边坡岩体锚固性能研究及其工程应用
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摘要
岩体锚固是岩土工程领域中非常重要的分支，而岩体锚固性能研究是岩体锚固中的核心问题之一。采用锚固技术进行边坡岩体的加固和防护是最普遍、最经济和最有效的方法之一。针对边坡岩体锚固性能研究及其工程应用中存在的受力特性、长期性能和耐久性等问题开展了比较深入系统的研究工作。
本文主要研究成果如下：
(1)基于弹性理论，按照半空间体在边界上受法向集中力作用，对预应力锚索锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行模型研究。通过分析实际工程和现场试验中剪应力分布特征，引入与预应力、锚固段长度、岩体强度、注浆材料强度等相关的综合参数α和与剪应力最大值的位置、锚固段钻孔直径等相关的综合参数β后，可以较好地模拟锚固段的剪应力特性。根据锚固段岩体和注浆体界面的抗压强度σ_c、内摩擦角φ以及综合参数α与预应力大致成线性反比例关系，可以估算极限承载力。同时，按本文所述方法计算实际需要的锚固段长度L_s是设计锚固段长度L_d的2tanφ倍。最后，实例分析表明研究成果是合理的。
(2)单孔多筋全长粘结式长锚杆可用于解决不良地质条件、岩性较差边坡的浅表层岩体加固问题。针对乌江构皮滩水电站尾水边坡工程的实际，对锚杆进行试验研究。研究表明，锚杆的基本性能良好。根据监测资料分析锚杆轴力特性，结合前人研究成果，提出锚杆尺寸效应的概念。工程实践证明，锚杆设计合理，值得在类似工程中推广使用。
(3)考虑锚索预应力和边坡岩体蠕变的耦合作用，采用新的非线性粘塑性体(NVPB)组成的改进西原模型，建立了两者的耦合模型，推导了锚索预应力长期变化的计算公式，可以反映各种情形下真实的预应力损失变化规律。针对乌江构皮滩水电站尾水边坡工程中的预应力锚索的现场监测值和理论计算值进行对比分析，验证了计算公式的正确性与合理性。研究成果可以为边坡岩体预应力锚固长期性能提供参考或依据。同时，提出改善预应力锚固长期性能的工程措施。
(4)将预应力锚索注浆体受到的环向应力，考虑为预应力引起的注浆体环向拉应力和锚索体对注浆体的锈胀力共同作用，推导出锚索体均匀锈蚀导致注浆体开裂时的极限增长量计算公式。在前人研究成果基础上，得出了高陡边坡岩体的预应力锚索开裂时服务年限的估算表达式，为预应力锚固耐久性研究提供参考。最后，结合雅砻江锦屏一级水电站左岸1885m高程以上开挖边坡岩体加固工程中的2000kN预应力锚索和3000kN预应力锚索，探讨了与服务年限相关的4个影响因素及其相对重要性：预应力对服务年限最不敏感，随着预应力的增加，服务年限逐渐减小，曲线呈线性函数关系；预应力值的选择主要取决于确保工程的稳定性；锚索体直径要相对敏感很多，随着锚索体直径的增加，服务年限逐渐增加，曲线的斜率逐渐稍微变陡；然后是握裹层厚度，随着握裹层厚度的增加，服务年限也逐渐增加，曲线的斜率逐渐稍微变陡；最敏感的是注浆体抗压强度，随着抗压强度的增加，服务年限逐渐增加，曲线的斜率也逐渐稍微变陡。同时，提出改善预应力锚固耐久性的工程措施。
(5)将边坡岩体锚固性能研究的成果和结论应用于清江水布垭水电站马崖高陡边坡F_(158)断层加固工程中，采用测斜仪、多点位移计、锚索测力计、裂缝计开合度等现场监测资料反馈分析和锚固洞轴力、岩体位移等有限元数值模拟计算相结合，分析了边坡岩体断层锚固的性能，提出了边坡岩体断层连接锚固的概念，对于类似工程具有重要的借鉴价值。
Rockmass anchorage is the very important branch of the geotechnical engineering field. Meanwhile, research on anchorage properties of rockmass is one of the rockmass anchorage cores. Anchorage technique is the most prevalent, the most economical and the most effective measure of reinforcement and protection of rock slope mass. Therefore, the relatively profound and systematic studies on anchorage properties of slope rockmass and its engineering applications are carried out concerned with the mechanical properties, long-term performance, durability, and other problems.
