凍融循環(huán)影響下邊坡錨固結(jié)構(gòu)的受力分析

畢全超++王學(xué)蕾++董捷

摘要：為探究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)邊坡錨固結(jié)構(gòu)受力的影響，本文對(duì)現(xiàn)有分析方法進(jìn)行了分類匯總，結(jié)果表明：凍融循環(huán)對(duì)邊坡錨固結(jié)構(gòu)具有較大的危害，但相關(guān)研究方法并不多見，由于制約因素繁多且相互關(guān)聯(lián)導(dǎo)致評(píng)價(jià)體系尚未形成?，F(xiàn)在亟需建立完整的巖體錨固系統(tǒng)概念和整體評(píng)價(jià)機(jī)制，因?yàn)檫@樣可以充分發(fā)揮錨固系統(tǒng)中各有利要素的長(zhǎng)處，削弱不利要素的危害，以使系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán)；邊坡；錨固結(jié)構(gòu)；受力分析

中圖分類號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

Abstract： In order to find out the effect of freeze-thaw cycle on the stress of the anchoring structure of slope， the existing analysis methods are classified and summarized， the results show： The Cycle of Freezing and Thawing has great harm to the anchoring structure of slope， but the relevant research literature is rare， the evaluation system has not been formed because of the restrictive factors and interrelated factors. now it is urgent to establish a complete concept and overall evaluation mechanism of rock anchorage system， because it can give full play to the advantage of the advantages of the anchoring system， weaken the harmful elements of harm， so that the system to achieve the best working condition.

Keywords： freeze-thaw cycles； slope； anchoring structure； stress analysis

0 前言

錨固技術(shù)通過錨桿（索）對(duì)巖土體進(jìn)行加固，能提高巖土體自身穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于加固工程中。從理論上講，力的傳遞方式均由錨桿傳遞到注漿體，再由注漿體傳遞到巖土體。因此，錨桿體和注漿體之間的黏結(jié)作用、注漿體和巖土體間的黏結(jié)作用是決定錨固系統(tǒng)極限承載力的主要因素，一旦黏結(jié)作用失效，整個(gè)錨固系統(tǒng)就會(huì)被破壞。

在寒冷地區(qū)，影響錨固工程耐久性的因素較多，一個(gè)不容忽視的因素就是凍融循環(huán)。外界溫度周期性正負(fù)交替，支護(hù)工程體系的材料性能經(jīng)過周期性凍融循環(huán)作用后可能劣化，發(fā)生錨桿（索）松弛和灌注砂漿損傷的情況，多種因素耦合作用會(huì)造成錨固體承載能力降低，從而誘發(fā)滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

1 錨桿的軸力分析

楊雙鎖等[1]提出了錨固體第1、第2臨界變形的概念并且揭示了錨桿軸向錨固力隨錨固體變形而變化的三階段特征--錨固力強(qiáng)化變形階段、錨固力保持恒定變形階段及錨固力弱化變形階段，并且詳細(xì)介紹了三種錨固力隨變形量變化規(guī)律的特點(diǎn)。雒億平等[2]運(yùn)用FLAC3D對(duì)錨固體整體進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究，證實(shí)了上述結(jié)論，雖說法不同，但是其本質(zhì)是相同的。謝代興等[3]結(jié)合實(shí)際工程，推導(dǎo)出斜拉狀態(tài)下不同角度的巖體錨件軸向拔力的基本式并采用預(yù)設(shè)參數(shù)的方法進(jìn)行基本式的驗(yàn)算和模擬斜拉狀態(tài)下巖體錨件的抗拔試驗(yàn)。

當(dāng)錨固段采用壓力注漿時(shí)可以顯著提高錨固體界面的黏結(jié)強(qiáng)度，促使錨桿的極限抗拔力不斷增加；增大錨固長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)也可以提高其極限抗拔力，但超過極限錨固長(zhǎng)度時(shí)，錨桿的抗拔承載力并不能提高。錨桿桿體過長(zhǎng)是不必要，反而會(huì)對(duì)工程費(fèi)用、施錨時(shí)機(jī)、施工效率和整體錨固工程帶來很多負(fù)面影響。除了增加錨固長(zhǎng)度外，采用圖1中所示的單孔復(fù)合錨固法（a）、后高壓注漿錨固法（b）、擴(kuò)體擴(kuò)頭錨固法（c）也能提高軟弱或復(fù)雜巖土層中錨桿的抗拔力，同時(shí)還可增大錨固體周邊巖土體的抗剪強(qiáng)度，提高邊坡整體穩(wěn)定性[4]。

