（工程力学专业论文）砂浆锚杆服役年限的研究.pdf

砂浆锚杆服役年限的研究 学科：工程力学 鬻71 j u - - = i - * 一4 i 蕊。艇 艚柳婵2 始一4 。气色 锚杆技术已经在世界各地的岩土工程中得到了日益广泛的应用。锚杆的先进性，可靠性， 经济性无可怀疑。问题是，在用作永久支护的无数工程中，它们的寿命究竟有多长，是否有 一天会失效，成为工程中的不安全隐患，造成事故。这类问题在现有的工程中已经出现，引 起了大量工程人员的关注。锚杆使用年限的研究，对已建成的岩土锚固工程的剩余寿命估算 提供依据，对待建的岩土锚固工程设计提供参考。 鉴于此本文对这类问题进行了深入研究。对已经使用2 2 年的砂浆锚杆参数研究，以取得 锚杆在真实使用环境下的腐蚀速度为目的，采用仿真模拟和真实测量相结合，对砂浆锚杆的 使用年限展丌系统的研究。首先，依据现场环境，对锚杆进行单因素实验，确定了不同因素 间对锚杆的影响。其次，采用现场实验对锚杆参数进行力学分析，以美国学者w e y e r s 的估算 模型为基础，建立了特定环境下的新模型。 采用现场采集试样分析和实验室仿真模拟相结合，得到了如下两点结论：其一，不同单 一离子的腐蚀规律及相互之间会产生抑制作用。其二，确立了锚固结构碳化准则和锚杆锈蚀 准则两个不同针对砂浆锚杆使用年限的估算评判标准。通过现场采集测量与理论计算的对比， 发现两者结果基本吻合，确立了本文研究的正确性与合理性。 关键词：锚杆；服役年限；模型；现场实验；估算标准 r e s e a r c ho fb o l tr o c k ss e r v i c el i f e d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c se n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e p 急黾仰 a b s t r a c t n 移k d b o l tr o c kh a sb e e nu s e dw i d e l yi ng e o e n g i n e e r i n ga l lo v e rt h ew o r l di nr e c e n ty e a r s t h e r e sn o d o u b ta b o u tb o l t sa d v a n c e d ，r e l i a b l i l i t ya n de c o n o m y t h eq u e s t i o ni s ：i nm a n ye n g i n e e r i n g sw h i c h a r en od e a d l i n ef o ru s e ，h o wl o n gc a nt h eb o l tr o c kb e e nu s e d ，i fo n ed a yi t sn o tw o r k e d ，e v e ni tm a y c a u s ea c c i d e n t s t h i sp r o b l e md o e se x i s ta n da t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s t h er e s e a r c ho f b l o t ss e r v i c el i f ec a np r o v i d ep r o v e so ft h eb o l te n g i n e e r i n g sr e s ts e r v i c el i f ew h i c hh a sb e e nb u i l t f o ry e a r sa n dt h eb o l tp r o g r a m sw h i c ha r eg o i n gt ob u i l d a c c o r d i n g t ot h i s ，w e v ed o n er e s e a r c ht ot h o s ep r o b l e m s r e s e a r c ht h eb o l tc e m e n tp a r a m e t e r w h i c hh a sb e e nu s e df o r2 2 y e a r st og e tt h es p e e do fc o r r o s i o ni nt h er e a le n v i r o n m e n t ，w ec o m b i n e t h es i m u l a t ei m i t a t i n ga n dr e a lm e a s u r et og