨索的預應力虧損，影響巖土加固工程的質(zhì)量，而且還會埋下重大的安全隱患，因此改善鋼絞線的松弛性能具有重要意義。

改善鋼絞線的松弛性能首先就要選擇合適的錨具，在錨具的選擇方面，盡可能選擇低松弛率、高強度的錨具，盡可能降低錨索孔軸線與孔口導向管的偏差，從而提升錨索的錨固能力。其次還要增強鋼絞線的設計性，保證鋼絞線的科學合理，根據(jù)具體的情況，不斷地進行張拉實驗，檢測、評估預應力錨索的相關性能。采用科學的分級多次張拉技術，平衡鋼絞線的受力狀態(tài)，降低預應力的虧損。

2.3 改善灌漿體質(zhì)量措施

灌漿體質(zhì)量和巖土節(jié)能性能改善是增強預應力錨索，改善錨索性能的重要內(nèi)容，灌漿體質(zhì)量的改善可以增強錨錨索固工作的質(zhì)量。要增強錨錨索固工作質(zhì)量主要從以下兩個方面入手：①嚴格按照相關規(guī)范和質(zhì)量標準進行施工作業(yè)，按照相關比例配比調(diào)漿，做好固結灌漿和錨孔灌漿工作，提高巖土穩(wěn)定性。②對于節(jié)理發(fā)育或裂隙比較嚴重的巖體，要采用特殊的的灌漿方式進行工作，比如滲透灌漿、壓密灌漿，改善錨錨索固段的性能，改善錨固周圍巖體的力學性能，推動灌漿工作發(fā)展，使得灌漿工作發(fā)展符合實際的發(fā)展需要［2］。

3 預應力錨索加固巖體的數(shù)值計算

3.1 無限元計算方法在巖土工程中的應用

無限元計算方法是巖土工程較為流行的一種計算方法。在巖土工程的數(shù)值計算中，會出現(xiàn)各種復雜的情況，比如出現(xiàn)半無限域或全無限域的情況。錨錨索頭屬于半無限域范疇，而錨固段計算屬于無限域計算范疇。

在無限元計算過程中，應用近似的數(shù)值方法模擬無窮的邊界成為影響和阻礙無限元計算的主要問題。目前大多數(shù)無限遠數(shù)值計算方法，多采用遠距離去模擬近似無限的邊界條件。如果邊界設置得過遠，則會造成數(shù)值方法近似的難度，造成單元數(shù)猛增。反之，當人工設置的邊界遠距離不夠時，會出現(xiàn)一定的誤差。為了解決這種問題，多維無限遠方法應用而生。如今的無限元計算方法已經(jīng)發(fā)展到三維、雙向映射數(shù)值計算。無限元計算方法在實際的預應力錨索加固工程有著很強的應用性，它不僅能夠減輕工作任務量，提高工作實際，而且還能提高計算精度。

無限元計算方法在預應力錨索錨固周邊巖體的受力計算應用較多，取預應力錨索預應力為2000kN，巖體的泊松比為0.23，彈性模量E=2×102MPa，假設錨固段的預應力直接作用在錨索中心對應節(jié)點上。根據(jù)1/4模型進行計算，球邊邊界半徑取數(shù)值為50m的球面，單元劃分計算模型如圖1所示，計算結果如圖2所示。

圖1 預應力錨索計算模型網(wǎng)格劃分

圖2 無限元計算錨固段位移結果

從以上結果可以看出錨索預應力錨固段周邊巖體主要以預應力作用點為中心發(fā)生位移作用，位移以作用中心點呈指數(shù)形式衰減，在錨固段周邊行成紡錘形的位移錐，因此錨固段周邊巖體的應力狀態(tài)也是錐形的。在實際的錨索錨固周邊巖體的受力計算中，無限元計算方法不僅可以計算出相應的受力狀態(tài)，繪制受力模型，而且還能計算出具體的受力數(shù)值，使得施工人員對錨索錨固周邊巖體的受力狀態(tài)有全面、清晰的了解，促進錨索巖土工程的增強。

3.2 常見的多維無限元計算方法

在現(xiàn)代預應力錨索巖土工程數(shù)值計算過程中，常見的數(shù)值計算有兩種，預應力錨索錨頭的三維無限元計算、預應力錨索錨固段的三維無限元計算。

從預應力錨索錨頭的三維無限元計算來說，三維無限元計算多用于預應力錨索錨頭周邊巖體的附加應力計算。預應力錨索周邊巖體的附加應力數(shù)值計算方式主要根據(jù)對稱性1/ 4模型進行計算，按照球形半徑取一定的單元格。在錨索固段的三維無限元計算，預應力錨索錨固段周邊巖體的數(shù)值計算方法與錨索錨頭的周邊巖體附加應力計算方式一樣。與預應力錨索錨頭的數(shù)值方法不同的是錨索錨固段的應用力數(shù)值計算方法，錨索錨固段的應用力的多維無限數(shù)值計算方法的三維節(jié)點要明顯多于錨索錨頭段的應用力計算方式。

4 結束語

預應力錨索錨固技術廣泛的應用于巖土加固工程中，它可以有效提高巖土的結構性能，改善巖土的應力狀態(tài)。在實際的預應力錨索巖土加固工程中，預應力錨索錨固機理分析和數(shù)值計算方法十分復雜，這就要求從業(yè)人員不斷地學習科學文化知識，不斷地分析了解預應力錨錨索固工程的機理和數(shù)值計算方法，改善相關技術和方法，促進巖土加固工程的發(fā)展。

［1］王艷芬.預應力錨索加固巖體的機理分析和數(shù)值計算［D］.華中科技大學，2011.

［2］許有飛.壓力（分散）型錨錨索固機理及工程應用研究［D］.四川大學，2015.

TU45

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