巖土錨固安全評價與處治技術(shù)研究

1、巖土錨固安全評價與處治技術(shù)研究報告簡本1、引言“巖土錨固安全評價與處治技術(shù)研究”系2004年交通部西部交通建設(shè)科技項目。項目的立項主要基于以下背景：（1）作為隱蔽工程，如何評價邊坡錨固工程的施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求，實踐中雖然通過驗收試驗及長期監(jiān)控的手段來控制，但卻存在國內(nèi)外尚未解決的如何根據(jù)獲得的資料來判斷工程質(zhì)量的問題。（2）在缺乏資料與數(shù)據(jù)的情況下，如何評價錨固工程的質(zhì)量及安全、如何找出工程隱患和評價其危害程度以及如何處治這些工程隱患是巖土工作者必須面對和解決的課題。（3）邊坡巖土錨固技術(shù)作為一種先進(jìn)但非永久的支護(hù)手段，它的使用壽命關(guān)系到人類千百萬工程及子孫后代的安危。探求錨的安全性評價

2、及檢測方法、研究邊坡巖土錨固中錨失效后對邊坡穩(wěn)定性的影響及其綜合處治技術(shù)等課題的研究迫在眉睫。（4）滯后的理論研究導(dǎo)致施工中或完工后都出現(xiàn)了不同程度的錨固路塹邊坡失穩(wěn)事故。錨固路塹邊坡破壞后既阻塞交通，給國家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，又破壞環(huán)境景觀和生態(tài)平衡。在此背景下，交通部科技教育司和重慶交通科研設(shè)計院于2004年7月簽訂了科研合同，擬定由重慶交通科研設(shè)計院牽頭的競標(biāo)聯(lián)合體承擔(dān)“巖土錨固安全評價與處治技術(shù)”項目的研究。2、主要研究內(nèi)容經(jīng)過課題組三年多的努力，完成了邊坡巖土錨固的安全狀況及工程地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查、錨固失效模式和臨界技術(shù)指標(biāo)研究、錨固安全性檢測和評價方法研究、錨固失效對邊坡穩(wěn)定性

3、的影響研究、錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)研究等多項研究成果，形成了具有實用價值的巖土錨固安全評價與處治的成套技術(shù)。2.1 邊坡巖土錨固的安全狀況及工程地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查對調(diào)研的86個錨固邊坡工程實例工點(diǎn)，按其安全性狀況的差異分為以下四種情況：安全、基本安全、欠安全和不安全。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有43個工程工點(diǎn)為安全的工點(diǎn)，所占比例為50%；有28個工程工點(diǎn)為基本安全的工點(diǎn)，所占比例為33%；有11個工程工點(diǎn)為欠安全的工點(diǎn)，所占比例為13%；有4個工程工點(diǎn)為不安全的工點(diǎn)，所占比例為5%。 錨固結(jié)構(gòu)不合理（云南楚大高速公路）圖1 基本安全邊坡錨固典型工點(diǎn) 坡體及錨孔滲水（貴州貴新一級公路）圖2 欠安全邊坡錨固典

4、型工點(diǎn)邊坡鼓脹變形、錨梁破壞致錨索外露（重慶渝黔高速公路）圖3 不安全邊坡錨固典型工點(diǎn)通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)公路邊坡采用主動錨進(jìn)行加固的主要巖土體對象有三大類：軟巖類土質(zhì)邊坡、順層巖體邊坡、碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡，其中尤以軟巖類土質(zhì)邊坡最為典型。2.2 錨固失效模式和臨界技術(shù)指標(biāo)研究針對云南保龍高速公路第5標(biāo)依托工程工點(diǎn)，綜合采用室內(nèi)模型試驗、有限元數(shù)值分析、工程實例工點(diǎn)調(diào)研等手段研究了各類錨固失效模式及其影響因素。從調(diào)研及室內(nèi)試驗結(jié)果看，錨的主要失效模式有粘結(jié)破壞（錨筋注漿體界面和注漿體巖石界面的粘結(jié)破壞及其復(fù)合破壞）、錨筋斷裂、預(yù)應(yīng)力松弛、錨具失效、灌漿材料的剪切破壞、圍巖體內(nèi)部破壞等六種。錨索與注漿體發(fā)