2 錨桿-砂漿界面的剪應(yīng)力分析

微觀的皺曲存在于錨桿體表面，它對(duì)錨固力起著十分重要的作用。在錨桿體與注漿材料之間，黏結(jié)力是傳遞力的主要方式，但是如果繼續(xù)加大拉拔力，錨桿體與注漿材料之間必將產(chǎn)生位移從而破壞了黏結(jié)力，兩者間力傳遞的主要形式為摩阻力[5-6]。

S.H.E.Phillips[7]假設(shè)錨固段的剪應(yīng)力按指數(shù)分布。張季如等[8]假設(shè)界面剪應(yīng)力和剪切位移呈線性增加關(guān)系，采用局部變形理論建立了錨桿荷載傳遞雙曲函數(shù)模型。曹國(guó)金等[9]以Mindlin問題位移解為基礎(chǔ)推導(dǎo)出拉力型錨桿受力的彈性解。張健超等[10]基于Kelvin位移解推導(dǎo)出錨固段剪應(yīng)力和軸向應(yīng)力分布的理論解。

上述研究表明最大剪應(yīng)力都處于張拉端，但很多試驗(yàn)研究成果[11-14]表明剪應(yīng)力分布不是一成不變的，它隨著拉拔力的增大而逐漸變化。當(dāng)拉拔力較小--錨固界面處于彈性黏結(jié)狀態(tài)時(shí)，錨桿-灌漿材料界面的剪應(yīng)力在端部最大，且向里逐漸減小，其形狀大致按雙曲函數(shù)或指數(shù)函數(shù)分布；隨著拉拔力的繼續(xù)增加，錨桿-灌漿材料界面的剪應(yīng)力在端部減小且它的最大值向下部移動(dòng)，處于中間大、兩端小的分布狀態(tài)。當(dāng)拉拔力繼續(xù)增大，錨固體的端部界面發(fā)生破壞，端部界面的力主要是錨桿與灌漿材料之間的摩阻力，界面的剪應(yīng)力最大值繼續(xù)向深處傳遞為錨固體穩(wěn)定提供所需的抗拔力。隨著拉拔力的再次增大，錨桿-灌漿材料界面處最大剪應(yīng)力仍向錨固體深處傳遞，直至錨桿-灌漿材料界面全部被破壞。

N.K.Kim等[15]和F.F.Ren等[16]分別假設(shè)錨固界面剪應(yīng)力與剪切位移呈理想彈塑性和三段線性關(guān)系，采用張季如和唐保付[8]的分析方法獲得了彈性、彈塑性以及塑性工作狀態(tài)下錨桿錨固段的剪應(yīng)力及軸力的解析解，由于他們所采用假設(shè)的局限性，不能很好地考慮到錨桿錨固段荷載傳遞的全歷程中錨固界面剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系的非線性特性。

考慮到錨固界面剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系的非線性特性，張培勝等[14]建立了錨固界面的復(fù)合指數(shù)–雙曲線非線性剪切滑移模型，由于建立的模型中公式內(nèi)容較為復(fù)雜，造成不能得到錨桿荷載傳遞的解析解的結(jié)果，不能為工程應(yīng)用服務(wù)。黃明華等[17]建立了錨桿錨固段的雙指數(shù)曲線剪切滑移模型及其拉拔荷載傳遞解答并指出錨桿錨固段荷載傳遞全過程依次經(jīng)歷加載和滑移破壞。吳延峰等[18]提出在偶應(yīng)力理論下，拉力型錨桿錨固段界面的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變有所減小，特別是峰值處的剪應(yīng)力減少明顯；界面處的剪應(yīng)力不再連續(xù)；界面附近的剪應(yīng)變突變有所改善。