The main contents are as follows:
(1) Model research on distribution regularity of shear stress on anchorage end of prestressed cable is carried out according to half space with concentrated force in normal direction on boundary based on the elastic theory. By the analysis of the distribution characteristics of shear stress in practical engineering and field experiment, the performance of shear stress on anchorage end can be modeled with the introduction to comprehensive parameter ? which is correlated to prestress, length of anchorage end, rock strength, and grout body strength and comprehensive parameterβwhich is correlated to the peak position of shear stress and the diameter of anchorage end. Ultimate load capacity can be calculated according to the compression strengthσ_c and internal friction angleφof the interface of rockmass and grout body and the approximately linear inverse proportion relation. Meanwhile, the design length of anchorage L_d multiplied by 2tanφmakes the practical length of anchorage end L_s which is calculated by the paper's method. Finally, two cases calculation and analysis show that the research production is reasonable.
(2) Bolts with single borehole and wholly grouted multiple bars can be used to solve the reinforcement of shallow and superficial rock mass of unfavorable geologic conditions and worse rock characters. The test on bolts is carried out based on the practice of the tailwater slope which is the bank of the Goupitan hydropower station in Wujiang river. The research shows that the basic properties of bolt is good. The time-dependent axial force of bolt is analyzed based on monitoring data, and combining with the research results of predecessors the concept of the bolt size effect is put forward. The practical project shows that bolts are reasonably designed, conveniently constructed and very economical, which is worthy to be popularized in other similar projects.
(3) Based on improved Nishihara model which is composed of a new nonlinear viscoplastic body (NVPB), the calculation formula of long-term prestress variation is deduced after the coupling model is established, which is concerned with the coupling effects of the load of prestressed cable and the creep curve of rock slope masses. The calculation formula can indicate the actual regularity of prestress loss variation under the various conditions. The comparison between the on-site monitoring data of prestressed cable located in the tailwater slope which is the bank of the Goupitan hydropower station in Wujiang river and theoretical calculations result shows that the calculation formula is available and reasonable. The research results can give some suggestions or criteria for the long-term performance of the prestressed anchorage. Meanwhile, the engineering measures of the improving long-term performance of the prestressed anchorage are put forward.
(4) A calculation formula of limit to growth when grout body cracked is deduced from the hoop stress of prestressed cable grout body, which is concurred between the hoop tension stress is created by pretension and the uniformly corrosion expansion force by cable body. A estimation expression of the service life when grout body of prestressed cable cracked in high and steep slope rockmass is solved based on predecessors' research production, which is the base of the research on the durability of prestressed anchorage. At last, four factors related to service life and their relative importance are discussed, which are combined with the reinforcement engineering's 2000kN and 3000kN prestressed cable located in the excavation slope rockmass upward an altitude of 1885 meter of the left bank at Jinping first stage hydropower station in Yalongjiang river. It is concluded that: the pretension is the most insensitive factor. With the increase of the pretension, the service life decreases, in which the curve is linear. The choice of the prestress value chiefly depends on the guarantee of engineering stability. The influence of the cable body diameter is relatively much stronger than the pretension. With the increase of the cable body diameter, the service life increases, in which the curve's gradient is slightly steepening. The strand should be possibly separately laid out. The influence of bond thickness is a little stronger than the cable body diameter. With the increase of bond thickness, the service life also increases, in which the curve's gradient is slightly steepening. The diameter of the bore hole should be reasonably optimum. Whereas, the compression strength of grout body is the most sensitive factor that affected the service life. With the increase of the compression strength, the service life increases, in which the curve's gradient is also slightly steepening. Meanwhile, the engineering measures of the improving durability of the prestressed anchorage are put forward.
(5) The results and conclusions of the study on anchorage properties of slope rockmass are utilized in the No.158 fault at Maya high and steep slope located in the Shuibuya hydropower station in Qingjiang river. Combination the feedback analysis of the in-site monitoring data included the tiltmeter, the multi-point extensometer, the anchor dynameter, and crack's opening of the joint meter with the FEM calculation results of the axial force along distance of anchorage hole, and the rockmass displacement, the anchorage properties in rock mass fault of slope are analyzed and the concept of connecting anchorage in rock mass fault of slope is proposed. The research results can be used for reference to the similar engineering.