5、生粘結(jié)破壞 注漿體與巖石發(fā)生粘結(jié)破壞復(fù)合失效 鋼絞線斷裂圖4 巖錨的破壞模式本項目將錨長、灌漿飽滿度、預(yù)應(yīng)力及腐蝕作為評價錨固安全的指標(biāo)，簡稱“四指標(biāo)”體系。研究建立了“四指標(biāo)”的臨界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：灌漿飽滿度75%、預(yù)應(yīng)力損失30%、腐蝕率4%、內(nèi)錨固段錨長的最?。ù螅┡R界值可采用式（1）和式（2）計算。 （1） （2）其中：為側(cè)摩阻剛度系數(shù)；E為錨筋的彈性模量；A為錨筋的橫截面面積。2.3錨固安全性檢測和評價方法研究由本課題組研發(fā)的錨固質(zhì)量檢測系統(tǒng)軟件包ANDTS 2.0由數(shù)值模擬模塊、小波分析模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊組成。該軟件界面設(shè)置友好，如果需要修改當(dāng)前錨桿所在的工程參數(shù)，只須點(diǎn)擊右側(cè)對話框條的

6、“更新工程參數(shù)”功能鍵，在彈出的對話框中重新設(shè)置所需要的工程參數(shù)標(biāo)題及參數(shù)值，設(shè)定參數(shù)將隨結(jié)果表打印輸出。如圖5所示。圖5 建立的錨桿錨固模型錨極限承載力、錨長、灌漿飽滿度以及預(yù)應(yīng)力檢測結(jié)果按表1表4進(jìn)行評價。表1 錨極限承載力評價項目名稱檢測與評價結(jié)果錨極限承載力測試值設(shè)計值0.5倍設(shè)計值測試值<設(shè)計值測試值<0.5倍設(shè)計值單錨安全性安全欠安全不安全表2 錨長評價項目名稱檢測與評價結(jié)果（設(shè)計值-臨界值）/（設(shè)計值-實測值）錨長測試值小于臨界值2>2錨長安全性安全欠安全不安全表3 灌漿飽滿度評價項目名稱檢測與評價結(jié)果灌漿飽滿度75%75%80%80%90%>90%灌漿飽

7、滿度安全性不合格合格良優(yōu)表4 預(yù)應(yīng)力評價項目名稱檢測與評價結(jié)果預(yù)應(yīng)力損失率10%10%20%20%30%>30%預(yù)應(yīng)力損失率安全性優(yōu)良合格不合格預(yù)應(yīng)力超載率20%20%50%50%100%>100%預(yù)應(yīng)力超載率安全性優(yōu)良合格不合格腐蝕指標(biāo)可采用對地層腐蝕程度進(jìn)行評價的方法。地層腐蝕程度分為以下三等：嚴(yán)重腐蝕，對應(yīng)筋材腐蝕率4%；中等腐蝕，對應(yīng)4%>筋材腐蝕率2%；無腐蝕，對應(yīng)筋材腐蝕率<2%。根據(jù)地層腐蝕程度評價結(jié)果進(jìn)行筋材剩余壽命估算，估算結(jié)果按表5進(jìn)行評價。表5 腐蝕評價項目名稱估算與評價結(jié)果剩余壽命2年2年50年>50年腐蝕嚴(yán)重腐蝕中度腐蝕無腐蝕腐蝕安全性不

8、合格合格優(yōu)單錨安全性等級分為三級：安全、欠安全、不安全。單錨安全性評價在錨長指標(biāo)評價結(jié)果基礎(chǔ)上，按以下方法進(jìn)行：當(dāng)錨長安全評價結(jié)果為不合格時，則該單錨安全性等級應(yīng)劃分為不安全；當(dāng)錨長安全評價結(jié)果為合格或優(yōu)良時，再綜合考慮灌漿飽滿度、預(yù)應(yīng)力、腐蝕三指標(biāo)安全評價結(jié)果，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法自動獲取四個指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重，經(jīng)計算后確定單錨安全性評價結(jié)果。2.4 錨固失效對邊坡穩(wěn)定性的影響研究對于不同的邊坡，其不同位置的錨失效和錨力減小對邊坡開裂荷載和破壞荷載的影響各異，因而工程實踐中邊坡布錨應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行布置。錨失效對邊坡穩(wěn)定性影響受邊坡破壞面形態(tài)變化影響較大，圓弧形的破壞面形態(tài)不受錨失效位置的影響，而折線