3 砂漿-巖土界面的剪應(yīng)力分析

一般認(rèn)為，錨固體與孔壁間的摩阻力決定了有效的錨固長(zhǎng)度[19]，平均表面摩阻力隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而減小。伍國(guó)軍等[20]通過開展錨固系統(tǒng)界面力學(xué)特性的剪切流變?cè)囼?yàn)，提出一種基于經(jīng)驗(yàn)的非線性剪切流變模型且在剪切流變的影響因素中考慮到了法向應(yīng)力，為了能很好地描述剪切流變的初期、穩(wěn)態(tài)和加速流變整個(gè)變化過程，他將流變模型參數(shù)定義成為剪應(yīng)力水平的函數(shù)。

當(dāng)錨固體上作用豎向拉拔力時(shí)，錨固體與周圍巖土體在其接觸界面上產(chǎn)生了摩阻力，由于摩阻力是由錨固體上端向底端逐漸發(fā)展的，不同錨固深度處的摩阻力不同。錨固體上端最先達(dá)到極限值，當(dāng)拉拔力大于摩阻力極值時(shí)，錨固體與周圍巖土體界面發(fā)生軟化，進(jìn)入部分滑移狀態(tài)。隨著拉拔力的繼續(xù)增加，錨固體與周圍巖土體界面的軟化現(xiàn)象將向錨固體底部發(fā)展，直至錨固體與周圍巖土體界面全部進(jìn)入滑移狀態(tài)，錨固結(jié)構(gòu)破壞[21，22]，破壞過程如圖2所示。

4 砂漿周圍巖土體的受力分析

當(dāng)錨桿受拉拔力作用而發(fā)生變形時(shí)，在周圍巖土體的約束作用下，錨固體與巖土體之間的界面以及巖土體內(nèi)部將產(chǎn)生剪切作用。因此隨著拉拔力的增大，錨固體周圍巖土體所受到的剪應(yīng)力的范圍也將進(jìn)一步擴(kuò)大；當(dāng)拉拔力超過錨固體與周圍巖土體界面臨界滑移荷載時(shí)，周圍巖土體所受剪應(yīng)力作用范圍迅速增大。

朱訓(xùn)國(guó)等[23]利用Mohr-Coulomb、Hoek-Brown以及Duncan-Chang理論分別分析了錨固后塊狀和碎塊狀巖體的物理效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)巖體錨固后可以有效地提高巖體的凝聚力和軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)巖體的彈性模量，改善巖體的力學(xué)性質(zhì)。付宏淵等[24]利用相似材料做模型試驗(yàn)，在單軸壓縮情況下，發(fā)現(xiàn)垂直加錨試件和水平加錨試件的峰值強(qiáng)度得到不同程度提高。

在計(jì)算錨固邊坡的抗滑穩(wěn)定性時(shí)，運(yùn)用剛體極限平衡法會(huì)出現(xiàn)雖采用較多單錨承載力較高的預(yù)應(yīng)力錨桿，計(jì)算出的結(jié)果卻顯示所得錨桿對(duì)邊坡穩(wěn)定的貢獻(xiàn)不大的情況，這與錨固邊坡實(shí)際所處的安全穩(wěn)定狀態(tài)明顯不符。這是由于在計(jì)算過程中錨桿可以增大巖土體彈性模量以及忽略邊坡破壞面處黏聚力的作用，且在計(jì)算中也低估錨桿的錨固力在破壞面處產(chǎn)生的切向抗力作用。

5 凍融循環(huán)對(duì)邊坡錨固結(jié)構(gòu)受力的影響

當(dāng)水浸透巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，受外界溫度變化的影響，水在巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的狀態(tài)在固態(tài)和液態(tài)間的相互轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂隙和孔隙大小隨著水體積的變化而變化，使錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)被改變，產(chǎn)生凍脹或融沉現(xiàn)象。當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)受到凍脹作用時(shí)，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生凍脹變形，使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部裂隙和孔隙進(jìn)一步發(fā)展。而在巖體結(jié)構(gòu)體受溫度升高發(fā)生融化過程中，凍脹作用引發(fā)的變形得不到完全恢復(fù)。巖體結(jié)構(gòu)體受到外界溫度作用反復(fù)發(fā)生凍脹或融沉現(xiàn)象，因巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)受凍融作用的影響機(jī)理不同，受到的影響程度也不盡相同，故會(huì)在巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用面上會(huì)發(fā)生應(yīng)力分布的改變，由此誘發(fā)的相互作用面開裂、錯(cuò)動(dòng)甚至脫落現(xiàn)象嚴(yán)重影響了邊坡防護(hù)工程的安全[25，26]。