e ts e r v i c el i f ei ft h eb o l tc e m e n t a tf i r s t ，b a s e ds c e n e e n v i r o n m e n t ，e x p e r i m e n tt h eb o l ti nc h a n g i n gs i n g l ef a c t o rt og e tt h ea f f e c to fb o l tf o r me v e r ys i n g l e f a c t o r t h es e c o n d ，u s e dt h em e c h a n i c sa n a l y s i sf o rb o l tr o c kp a r a m e t e ri ns c e n ee n v i r o n m e n t ，b a s e d t h ep r o f e s s o rw e y e r s se s t i m a t em o d e l s ，b u i l tn e wm o d e l si ns p e c i a le n v i r o n m e n t w et a k es c e n ea n a l y s ea n ds i m u l a t ei m i t a t i n gt o g e t h e r ，f i n dc o n c l u s i o n ：t h eo n ei se v e r y s i n g l ei o nc a nc a u s er e s t r a i na n dw eg e tt h ec o r r o s i o nr e g u l a rp a t t e r n t h eo t h e ri sd e f i n et h ee s t i m a t e s t a n d a r ds e r v i c el i f eo fb o l tr o c kw h i c hc o n t a i n sa c i e r a t i o na n dr u s t e a t e nt w ow a y s c o m p a r es c e n e m e a s u r ea n dt h e o r yc o m p u t e ，f i n dt h er e s u l tf i tb a s i c a l l yt op r o v et h i sr e s e a r c h sc o r r e c t n e s sa n d r a t i o n a l i t y k e y w o r d s ：b o l tr o c k ；s e r v i c el i f e ；m o d e l ；s c e n ee n v i r o n m e n te x p e r i m e n t ；e s t i m a t es t a n d a r d 主要符号表 原岩应力 锚杆对巷道周边支护抗力 塑性区径向位移 塑性区加锚杆后粘结力 锚杆的有效锚固长度 巷道围岩塑性区半径 巷道丌挖半径 岩层锚杆的极限抗拨力 土层锚杆的极限抗拨力 围岩剪切模量 碳化速度系数 误差函数 误差余函数 原岩内摩擦角 锚杆应变 锚固区( 塑性区) 围岩应变 单位长度钢筋锈蚀量 钢筋的密度 单位长度钢筋的质量 握裹层内某深度处的氯离子浓度 握裹层表面氯离子浓度 岩 上 f f 自 盯 0 r r u g k h b k g k 啪阱 缈pq g 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 指导教师签名 日期： 、) 巧飘、 l ，一i 一 ，1r 吞 、 妒罗3 、， ， 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另j ) j n 以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 、 1 才蜘 i 艚狮躲她气啄 同期：2 u 心夕、y ， 1 绪论 1绪论 1 1 砂浆锚杆服役年限研究的研究意义 尽管锚杆技术的应用已有将近一个世纪，但是，其理论研究远远落后于施工水平的现 状是一个有目共睹的事实，尤其是锚杆服役年限的研究更是处于起步阶段。锚杆经常应用 于安全度等级要求较高的工程当中，其中有些甚至属于国家生命线工程，比如大坝坝基和 坝肩的加固，大跨度地下洞室和矿山巷道的支护，岩土高边坡的稳定性加固以及交通隧道 的围岩支护等等。服役年限的正确估算是安全评价的一项重要指标，因此锚杆耐久性的优 劣对锚固工程能否安全和正常的工作有至关重要的影响。 