預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨段粘結(jié)強(qiáng)度及長(zhǎng)度的確定

1、預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨段粘結(jié)強(qiáng)度及長(zhǎng)度的確定     摘  要：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)30余例錨固工程試驗(yàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析，在討論影響巖體與錨固體間粘結(jié)強(qiáng)度因素的基礎(chǔ)上，提出了確定預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段與巖體間粘結(jié)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為便于設(shè)計(jì)人員確定內(nèi)錨段長(zhǎng)度，建立了內(nèi)錨段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)系數(shù)圖實(shí)例計(jì)算表明，所提供的確定方法與巖錨試驗(yàn)結(jié)果較為吻合關(guān)鍵詞：錨索；粘結(jié)強(qiáng)度；內(nèi)錨固段；設(shè)計(jì)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主要手段，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(jì)中，內(nèi)錨固段長(zhǎng)度的確定是其十分重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員通常從以下3個(gè)方面來(lái)考慮：預(yù)應(yīng)力鋼

2、絞線是否從水泥漿或水泥砂漿中抽出；鋼絞線是否斷裂；內(nèi)錨固段是否沿孔壁滑移前兩個(gè)方面，由于試驗(yàn)較易，費(fèi)時(shí)較少，通常可以從室內(nèi)試驗(yàn)求得但是，內(nèi)錨段是否會(huì)從孔壁中抽出只能憑現(xiàn)場(chǎng)巖錨試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)確定，故常需要花費(fèi)大量的人力與財(cái)力因此，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)巖體與錨體間的粘結(jié)強(qiáng)度合理取值，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了一些相關(guān)研究，如英國(guó)小約翰根據(jù)某些代表性巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，提出了巖石與灌漿體間粘結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值；Serrano和Olalla1，2等根據(jù)HoekBrown準(zhǔn)則推導(dǎo)了群錨破壞條件下的巖錨極限粘結(jié)強(qiáng)度Cult的經(jīng)驗(yàn)公式；我國(guó)長(zhǎng)江科學(xué)院韓軍3等提出了按巖石強(qiáng)度等級(jí)確定的錨固體與巖體粘結(jié)強(qiáng)度的建議值上述諸多方法，

3、為確定巖體與錨固體間的粘結(jié)強(qiáng)度提供了一種簡(jiǎn)便的方法，但未能考慮巖體中結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)與發(fā)育程度、內(nèi)錨段灌漿作用等因素對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，與實(shí)際工程需要相比尚有一定差異不同巖體中實(shí)施的大量巖錨試驗(yàn)，積累了豐富的試驗(yàn)資料，為建立經(jīng)驗(yàn)公式提供了詳實(shí)的統(tǒng)計(jì)依據(jù)，使建立粘結(jié)強(qiáng)度與巖體性質(zhì)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系成為后繼工程減少巖錨試驗(yàn)的又一重要的途徑本文通過(guò)大量巖錨試驗(yàn)資料分析，結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)，從分析影響粘結(jié)強(qiáng)度眾多因素入手，提出了確定巖錨粘結(jié)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)方法，并建立巖體質(zhì)量與粘結(jié)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)人員提供一種簡(jiǎn)便的方法，期望對(duì)確定粘結(jié)強(qiáng)度的方法有所改進(jìn)1影響巖錨粘結(jié)強(qiáng)度的因素現(xiàn)場(chǎng)巖錨試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，影

4、響粘結(jié)強(qiáng)度的因素主要有以下幾個(gè)方面11巖石干抗壓強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度的相關(guān)性分析大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，堅(jiān)硬、力學(xué)強(qiáng)度高的巖石如花崗巖具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度；而軟弱、力學(xué)強(qiáng)度較低的巖石，在相同的膠結(jié)材料時(shí)具有較低的粘結(jié)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)小浪底、漫灣、隔河巖等30余例巖錨工程的120束代表性錨索拉拔試驗(yàn)資料進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度與相應(yīng)內(nèi)錨段完整巖石干抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析（圖1），得到兩者間的相關(guān)關(guān)系式：（1）式中：為完整巖石與錨固體間的粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa圖1巖錨粘結(jié)強(qiáng)度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線12結(jié)構(gòu)面特征對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響    巖體與錨固體間的粘結(jié)強(qiáng)度尚與巖體

