吉星剛
中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊
巖土錨固工程的力學概念分析
吉星剛
中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊
目前我國一些巖土錨固工程沒有明確的力學概念,運用了不合理的設(shè)計施工手段,使得錨桿無效,多次出現(xiàn)工程事故。分析了巖土錨固工程的力學概念,目的是為了獲得高水平的錨固工程的設(shè)計施工,指導(dǎo)錨固工程的安全進行,帶來更大的經(jīng)濟收入。
巖土;錨固工程;力學概念
我國地域廣闊,地質(zhì)條件復(fù)雜多變,工程建設(shè)力度逐漸加強,巖土錨固工程應(yīng)用更加深入。處在這種新環(huán)境中,部分巖土錨固工程力學概念并不明確,未合理設(shè)計,多次出現(xiàn)了錨桿失效等一些問題,引發(fā)了諸多錨固工程垮塌事故。綜合研究錨固工程穩(wěn)定性影響的設(shè)計施工因素并不多見。研究了與巖土錨固工程的力學概念有關(guān)的一些問題,更清晰地呈現(xiàn)錨固工程中一些干力學概念,獲得較高的巖土錨固設(shè)計施工水平,使錨固工程獲得良好的安全性,創(chuàng)收較大經(jīng)濟效益。
預(yù)應(yīng)力錨桿把拉力傳至合適巖土體中,通常構(gòu)成部分包括桿體自由段、桿體錨固段、錨頭。巖土中預(yù)應(yīng)力錨桿為后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)極具代表性,務(wù)必符合張控控制應(yīng)力所需。現(xiàn)階段各國對巖土錨桿標準做出認定,在滿足設(shè)計抗力要求過程中,相比鋼材標準極限抗拉強度,預(yù)應(yīng)力錨桿筋體的張拉應(yīng)力比其3/5較小。
預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段通過機械裝置將拉力傳至周圍地層。錨固段長度不斷增加時,錨桿抗拔承載力也相應(yīng)增加,由于基坑設(shè)計程序一定要有效計算錨桿錨固段長度。錨桿錨固段長度可凸顯黏結(jié)效應(yīng),無法使錨桿獲得較高的抗拔承載力,錨固段過長,不利成本節(jié)約,延遲了施工的進行,錯失施錨時機,給工程帶來負面影響。
預(yù)應(yīng)力錨桿桿體自由段,這種功能借助筋體張拉時的自由彈性伸長,提供張拉力,充分傳遞拉力,至錨固體附近地層中。錨桿自由段要充足,這點很重要,錨桿自由段的臨界破壞面一定要超過1.5m。錨桿錨固段距離潛在破壞面的距離充足時,使錨桿抗力更好地凸顯效果。另外,自由段長度足夠后,才能更好地把錨固段布置在良好抗剪強度的地層中,從整體上維持錨桿自由段的穩(wěn)定。自由端長度足夠長時,可減輕錨桿初始預(yù)應(yīng)力大范圍變動,防止底層位移增多時,影響傳遞載荷。為此。國外與我國對錨桿自由段長度做出規(guī)定,其長度位于4.5mm-5m。
通過下述三種形式,可使錨固體周邊巖土體具有較大的抗剪強度,明顯提升了復(fù)雜巖土層中錨桿的抗拔力。
①單孔復(fù)合錨固法可提高錨桿抗拔承載力。將兩個及以上單元錨桿設(shè)置字鉆孔內(nèi),每個單元的桿體錨固段與桿體自由段是獨立的,以張壓力施加于各單元錨桿后,讓地層間的黏結(jié)應(yīng)力與注漿體均勻分布,極大減少了應(yīng)力峰值,將錨固段周邊地層抗剪強度充分利用起來,通過這種方法使錨固體總長度不斷增加。
