基于灰?guī)r地質(zhì)隧道高邊坡壓力分散性錨索應(yīng)用研究

許 壘 吳建新 矯恒信 蘇 磊 楊浩亮 聶軍委

(鐵正檢測(cè)科技有限公司 山東濟(jì)南 250014)

1 引言

在錨固支護(hù)工程中，壓力分散型錨索由于其錨固力大、施工方便、防腐效果好在工程中得到應(yīng)用[1-2]。但是，在一些泥灰?guī)r地質(zhì)的高邊坡治理中，由于缺乏對(duì)壓力分散型錨索的研究，目前應(yīng)用還不是很廣泛。

關(guān)于壓力分散型錨索諸多專家學(xué)者也做了許多研究。鄭筱彥[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法，并基于壓力分散型錨索的錨固機(jī)理，通過相似原理、極限平衡方法推導(dǎo)出求解邊坡安全系數(shù)方程。曹興松[4]等基于二康公路的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，通過理論分析錨固段的受力規(guī)律和應(yīng)力狀態(tài)，驗(yàn)證了基于峰值粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算方法的有效性。劉海龍[5]通過試驗(yàn)，詳述了壓力分散型錨索的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，并給出錨索錨固段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和最大承載力。張勇[6]分析了不同張拉工藝對(duì)壓力分散型錨索的影響，并初步探討通過選擇不同的張拉方式來消除多級(jí)單元不同荷載帶來的影響問題。周培德[7]在分析和研究壓力分散型錨索受力機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了錨索設(shè)計(jì)中的三個(gè)問題，即錨固段長(zhǎng)度計(jì)算、承壓板漿體的變形和工后鋼絞線引起的變形問題，基于上述問題并給出了相應(yīng)的解決方法。劉鴻[8]通過新的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，分析研究了壓力分散型錨索各單元的受力機(jī)制，并推導(dǎo)出符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度的理論解問題。

綜上研究分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于壓力分散型錨索的研究都集中在錨索的應(yīng)力或是錨固段受力的層面，而結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)條件在具體工程中應(yīng)用的實(shí)踐研究報(bào)告鮮有發(fā)表，還有些基于錨索本身的研究也是假定在一定的條件下，并不結(jié)合具體的工程地質(zhì)條件，具有一定的局限性。壓力分散型錨索在泥灰質(zhì)巖中的受力狀態(tài)和應(yīng)用，由于泥灰質(zhì)巖較軟，地質(zhì)較復(fù)雜，錨索錨固段的受力狀態(tài)、張拉方式以及周圍土體的蠕變都會(huì)對(duì)錨索產(chǎn)生重要影響[9-10]。

本文根據(jù)寶鼎1號(hào)隧道進(jìn)口路基部分泥灰質(zhì)邊坡防護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)，基于對(duì)壓力分散型錨索的理論分析，研究合理的錨固段長(zhǎng)度及受力情況，找出最合理的張拉方式，并量化土體和錨索蠕變耦合對(duì)錨索的影響；指導(dǎo)工程施工，并對(duì)以后的工程提供合理建議。

2 工程概況

寶鼎1號(hào)隧道設(shè)計(jì)為雙向分離式越嶺隧道，左洞進(jìn)、出口樁號(hào)為ZK9+383～ZK14+467，全長(zhǎng)5 084 m，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1 355.38～1 476.22 m；右洞進(jìn)、出口樁號(hào)為K9+377～K14+464，全長(zhǎng)5 087 m，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1 355.24～1 476.17 m，縱坡2.4%，為單向坡，向進(jìn)口傾斜，隧道最大埋深約617 m。

隧址高程在1 340～2 264 m之間，相對(duì)高差約924 m。受地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造控制，隧址區(qū)進(jìn)口段及洞身段為砂屑灰?guī)r、條帶泥質(zhì)灰?guī)r及頁(yè)巖。由于長(zhǎng)期風(fēng)化及人為削坡，巖質(zhì)較軟弱，地質(zhì)情況較為復(fù)雜(見表1)。防護(hù)邊坡平面見圖1，支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 邊坡平面示意(單位：m)

圖2 邊坡支護(hù)(單位：m)

表1 風(fēng)化泥灰質(zhì)巖體力學(xué)參數(shù)