5、中分布的結(jié)構(gòu)面性質(zhì)有關(guān)為進(jìn)一步探索結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及性質(zhì)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，筆者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)選取了灰?guī)r、砂巖、花崗巖及片麻巖等四類(lèi)弱風(fēng)化微風(fēng)化巖石（保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性），根據(jù)不同結(jié)構(gòu)面的幾何性質(zhì)分別模擬錨索的工作機(jī)理進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，將試驗(yàn)后的巖塊作結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、結(jié)合程度的描述，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度以結(jié)構(gòu)面間距衡量，結(jié)合程度則以結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度、填充物來(lái)表示試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)于同類(lèi)巖體，結(jié)構(gòu)面間距、張開(kāi)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響尤其顯著，將所有的試驗(yàn)資料按結(jié)構(gòu)面間距和張開(kāi)度分別統(tǒng)計(jì)其對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，得到相應(yīng)的影響系數(shù)見(jiàn)表1和表2 13漿體強(qiáng)度特性目前，工程上通常采用純水泥漿與水泥砂漿作為巖錨的注漿材料針對(duì)

6、這兩種材料，長(zhǎng)江科學(xué)院結(jié)合三峽工程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，相同巖體條件下，不同注漿材料漿體與巖體間的粘結(jié)強(qiáng)度有所差異（表3）水泥砂漿與巖體間的粘結(jié)強(qiáng)度比純水泥漿與巖體的粘結(jié)強(qiáng)度略高14施工質(zhì)量施工質(zhì)量對(duì)巖體與錨固體的粘結(jié)強(qiáng)度也有一定的影響對(duì)工程規(guī)模巨大，要求較高的大噸位預(yù)應(yīng)力錨索，一般要求鉆孔后用高壓風(fēng)進(jìn)行吹渣，后用清水洗孔當(dāng)巖體較破碎時(shí)，壓力注漿可以提高巖體的整體性及粘結(jié)強(qiáng)度但迄今為止，還沒(méi)有相關(guān)的錨索質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，對(duì)施工質(zhì)量也未有較好的檢測(cè)方法，故本文建議，通過(guò)取一折減系數(shù)R3來(lái)考慮施工質(zhì)量對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，R3可根據(jù)巖體質(zhì)量、施工單位的信譽(yù)綜合確定2用綜合因素法確定巖錨粘結(jié)強(qiáng)

7、度從以上分析可知，巖體與錨固體間的粘結(jié)強(qiáng)度不僅與完整巖石的抗壓強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)巖體中結(jié)構(gòu)面間距，張開(kāi)度及填充物、漿體性質(zhì)與施工質(zhì)量對(duì)強(qiáng)度均有一定的影響因此，綜合以上4個(gè)方面的因素，確定粘結(jié)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為式中：C1為巖體與錨固體間粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；K1，K2為考慮結(jié)構(gòu)面張開(kāi)度、填充物對(duì)粘結(jié)強(qiáng)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)法確定巖錨粘結(jié)強(qiáng)度31基本質(zhì)量指標(biāo)確定的巖錨粘結(jié)強(qiáng)度由于綜合因素法較難獲得R3，為工程應(yīng)用的方便，擬尋求用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)來(lái)確定巖錨粘結(jié)強(qiáng)度的方法巖體基本質(zhì)量指標(biāo)是我國(guó)實(shí)施巖體質(zhì)量分級(jí)的重要依據(jù)，該指標(biāo)基本反映了巖體的強(qiáng)度與