②后高壓注漿錨固法可提高錨桿抗拔承載力。將一些具有特殊裝置的錨桿桿體插入孔內(nèi),如,密封袋與袖閥管等,通過注漿槍將水泥漿灌注在錨桿錨固段,生成圓柱狀注漿體,達至5.0 MPa強度后,使用的高壓注漿漿液≥2.5 MPa,將初次注漿體開啟,于錨固段周邊實施擠壓與擴散,讓注漿體與地層間具備了良好的黏結(jié)強度,繼而極大提升了錨桿的極限抗拔力。
①強度應(yīng)力比較小圍巖位移的時效性特征。錦屏一級主廠房最大主應(yīng)力在30 MPa以上,具有較小的巖石強度應(yīng)力,開挖洞室,圍巖早期表現(xiàn)出較大的形變,在深度方向發(fā)展上,變形范圍寬,持續(xù)時間較長,加劇了圍巖變形。在這種圍巖條件下,被動的普遍水泥砂漿錨桿全部應(yīng)用于初期系統(tǒng)錨桿中,并不適合應(yīng)用于洞室開挖早期變形發(fā)展中,經(jīng)過三個月,一些測點位移在20 mm以上,經(jīng)過一年,位移在60 mm以上,位移并未有所穩(wěn)定。
②預(yù)應(yīng)力長錨桿拉力設(shè)計值較低。洞室圍巖強度應(yīng)力比小,經(jīng)過開挖,形變量越來越大,持續(xù)相當長一段時間,因為圍巖變形,導(dǎo)致錨桿拉力明顯變大,選取50%~60%錨桿拉力設(shè)計值,這是比較合適的。以極度降低初始預(yù)應(yīng)力值是行不通的,對大跨度高邊墻洞室而言,通常其預(yù)應(yīng)力錨桿的初始預(yù)應(yīng)力值在1500~2000 kN間,低強度巖體中的錨桿初始預(yù)應(yīng)力值則變小,數(shù)值約1000 kN,圍巖變形和支護抗力下,導(dǎo)致這種失衡現(xiàn)象更嚴重[2]。
5個月施錨,部分區(qū)段圍巖位移呈現(xiàn)等速發(fā)展趨勢??紤]到以上情況,需要多次使用增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿,以強化支護,穩(wěn)定圍巖變形,強度應(yīng)力比較小的一些巖體經(jīng)過開挖,其強度較小,其應(yīng)力–應(yīng)變特征的時效性較為明顯,不同時間段,這種實效性變化是不同的,在特定的兩個時間段內(nèi),剛度較低的支護特征和圍巖特征會存有曲線圖上的交叉點,表明二者能夠獲得平衡。支護具有柔性特征,使得比較低的壓力對支護體有所作用,而位移變動較大,圍巖隨時出現(xiàn)松散的情況,為此,一定要增設(shè)剛度與抗力足夠的錨桿支護,以獲得在第三時間內(nèi)兩者新的平衡。
現(xiàn)階段巖土錨固工程事故常有發(fā)生,對度巖土錨桿設(shè)計應(yīng)用中的力學概念問題做出如上分析,對自由段、錨桿錨固體、筋體潔面設(shè)計與錨桿承受的拉承載力關(guān)系,分別從預(yù)應(yīng)力筋截面面積設(shè)計、錨桿錨固段長度設(shè)計、自由段長度設(shè)計三個方面進行分析。對錨桿抗拔承載力的提高方法,從單孔復(fù)合錨固法、擴體擴頭錨固法、后高壓注漿錨固法進行分析。分析洞室圍巖過度變形與局部地段圍巖破壞因素時,從強度應(yīng)力比較小圍巖位移的時效性特征與預(yù)應(yīng)力長錨桿拉力設(shè)計值偏低做出分析??傊?,分析巖土錨固工程的力學概念,希望巖土錨固工程借助豐富的理論研究,更好地開展實踐工作。
[1]楊麗珍,張昕朗,孫鵬.巖土錨固工程的若干力學概念問題[J].中國建材科技,2016(3):153+160.
[2]程良奎,張培文,王帆.巖土錨固工程的若干力學概念問題[J].巖石力學與工程學報,2015(4):668~682.