9、形的破壞面形態(tài)則受錨失效位置變化影響較大。對于純錨索支護(hù)的邊坡，某根錨索的失效將導(dǎo)致邊坡承載力和穩(wěn)定性的降低，群錨中的其它錨張力將有較大增長?？v粱的施加，將上下排錨索聯(lián)系在一起，某根錨索張力損失后，其承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移至縱梁中。橫粱將左右側(cè)錨索聯(lián)系在一起，某根錨索的失效，導(dǎo)致相對一側(cè)中的錨索張力偏大。在錨索格子梁預(yù)應(yīng)力損失過程中，坡體不平衡力可通過格子梁在群錨中轉(zhuǎn)移，群錨中某根錨索預(yù)應(yīng)力的損失或失效會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性急劇降低。邊坡位移和錨索張力的大小與結(jié)構(gòu)面的滑動密切相關(guān)，若結(jié)構(gòu)面較光滑，則錨索承擔(dān)的下滑力較大，某根錨失效后其它錨間的荷載轉(zhuǎn)移明顯，對邊坡穩(wěn)定性的影響較大；反之，若結(jié)構(gòu)面有一定的粗糙度

10、，則錨失效對邊坡穩(wěn)定性的影響不會很大。坡面施加格子梁后，格子梁與群錨形成空間承載體系，某根錨索張力損失后，其承擔(dān)的荷載將通過格子梁轉(zhuǎn)移，只要該三維體系能維持，錨失效對邊坡穩(wěn)定性影響不會太顯著。一旦錨索接連失效，邊坡穩(wěn)定性將急劇降低。若錨索滑脫引發(fā)失效，則錨索張力和邊坡承載力均較小，端錨應(yīng)力損失和坡面格子梁對穩(wěn)定性的影響甚微。2.5 錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)巖土錨固單錨失效后的處治方法可分為兩大類：原錨補(bǔ)強(qiáng)、增設(shè)新錨。具體又可細(xì)分為以下14種方法：（1）增加新錨錨長；（2）重設(shè)錨頭、加強(qiáng)對錨頭防銹的維護(hù)；（3）采用單孔復(fù)合錨；（4）更換錨桿或降低鎖定荷載；（5）改變錨桿（錨索）結(jié)構(gòu)；（6）二次

11、劈裂灌漿；（7）錨注結(jié)合；（8）小噸位多點(diǎn)錨；（9）增加鉆孔粗糙度、改變灌漿體的配合比；（10）加強(qiáng)施工控制；（11）采用梁、網(wǎng)等形式加強(qiáng)錨與錨之間的連接；（12）增強(qiáng)錨固力度；（13）加強(qiáng)防排水，減載；（14）進(jìn)行補(bǔ)償張拉。具體選用這些方法時，應(yīng)先查明錨失效的原因、模式，評價單錨或群錨失效對錨固工程穩(wěn)定性的影響，并考慮處治的必要性、處治方案的可行性的基礎(chǔ)上經(jīng)方案比選后選定適宜的處治辦法。3、主要研究結(jié)論通過本項目研究，取得了以下主要研究成果。（1）提出了邊坡巖土錨固安全的主要影響因素，建立了邊坡巖土錨固的安全評估體系，歸納總結(jié)了公路邊坡錨固的工程地質(zhì)環(huán)境條件，在86個工程實例工點(diǎn)調(diào)研的基礎(chǔ)上