本文主要研究成果如下：
(1)基于弹性理论，按照半空间体在边界上受法向集中力作用，对预应力锚索锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行模型研究。通过分析实际工程和现场试验中剪应力分布特征，引入与预应力、锚固段长度、岩体强度、注浆材料强度等相关的综合参数α和与剪应力最大值的位置、锚固段钻孔直径等相关的综合参数β后，可以较好地模拟锚固段的剪应力特性。根据锚固段岩体和注浆体界面的抗压强度σ_c、内摩擦角φ以及综合参数α与预应力大致成线性反比例关系，可以估算极限承载力。同时，按本文所述方法计算实际需要的锚固段长度L_s是设计锚固段长度L_d的2tanφ倍。最后，实例分析表明研究成果是合理的。
(2)单孔多筋全长粘结式长锚杆可用于解决不良地质条件、岩性较差边坡的浅表层岩体加固问题。针对乌江构皮滩水电站尾水边坡工程的实际，对锚杆进行试验研究。研究表明，锚杆的基本性能良好。根据监测资料分析锚杆轴力特性，结合前人研究成果，提出锚杆尺寸效应的概念。工程实践证明，锚杆设计合理，值得在类似工程中推广使用。
(3)考虑锚索预应力和边坡岩体蠕变的耦合作用，采用新的非线性粘塑性体(NVPB)组成的改进西原模型，建立了两者的耦合模型，推导了锚索预应力长期变化的计算公式，可以反映各种情形下真实的预应力损失变化规律。针对乌江构皮滩水电站尾水边坡工程中的预应力锚索的现场监测值和理论计算值进行对比分析，验证了计算公式的正确性与合理性。研究成果可以为边坡岩体预应力锚固长期性能提供参考或依据。同时，提出改善预应力锚固长期性能的工程措施。
(4)将预应力锚索注浆体受到的环向应力，考虑为预应力引起的注浆体环向拉应力和锚索体对注浆体的锈胀力共同作用，推导出锚索体均匀锈蚀导致注浆体开裂时的极限增长量计算公式。在前人研究成果基础上，得出了高陡边坡岩体的预应力锚索开裂时服务年限的估算表达式，为预应力锚固耐久性研究提供参考。最后，结合雅砻江锦屏一级水电站左岸1885m高程以上开挖边坡岩体加固工程中的2000kN预应力锚索和3000kN预应力锚索，探讨了与服务年限相关的4个影响因素及其相对重要性：预应力对服务年限最不敏感，随着预应力的增加，服务年限逐渐减小，曲线呈线性函数关系；预应力值的选择主要取决于确保工程的稳定性；锚索体直径要相对敏感很多，随着锚索体直径的增加，服务年限逐渐增加，曲线的斜率逐渐稍微变陡；然后是握裹层厚度，随着握裹层厚度的增加，服务年限也逐渐增加，曲线的斜率逐渐稍微变陡；最敏感的是注浆体抗压强度，随着抗压强度的增加，服务年限逐渐增加，曲线的斜率也逐渐稍微变陡。同时，提出改善预应力锚固耐久性的工程措施。
(5)将边坡岩体锚固性能研究的成果和结论应用于清江水布垭水电站马崖高陡边坡F_(158)断层加固工程中，采用测斜仪、多点位移计、锚索测力计、裂缝计开合度等现场监测资料反馈分析和锚固洞轴力、岩体位移等有限元数值模拟计算相结合，分析了边坡岩体断层锚固的性能，提出了边坡岩体断层连接锚固的概念，对于类似工程具有重要的借鉴价值。
Rockmass anchorage is the very important branch of the geotechnical engineering field. Meanwhile, research on anchorage properties of rockmass is one of the rockmass anchorage cores. Anchorage technique is the most prevalent, the most economical and the most effective measure of reinforcement and protection of rock slope mass. Therefore, the relatively profound and systematic studies on anchorage properties of slope rockmass and its engineering applications are carried out concerned with the mechanical properties, long-term performance, durability, and other problems.
