試論預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體的機(jī)理分析和數(shù)值計(jì)算

呂小剛（福建省閩武長(zhǎng)城巖土工程有限公司）

試論預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體的機(jī)理分析和數(shù)值計(jì)算

呂小剛（福建省閩武長(zhǎng)城巖土工程有限公司）

在現(xiàn)代工程建設(shè)中，巖土工程，尤其是巖土工程的穩(wěn)定性問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)就受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。在實(shí)際的巖土工程施工建設(shè)中，預(yù)預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)性能決定了巖土工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性。本文正是以預(yù)應(yīng)力錨索出發(fā)點(diǎn)，研究預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體的機(jī)理分析和數(shù)值計(jì)算，旨在促進(jìn)現(xiàn)代巖土工程的不斷發(fā)展和深化。

預(yù)應(yīng)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(shè)施工過(guò)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?xún)?yōu)化對(duì)于現(xiàn)代工程建設(shè)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)是現(xiàn)階段巖土工程加固巖體的主要應(yīng)用技術(shù)。本文就預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體技術(shù)做出探討，研究預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體技術(shù)的發(fā)展，旨在促進(jìn)錨索加固巖體技術(shù)在現(xiàn)代巖土工程中的應(yīng)用發(fā)展。

1 預(yù)應(yīng)力錨索機(jī)理概述

1.1 預(yù)應(yīng)力虧損機(jī)理概述

預(yù)應(yīng)力錨索虧損機(jī)理主要包涵三個(gè)方面的內(nèi)容：鋼絞線松弛預(yù)應(yīng)力虧損；灌裝體預(yù)應(yīng)力虧損；錨索張拉系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力虧損。

鋼絞線松弛預(yù)應(yīng)力虧損指預(yù)應(yīng)錨索在長(zhǎng)期的工作負(fù)荷狀態(tài)下，錨索鋼絞線出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，錨索鋼絞線松弛現(xiàn)象會(huì)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(cái)產(chǎn)損失。通常情況下鋼絞線的松弛時(shí)間都比較漫長(zhǎng)，有著數(shù)十年的松弛時(shí)間，因此造成了松弛實(shí)驗(yàn)的難度。對(duì)于鋼絞線松弛的機(jī)理研究，現(xiàn)階段的鋼絞線松弛實(shí)驗(yàn)多采用1000h的松弛率制定標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)力的影響。

灌漿體預(yù)應(yīng)力虧損主要是指錨索固段灌漿體在錨索長(zhǎng)期負(fù)荷的狀態(tài)下，受到各種外力的影響，發(fā)生裂紋擴(kuò)張擴(kuò)時(shí)灌漿體發(fā)生變化的情況，這種變化稱(chēng)為徐變，徐變會(huì)很大程度地影響灌漿體的性能。因此在實(shí)際的預(yù)應(yīng)錨索在巖土工程中的應(yīng)用過(guò)程要注意灌漿體徐變引起的預(yù)應(yīng)力虧損，從而影響預(yù)應(yīng)力錨索在巖土工程中工作效率。

張拉系統(tǒng)引起的預(yù)應(yīng)力虧損主要是油泵和千斤頂構(gòu)成。在實(shí)際的工作過(guò)程中，張拉系統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際情況來(lái)計(jì)算，由于張拉系統(tǒng)引起的摩擦阻力引起的預(yù)應(yīng)力虧損在2～4%之間，在這個(gè)過(guò)程中，油壓表的拉力值比錨索鋼絞線的實(shí)際壓力要大，因此在張拉系統(tǒng)的工作過(guò)程中，就要以張拉值油壓表為基礎(chǔ)，考慮張拉系統(tǒng)的應(yīng)力虧損因素［1］。

2 改善預(yù)應(yīng)力錨索性能的措施

2.1 改善預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)對(duì)自然因素性能的措施

在預(yù)應(yīng)力錨索巖土加固工程中，自然因素對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固工程有著強(qiáng)烈的影響。在自然因素中，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固工程最為明顯的就是降水。降水主要影響預(yù)應(yīng)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(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固巖土工程的影響也隨之增強(qiáng)。在降雨過(guò)程中，雨水會(huì)使得巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散、使得巖體水位升高，嚴(yán)重影響巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能。因此在具體的預(yù)應(yīng)力錨索巖土加固過(guò)程中，要制定相關(guān)制度，增強(qiáng)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(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線松弛的性能措施

鋼絞線是組成預(yù)應(yīng)力錨索的重要內(nèi)容，在預(yù)應(yīng)力錨索巖體的預(yù)應(yīng)力虧損過(guò)程中，鋼絞線松弛不僅會(huì)影響錨索的預(yù)應(yīng)力虧損，影響巖土加固工程的質(zhì)量，而且還會(huì)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(qiáng)度的錨具，盡可能降低錨索孔軸線與孔口導(dǎo)向管的偏差，從而提升錨索的錨固能力。其次還要增強(qiáng)鋼絞線的設(shè)計(jì)性，保證鋼絞線的科學(xué)合理，根據(jù)具體的情況，不斷地進(jìn)行張拉實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)、評(píng)估預(yù)應(yīng)力錨索的相關(guān)性能。采用科學(xué)的分級(jí)多次張拉技術(shù)，平衡鋼絞線的受力狀態(tài)，降低預(yù)應(yīng)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(qiáng)預(yù)應(yīng)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(qiáng)錨錨索固工作的質(zhì)量。要增強(qiáng)錨錨索固工作質(zhì)量主要從以下兩個(gè)方面入手：①?lài)?yán)格按照相關(guān)規(guī)范和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工作業(yè)，按照相關(guān)比例配比調(diào)漿，做好固結(jié)灌漿和錨孔灌漿工作，提高巖土穩(wěn)定性。②對(duì)于節(jié)理發(fā)育或裂隙比較嚴(yán)重的巖體，要采用特殊的的灌漿方式進(jìn)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?chē)鷰r體的力學(xué)性能，推動(dòng)灌漿工作發(fā)展，使得灌漿工作發(fā)展符合實(shí)際的發(fā)展需要［2］。