該工程采用壓力分散型錨索進(jìn)行錨固，錨索采用三單元式，全長(zhǎng)為25 m。由于各單元之間的長(zhǎng)度有所差異(見圖3)，錨固段H1、H2、H3分別為9 m、6 m、4 m。每單元由兩根鋼絞線組成，每根鋼絞線的截面積為135 mm2。

圖3 錨索單元示意

3 錨索預(yù)應(yīng)力影響因素及措施

3.1 錨固段的受力解

研究錨固段在灰?guī)r地質(zhì)條件下對(duì)壓力型錨索的作用，就要分析其錨固段的軸力和剪應(yīng)力的分布。為研究方便，取其錨固段中的一段進(jìn)行處理。

對(duì)錨固段的微分段進(jìn)行分析(見圖4)，需要做出以下假設(shè)：(1)錨固體為線彈性材料；(2)由于所研究的問題基于灰?guī)r等軟弱地質(zhì)條件，錨固段和巖體滿足含有黏系數(shù)的庫(kù)倫準(zhǔn)則；(3)為了方便分析研究，錨固段截面上的dx為均勻分布。

故得出平衡方程：

圖4 錨固段微分段應(yīng)力分析

庫(kù)倫準(zhǔn)則：

根據(jù)假設(shè)(3)，則：

由于錨固段和巖體之間存在復(fù)雜關(guān)系，增加一個(gè)系數(shù)n，得：

式中，n為與巖體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；E為錨固體彈性模量；μ為泊松比；r為鉆孔半徑；c為巖體黏系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角。

通過對(duì)上式聯(lián)立可得：

將開爾文體本構(gòu)方程代入式(1)，并根據(jù)初始條件以及壓力分散型錨索的特點(diǎn)得出剪應(yīng)力和軸力分布解：

式中，zi表示每一單元的長(zhǎng)度，因此可以得到壓力分散型錨索錨固段的受力分布圖(見圖5)。

圖5 錨固段剪力和軸力

由圖5可以看出，錨固段由于壓力分散型錨索的特點(diǎn)而使其軸力減小很多，并且剪應(yīng)力分布更加均勻[11]。

3.2 蠕變影響

錨索的長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力關(guān)系到錨索工程的整體效應(yīng)，而巖體的蠕變又是影響錨索預(yù)應(yīng)力的一個(gè)重要因素。所謂蠕變就是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，應(yīng)力不變、應(yīng)變?cè)黾拥倪^程。蠕變一般分為三個(gè)過程，即初始蠕變、等速蠕變和加速蠕變。由于泥灰質(zhì)巖較為軟弱，其蠕變更加明顯，也是在軟巖錨固工程中影響較大的因素。

由于泥灰質(zhì)巖體是一個(gè)比較復(fù)雜的黏彈性體，其力學(xué)特性也往往比較復(fù)雜，常用的計(jì)算模型見圖6。

圖6 廣義開爾文模型

(1)廣義開爾文體

由于串聯(lián)則有：

對(duì)于彈簧有：

對(duì)于開爾文體有：

故得：ε化簡(jiǎn)上式后可以得到廣義開爾文的本構(gòu)方程：

其在恒定力作用下的蠕變方程為：

(2)耦合效應(yīng)模型

在廣義開爾文體模型中，由其本構(gòu)方程可以看出，該模型充分考慮了巖體的黏彈特性，但在泥灰?guī)r等軟巖當(dāng)中，單單考慮巖體的蠕變并不合適，因?yàn)殄^索需要通過和巖體有效結(jié)合共同起作用，所以不僅要考慮巖體的蠕變，還要考慮到錨索的蠕變，按照耦合效應(yīng)模型計(jì)算(見圖7)。

圖7 與巖體耦合效應(yīng)模型

考慮到錨索和開爾文體并聯(lián)[12-13]，靜力平衡條件為：

應(yīng)變協(xié)調(diào)條件：

代入式(1)得到耦合效應(yīng)本構(gòu)方程：

由蠕變定義，可設(shè)應(yīng)力為常量，即：

代入本構(gòu)方程得出蠕變方程：

(3)經(jīng)驗(yàn)方程

經(jīng)驗(yàn)方程是基于某種巖體，或是在特定的環(huán)境中測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合而得，經(jīng)驗(yàn)方程為：