8、完整性，可以用來(lái)確定巖錨粘結(jié)強(qiáng)度的大小，質(zhì)量好的巖體對(duì)應(yīng)的巖體與錨固注漿材料間的粘結(jié)強(qiáng)度高因此，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)一些錨索工程的實(shí)例分析，得到由巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ確定粘結(jié)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式（式（3），相關(guān)曲線如圖2所示式中：為采用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)確定的巖體與錨固體間粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，其值由BQ90 Rc250 KV確定，Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度值，KV為完整性系數(shù)，可參照文獻(xiàn)4確定 32錨根效應(yīng)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的修正現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)套鉆觀察表明，高壓注漿狀態(tài)下（注漿壓力大于05 MPa），錨固段巖體裂隙特征對(duì)錨固粘結(jié)力有一定的影響5，對(duì)于無(wú)充填的張性結(jié)構(gòu)面，在高壓注漿條件下，漿液沿裂隙充填

9、，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)確定的巖體與錨固體間粘結(jié)強(qiáng)度的公式中，未考慮這一影響，故需作進(jìn)一步修正，其修正公式式（5）可通過(guò)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(kāi)度大于1 mm且無(wú)充填的張性裂隙數(shù)量，可由鉆孔裂隙統(tǒng)計(jì)得到；ti為單條張裂隙的寬度，mm；為水泥砂漿或純水泥漿的抗剪強(qiáng)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(qiáng)度為式中：C2為考慮錨根效應(yīng)修正的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；C2為由巖體基本質(zhì)量指標(biāo)確定的巖體與錨固體間粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；L為內(nèi)錨固段長(zhǎng)度，m；其它符號(hào)同上在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，一般很難取

10、得每一束錨索的錨根段巖體的結(jié)構(gòu)面分布，故可將錨根效應(yīng)作為安全儲(chǔ)備項(xiàng)而不計(jì)入設(shè)計(jì)參數(shù)中 4內(nèi)錨段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)包括錨固荷載大小、錨孔直徑及內(nèi)錨固段長(zhǎng)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確定，錨孔直徑由錨索噸位及鋼絞線數(shù)量確定，而內(nèi)錨固段長(zhǎng)度主要依賴(lài)于設(shè)計(jì)安全系數(shù)、錨孔直徑、錨固荷載大小及粘結(jié)強(qiáng)度的大小因此，假設(shè)一長(zhǎng)度設(shè)計(jì)系數(shù)K0，內(nèi)錨固段長(zhǎng)度L就可以由式（6）確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(zhǎng)度設(shè)計(jì)系數(shù)K0圖（圖3），設(shè)計(jì)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）確定內(nèi)錨固段長(zhǎng)度L：式中：K0為內(nèi)錨固段

11、長(zhǎng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，mmkN，可由圖3查得；K為錨索設(shè)計(jì)所采用的安全儲(chǔ)備，根據(jù)工程等級(jí)、荷載大小及錨根效應(yīng)確定，一般取值為2530；P為設(shè)計(jì)單束錨索承載力，kN5工程實(shí)例三峽永久船閘高邊坡，設(shè)計(jì)采用了2 450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(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)巖錨試驗(yàn)，得到錨固體與巖體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為185212 MPa根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)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(qiáng)度Rc，RMR及巖體基本質(zhì)量BQ，見(jiàn)表4現(xiàn)按本文提出的兩種方法對(duì)其進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算并校核3000 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索的內(nèi)錨段長(zhǎng)度，按綜合因素法求得C1216 MPa，考慮錨根效應(yīng)按巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ計(jì)算的粘結(jié)強(qiáng)度為C2189 MPa，后者基本符合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于3000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，安全儲(chǔ)備為25，若設(shè)計(jì)孔徑為165 mm，內(nèi)錨段巖體質(zhì)量指標(biāo)為600，從圖3中查得K0為0001 1，則計(jì)算得到的內(nèi)錨段長(zhǎng)度為825 m，實(shí)際施工采用的內(nèi)錨段長(zhǎng)度為80 m，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合由于綜合因素法較難考慮施工因素的影響，計(jì)算值比實(shí)際值略大，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可按兩者分別計(jì)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(jì)需要錨索運(yùn)行情況良好