在-20～-70℃范圍內(nèi)，混凝土先膨脹再收縮，而鋼筋則一直收縮，兩者的線膨脹系數(shù)差別較大致使鋼筋與混凝土在黏結(jié)處出現(xiàn)較大的微滑移，并且在黏結(jié)面產(chǎn)生大量微裂縫和缺陷，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度降低[27]。項(xiàng)偉等[28]在統(tǒng)計(jì)損傷理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出凍融前后組合試樣損傷軟化統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型，并進(jìn)行了SEM微觀掃描分析，指出凍融破壞的根本原因是由于不同材料膠結(jié)面在凍融循環(huán)作用下發(fā)生溫度應(yīng)力集中。

安玉科和佴磊[29]在巖石凍融損傷劣化規(guī)律的研究基礎(chǔ)上，從理論角度出發(fā)，分析了節(jié)理巖體錨固系統(tǒng)在凍融循環(huán)作用的損傷劣化機(jī)制及其影響因素。張偉麗等[30]通過凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)砂漿彈性模量和強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用的影響而明顯降低，加載端砂漿提前遭到破壞，荷載向錨桿深處的傳遞速度加快，錨桿深處的應(yīng)力及錨桿與砂漿交結(jié)面的剪應(yīng)力受凍融循環(huán)作用的影響增大。

6 討論

有些試驗(yàn)中用混凝土作為天然巖石的替代品，作為復(fù)合材料的混凝土，它與天然巖石的凍融損傷機(jī)制和破壞程度不同；有些試驗(yàn)中直接將錨桿澆筑在混凝土或者砂漿中其荷載傳遞機(jī)制與鉆孔注漿錨桿不同。

目前我國(guó)規(guī)范[31-33]中錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算公式所包含要素，沒有體現(xiàn)出錨桿受力不均、彎曲變形及錨固段中錨桿軸力向深處逐漸衰減的特點(diǎn)，規(guī)范中假定剪應(yīng)力均分布也不符合錨桿工作時(shí)的實(shí)際受力狀況。

條分法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)因巖土體剛體假設(shè)無法考慮錨固結(jié)構(gòu)與巖土體共同作用的本質(zhì)，存在低估錨固效應(yīng)的問題。傳統(tǒng)由極限平衡原理推導(dǎo)出的最優(yōu)錨桿傾角公式未考慮錨固長(zhǎng)度，但最優(yōu)錨桿傾角受錨固長(zhǎng)度的影響；布設(shè)錨桿時(shí)若其傾角過大，錨桿將處于受剪為主的狀態(tài)，致使其達(dá)不到加固巖體的效果。

為提高錨固工程耐久性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)耐水、耐凍融錨固劑和非金屬錨桿的研發(fā)，并積極推行預(yù)制鋼筋混凝土傳力構(gòu)件應(yīng)用于邊坡錨固工程中。

7 總結(jié)

為探究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)邊坡錨固結(jié)構(gòu)受力的影響，本文對(duì)現(xiàn)有分析方法進(jìn)行了分類匯總，結(jié)果表明：國(guó)內(nèi)外研究錨固結(jié)構(gòu)的理論成果頗多，但從總體上看，錨固技術(shù)的研究大多以研究錨桿方面為主，并沒有把錨固技術(shù)上升到將其看作一個(gè)系統(tǒng)來做整體研究。凍融循環(huán)對(duì)邊坡錨固結(jié)構(gòu)具有極大的危害，但相關(guān)研究并不多見，由于制約因素太多且相互關(guān)聯(lián)導(dǎo)致理論體系尚未形成?，F(xiàn)在亟需建立完整的巖體錨固系統(tǒng)概念和整體評(píng)價(jià)機(jī)制，因?yàn)檫@樣可以充分發(fā)揮錨固系統(tǒng)中各有利要素的功能，削弱不利要素的危害，以使系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

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