式中，M為瞬時(shí)應(yīng)變；Nlgt為初始蠕變；Pt為等速蠕變。其中的系數(shù)與應(yīng)力水平有關(guān)，不同應(yīng)力下的M、N、P值見表2。

表2 幾類巖體蠕變經(jīng)驗(yàn)方程參數(shù)

3.3 張拉效應(yīng)

由于工程中使用的壓力型錨索錨固段的各個(gè)單元長(zhǎng)度不同，所以如果用同樣的力進(jìn)行張拉，有可能會(huì)使個(gè)別單元超出其極限應(yīng)力導(dǎo)致破壞，所以要選擇合適的張拉方式。本工程采取了先不同荷載張拉后補(bǔ)償張拉再進(jìn)行整體張拉的方式。

考慮到灰?guī)r屬于軟弱巖體，先對(duì)錨索張拉到設(shè)計(jì)值的110%，假定各單元錨固段錨固力相等，對(duì)第一段和第二段補(bǔ)償張拉后再進(jìn)行整體張拉。

本工程張拉力為825 kN，代入結(jié)果為302.5 kN。根據(jù)得：

由此可以得出：

然后計(jì)算補(bǔ)償張力，利用公式：

張拉5～7 d后進(jìn)行補(bǔ)償張拉，補(bǔ)償完畢再對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行整體張拉，計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

由圖8可以看出，當(dāng)錨索張拉到設(shè)計(jì)值的110%后，其值迅速降低，超出了規(guī)定的10%范圍，在7 d后進(jìn)行補(bǔ)償張拉，張拉后其值趨向于穩(wěn)定。

4 討論

在灰?guī)r軟弱地質(zhì)條件下研究了壓力分散型錨索錨固段的應(yīng)力、錨索-巖體耦合效應(yīng)和補(bǔ)償張拉效應(yīng)對(duì)錨索的影響，并推導(dǎo)錨索錨固段剪應(yīng)力和軸力解。軟弱地層中考慮錨索-巖體耦合效應(yīng)，找到錨索施工中較為合適的張拉方式，但其中還有一些亟需解決的問題。

(1)在推導(dǎo)錨固段應(yīng)力解的過程中，為了推導(dǎo)方便，取錨固段的微小段進(jìn)行計(jì)算，且做出的假設(shè)并不完全符合灰?guī)r地質(zhì)條件。特別是考慮到錨固體和巖體之間的界面關(guān)系復(fù)雜，增加了一個(gè)系數(shù)n，并未求解其內(nèi)在的函數(shù)表達(dá)式。

(2)考慮錨固體和巖體的蠕變耦合效應(yīng)模型時(shí)，僅僅通過增加一個(gè)彈簧和廣義的開爾文模型進(jìn)行并聯(lián)，得到的本構(gòu)方程和經(jīng)驗(yàn)公式得出的結(jié)果出入較大，因此模型對(duì)于灰?guī)r等特殊巖體的適用性還需繼續(xù)改善。

(3)雖然選擇的張拉方式通過計(jì)算得出的結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差別較小，但在補(bǔ)償后的整體張拉方面還需要細(xì)致理論解釋。

5 結(jié)論

結(jié)合壓力分散型錨索在寶鼎1號(hào)隧道進(jìn)口路基風(fēng)化灰?guī)r邊坡的工程應(yīng)用，通過理論推導(dǎo)、對(duì)比分析，探討了壓力分散型錨索在灰?guī)r地質(zhì)條件下錨固段應(yīng)力、巖體蠕變和張拉方式對(duì)錨索的影響并得到以下結(jié)論：(1)通過利用錨固段的微小段分析，推導(dǎo)出壓力分散型錨索的切應(yīng)力和軸力公式，對(duì)壓力分散型錨索以后在特殊地質(zhì)條件下的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考；(2)分析研究了幾種常見的蠕變效應(yīng)，著重考慮巖體的蠕變效應(yīng)，并推導(dǎo)出其本構(gòu)方程；(3)對(duì)于張拉方式的選擇，通過利用不同荷載張拉后補(bǔ)償張拉最后整體張拉的方式，有效改善了壓力分散型錨索因?yàn)殄^固段長(zhǎng)度不同帶了的應(yīng)力集中產(chǎn)生破壞的問題，并和監(jiān)測(cè)值對(duì)比，相差很小，驗(yàn)證了張拉方式的正確性。研究結(jié)果可為以后其他類似工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。