The main contents are as follows:
(1) Model research on distribution regularity of shear stress on anchorage end of prestressed cable is carried out according to half space with concentrated force in normal direction on boundary based on the elastic theory. By the analysis of the distribution characteristics of shear stress in practical engineering and field experiment, the performance of shear stress on anchorage end can be modeled with the introduction to comprehensive parameter ? which is correlated to prestress, length of anchorage end, rock strength, and grout body strength and comprehensive parameterβwhich is correlated to the peak position of shear stress and the diameter of anchorage end. Ultimate load capacity can be calculated according to the compression strengthσ_c and internal friction angleφof the interface of rockmass and grout body and the approximately linear inverse proportion relation. Meanwhile, the design length of anchorage L_d multiplied by 2tanφmakes the practical length of anchorage end L_s which is calculated by the paper's method. Finally, two cases calculation and analysis show that the research production is reasonable.
(2) Bolts with single borehole and wholly grouted multiple bars can be used to solve the reinforcement of shallow and superficial rock mass of unfavorable geologic conditions and worse rock characters. The test on bolts is carried out based on the practice of the tailwater slope which is the bank of the Goupitan hydropower station in Wujiang river. The research shows that the basic properties of bolt is good. The time-dependent axial force of bolt is analyzed based on monitoring data, and combining with the research results of predecessors the concept of the bolt size effect is put forward. The practical project shows that bolts are reasonably designed, conveniently constructed and very economical, which is worthy to be popularized in other similar projects.
(3) Based on improved Nishihara model which is composed of a new nonlinear viscoplastic body (NVPB), the calculation formula of long-term prestress variation is deduced after the coupling model is established, which is concerned with the coupling effects of the load of prestressed cable and the creep curve of rock slope masses. The calculation formula can indicate the actual regularity of prestress loss variation under the various conditions. The comparison between the on-site monitoring data of prestressed cable located in the tailwater slope which is the bank of the Goupitan hydropower station in Wujiang river and theoretical calculations result shows that the calculation formula is available and reasonable. The research results can give some suggestions or criteria for the long-term performance of the prestressed anchorage. Meanwhile, the engineering measures of the improving long-term performance of the prestressed anchorage are put forward.
(4) A calculation formula of limit to growth when grout body cracked is deduced from the hoop stress of prestressed cable grout body, which is concurred between the hoop tension stress is created by pretension and the uniformly corrosion expansion force by cable body. A estimation expression of the service life when grout body of prestressed cable cracked in high and steep slope rockmass is solved based on predecessors' research production, which is the base of the research on the durability of prestressed anchorage. At last, four factors related to service life and their relative importance are discussed, which are combined with the reinforcement engineering's 2000kN and 3000kN prestressed cable located in the excavation slope rockmass upward an altitude of 1885 meter of the left bank at Jinping first stage hydropower station in Yalongjiang river. It is concluded that: the pretension is the most insensitive factor. With the increase of the pretension, the service life decreases, in which the curve is linear. The choice of the prestress value chiefly depends on the guarantee of engineering stability. The influence of the cable body diameter is relatively much stronger than the pretension. With the increase of the cable body diameter, the service life increases, in which the curve's gradient is slightly steepening. The strand should be possibly separately laid out. The influence of bond thickness is a little stronger than the cable body diameter. With the increase of bond thickness, the service life also increases, in which the curve's gradient is slightly steepening. The diameter of the bore hole should be reasonably optimum. Whereas, the compression strength of grout body is the most sensitive factor that affected the service life. With the increase of the compression strength, the service life increases, in which the curve's gradient is also slightly steepening. Meanwhile, the engineering measures of the improving durability of the prestressed anchorage are put forward.
(5) The results and conclusions of the study on anchorage properties of slope rockmass are utilized in the No.158 fault at Maya high and steep slope located in the Shuibuya hydropower station in Qingjiang river. Combination the feedback analysis of the in-site monitoring data included the tiltmeter, the multi-point extensometer, the anchor dynameter, and crack's opening of the joint meter with the FEM calculation results of the axial force along distance of anchorage hole, and the rockmass displacement, the anchorage properties in rock mass fault of slope are analyzed and the concept of connecting anchorage in rock mass fault of slope is proposed. The research results can be used for reference to the similar engineering.
引文
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