12、獲得了公路邊坡主動錨錨固的典型巖土體對象和營運(yùn)中的錨固邊坡安全狀況。（2）研究提出了完整的典型巖土體邊坡主動錨錨固單錨失效模式包括四大類：粘結(jié)失效、筋材斷裂失效、預(yù)應(yīng)力松弛失效、錨具失效。針對云南保龍高速公路第5標(biāo)依托工程工點(diǎn)，綜合采用室內(nèi)模型試驗、有限元數(shù)值分析、工程實例工點(diǎn)調(diào)研等手段研究了各類錨固失效模式及其影響因素。（3）提出了主動錨錨固安全評價的“四指標(biāo)”體系：錨長、灌漿飽滿度、預(yù)應(yīng)力、腐蝕。并采用解析計算、室內(nèi)模型試驗、數(shù)值分析、現(xiàn)場試驗等手段，研究建立了“四指標(biāo)”的臨界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：灌漿飽滿度75%、預(yù)應(yīng)力損失30%、腐蝕率4%、錨長臨界值采用提出的解析公式計算確定。（4）初步探討了巖

13、土錨固安全性檢測的無損探傷理論及其信號處理技術(shù)，建立了錨動測問題的一維波動方程，討論了其解析解和各種錨缺陷情況下的數(shù)值解；探討了應(yīng)用頻譜分析法、動彈性模量反演法判定灌漿質(zhì)量及錨長的方法；提出了應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換解決損傷信號處理問題，對信號進(jìn)行預(yù)處理和故障特征提取，提高了診斷精度。（5）提出了主動錨錨固安全評價“四指標(biāo)”的檢測或估算方法：錨長、灌漿飽滿度兩指標(biāo)采用應(yīng)力波無損探測方法檢測；預(yù)應(yīng)力指標(biāo)可采用應(yīng)力波無損探測方法檢測、也可采用反拉法檢測；腐蝕指標(biāo)采用研究提出的剩余壽命評估公式進(jìn)行估算。開發(fā)了利于應(yīng)力波無損探測方法檢測的孔底反射器。通過依托工程工點(diǎn)現(xiàn)場試驗、室內(nèi)模擬試驗、解析計算等手段

14、對上述成果進(jìn)行了對比驗證和分析。（6）提出了主動錨錨固安全評價“四指標(biāo)”安全等級劃分方法及其對應(yīng)的指標(biāo)值，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及小波分析法的主動錨單錨錨固安全評價方法，并開發(fā)了相應(yīng)的計算機(jī)軟件系統(tǒng)。（7）室內(nèi)模型試驗和有限元數(shù)值分析結(jié)果表明，云南保龍路依托工程工點(diǎn)邊坡破壞面近似圓弧形，邊坡不同部位錨失效及錨力損失導(dǎo)致的錨固邊坡破壞基本相同，因此對這類邊坡而言，各部位的錨都較重要，實踐中盡量均勻布錨；重慶渝黔路示范工程工點(diǎn)邊坡破壞面為折線形，邊坡滑體質(zhì)心以下的錨失效及錨力損失比邊坡滑體質(zhì)心以上的錨失效及錨力損失更易導(dǎo)致邊坡破壞，因此對這類邊坡而言，滑體質(zhì)心以下的錨很重要，實踐中應(yīng)盡量將錨布置在這部

15、分區(qū)域或者說強(qiáng)化這部分的錨。（8）針對重慶渝黔路示范工程工點(diǎn)，初步探討了邊坡不同位置單錨失效對群錨影響、單錨及群錨失效對邊坡穩(wěn)定性的影響、錨失效后荷載重分布特征與規(guī)律。（9）研究提出了邊坡巖土主動錨錨固安全性評價指南。（10）歸納總結(jié)了單錨失效后不同處治方法的使用條件、邊坡錨固失效后的處治方法及選擇原則，結(jié)合重慶渝黔路示范工程工點(diǎn)，研究了錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)并將之應(yīng)用于該工點(diǎn)。4 有待進(jìn)一步解決得問題盡管項目組依托示范工程工點(diǎn)和依托工程工點(diǎn)，對巖土錨固安全評價與處治技術(shù)項目進(jìn)行了邊坡巖土錨固的安全狀況及工程地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查研究、錨固失效模式和臨界技術(shù)指標(biāo)、錨固安全性檢測與評價方法、錨固失效對邊坡穩(wěn)定性影響、錨固失效后邊坡綜合處治技術(shù)等方面的研究，取得了一定初步成果，但仍