3 預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體的數(shù)值計(jì)算

3.1 無(wú)限元計(jì)算方法在巖土工程中的應(yīng)用

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

在無(wú)限元計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)用近似的數(shù)值方法模擬無(wú)窮的邊界成為影響和阻礙無(wú)限元計(jì)算的主要問(wèn)題。目前大多數(shù)無(wú)限遠(yuǎn)數(shù)值計(jì)算方法，多采用遠(yuǎn)距離去模擬近似無(wú)限的邊界條件。如果邊界設(shè)置得過(guò)遠(yuǎn)，則會(huì)造成數(shù)值方法近似的難度，造成單元數(shù)猛增。反之，當(dāng)人工設(shè)置的邊界遠(yuǎn)距離不夠時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。為了解決這種問(wèn)題，多維無(wú)限遠(yuǎn)方法應(yīng)用而生。如今的無(wú)限元計(jì)算方法已經(jīng)發(fā)展到三維、雙向映射數(shù)值計(jì)算。無(wú)限元計(jì)算方法在實(shí)際的預(yù)應(yīng)力錨索加固工程有著很強(qiáng)的應(yīng)用性，它不僅能夠減輕工作任務(wù)量，提高工作實(shí)際，而且還能提高計(jì)算精度。

無(wú)限元計(jì)算方法在預(yù)應(yīng)力錨索錨固周邊巖體的受力計(jì)算應(yīng)用較多，取預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力為2000kN，巖體的泊松比為0.23，彈性模量E=2×102MPa，假設(shè)錨固段的預(yù)應(yīng)力直接作用在錨索中心對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)1/4模型進(jìn)行計(jì)算，球邊邊界半徑取數(shù)值為50m的球面，單元?jiǎng)澐钟?jì)算模型如圖1所示，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

圖2 無(wú)限元計(jì)算錨固段位移結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出錨索預(yù)應(yīng)力錨固段周邊巖體主要以預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)為中心發(fā)生位移作用，位移以作用中心點(diǎn)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(yīng)力狀態(tài)也是錐形的。在實(shí)際的錨索錨固周邊巖體的受力計(jì)算中，無(wú)限元計(jì)算方法不僅可以計(jì)算出相應(yīng)的受力狀態(tài)，繪制受力模型，而且還能計(jì)算出具體的受力數(shù)值，使得施工人員對(duì)錨索錨固周邊巖體的受力狀態(tài)有全面、清晰的了解，促進(jìn)錨索巖土工程的增強(qiáng)。

3.2 常見(jiàn)的多維無(wú)限元計(jì)算方法

在現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力錨索巖土工程數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，常見(jiàn)的數(shù)值計(jì)算有兩種，預(yù)應(yīng)力錨索錨頭的三維無(wú)限元計(jì)算、預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的三維無(wú)限元計(jì)算。

從預(yù)應(yīng)力錨索錨頭的三維無(wú)限元計(jì)算來(lái)說(shuō)，三維無(wú)限元計(jì)算多用于預(yù)應(yīng)力錨索錨頭周邊巖體的附加應(yīng)力計(jì)算。預(yù)應(yīng)力錨索周邊巖體的附加應(yīng)力數(shù)值計(jì)算方式主要根據(jù)對(duì)稱(chēng)性1/ 4模型進(jìn)行計(jì)算，按照球形半徑取一定的單元格。在錨索固段的三維無(wú)限元計(jì)算，預(yù)應(yīng)力錨索錨固段周邊巖體的數(shù)值計(jì)算方法與錨索錨頭的周邊巖體附加應(yīng)力計(jì)算方式一樣。與預(yù)應(yīng)力錨索錨頭的數(shù)值方法不同的是錨索錨固段的應(yīng)用力數(shù)值計(jì)算方法，錨索錨固段的應(yīng)用力的多維無(wú)限數(shù)值計(jì)算方法的三維節(jié)點(diǎn)要明顯多于錨索錨頭段的應(yīng)用力計(jì)算方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力錨索錨固技術(shù)廣泛的應(yīng)用于巖土加固工程中，它可以有效提高巖土的結(jié)構(gòu)性能，改善巖土的應(yīng)力狀態(tài)。在實(shí)際的預(yù)應(yīng)力錨索巖土加固工程中，預(yù)應(yīng)力錨索錨固機(jī)理分析和數(shù)值計(jì)算方法十分復(fù)雜，這就要求從業(yè)人員不斷地學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，不斷地分析了解預(yù)應(yīng)力錨錨索固工程的機(jī)理和數(shù)值計(jì)算方法，改善相關(guān)技術(shù)和方法，促進(jìn)巖土加固工程的發(fā)展。

［1］王艷芬.預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體的機(jī)理分析和數(shù)值計(jì)算［D］.華中科技大學(xué)，2011.

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

TU45

A

2095-2066（2016）29-0105-02

2016-10-3