由于锚杆的工作环境多为岩体和土体，周围可能存在侵蚀性介质和杂散电流，环境条 件比较复杂，且用作永久支护，在这样的工作环境和长期使用条件下会逐渐老化、损伤甚 至破坏，再加上锚杆自身防护系统不完善等内在因素，导致了锚杆耐久性不足的现象时有 发生。锚杆( 索) 一旦破坏，其对岩土结构提供的预压应力就会彻底丧失，就会导致加固的 岩土结构发生破坏。因此恶劣的地下腐蚀环境和锚固结构较强的隐蔽性对岩土预应力锚杆 ( 索) 的服役年限的研究就显得更为重要。 世界各地均发生过锚固失效的工程实例：国际后张预应力协会( f i p ) 的地锚工作小 组曾收集到3 5 例锚杆( 索) 腐蚀破坏的实例：瑞士一座由砂浆锚杆加固的过水涵洞在锚固5 年后倒塌，原因是内锚段所在地层的地下水中含有腐蚀性物质和劣质施工使内锚段未注满 水泥浆，导致锚杆暴露在腐蚀性的透水地层中产生严重腐蚀破坏：阿尔及利亚一座大坝的 加固锚索锚头附近的油布保护层撕破，造成若干锚索因锚头附近局部腐蚀而破坏；印度孟 买s h s n e 河上的后张预应力混凝土桥由于预应力筋过早发生严重腐蚀而不得不提早更换； 英国南威尔斯a a f n 河上的名为y n y s y g w a s 的单跨后张预应力混凝土桥由于桥面上除冰 盐的沿各纵梁接缝处的渗入使后张预应力筋遭受了严重的腐蚀而导致了整座桥的倒塌。据 报道， a c o y n e 于1 9 3 3 1 9 3 4 年在为加固舍尔法大坝所设计的3 4 根1 ，0 0 0 0 k n 级预应力 锚索中即采用了防腐技术措施，但在2 0 a 后对该坝进行检查时发现预应力损失己达9 ， 出现这种情况，估计与锚头松弛及腐蚀因素有关。r o m n a o f f 于1 9 6 2 年对埋设在土介质中 的钢柱的锈蚀情况进行观察，发现钢柱锈蚀主要发生在置于回填土中的部分，而置于原状 土中的基本无锈蚀，原因是回填土土质疏松，其中含有大量氧气。观察发现，不加任何防 护的洁净碳钢，在潮湿的坑道内放置1 昼夜即可见显著锈斑，3 昼夜便出现连续锈层【2 1 。 国际后张预应力协会( f p i ) 的地锚工作小组对收集到的3 5 例预应力锚杆( 索) 腐蚀破坏 实例进行了统计分析。3 5 例调查显示：2 4 例是永锚杆，其中有些是有保护措施的，有些没 有保护措施的，11 例是除锚固段有水浆包裹和偶尔自由段有隔离套外无保措施的临时锚 杆；就破坏部位而言，1 2 例发生在锚头或距锚头l m 以内，2 1 例生在自由段，2 例发生在 两安_ t 业大学硕+ 学位论文 锚固段；不何种类型的锚杆( 索) ，腐蚀都是在锚固长度局部发生的；就使用年限而言，9 例发 生在6 个月内，1 0 例发生在6 个月至2 年内，其余1 8 例发生在2 内至3 1 年；锚索短期破 坏是由于应力腐蚀或氢脆作用所致，其原因是锚索处在腐蚀性较强的环境中，锚索没有防 护层或防护不当。表1 1 对这3 5 例结果进行了统计。 表1 13 5 例地锚腐蚀破坏实例统计分析 工程实际应用中的经验教训在提醒我们，锚固结构的安全性和耐久性问题十分突出， 必须引起高度重视。锚杆技术的发展巫待理论研究的深入，锚杆( 索) 的研究再也不能仅仅 局限于施工技术了，锚杆( 索) 安全度特别是耐久性已成为了一个急亟待解决的问题。如果 我们再不重视锚杆的耐久性，并在理论上进行系统研究，在工程建设中进行主动性的预防， 那么将会在目前乃至今后建设的大型基础设施工程中留下隐患，甚至会导致国民经济的重 大损失和危及国家人民生命财产的安全。 锚杆技术已经在世界各地的岩土工程中得到了日益广泛的应用。锚杆的先进性，可靠 性，经济性无可怀疑。问题是，在用作永久支护的无数工程中，它们的寿命究竟有多长， 是否有一天会失效，成为工程中的不安全隐患，造成事故。这类问题在现有的工程中已经 出现，引起了大量工程人员的关注。锚杆服役年限的研究，对已建成的岩土锚固工程的剩 余寿命估算提供依据，对待建的岩土锚固工程设计提供参考。 1 2 锚固结构服役年限的研究历史及动态 1 2 1 国外研究历史及动态 服役年限即耐久性问题，耐久性问题的起源最早要追溯到1 9 世纪初波特兰水泥的发 明。当时将它广泛用作混凝土的胶凝材料，并将波特兰水泥混凝土最先运用到防波堤、码 头、灯塔等海上构筑物中。由于长期经受外部介质的强烈影i 匈，其中包括物理作用的影向 和化学作用的影响1 3 ，因此在较短的使用期内就导致了这些构筑物的破坏。人们围绕着 构筑物中混凝土的腐蚀情况丌展了大量的研究。 十九世纪，前苏联在混凝土结构使用年限方面的研究走在了世界前列。在海上构筑物 使用年限的研究中，前苏联的学者们做了大量的前期工作【4 1 ：1 9 0 2 年，著名建筑工程师a p 舒良琴柯和b h 察尔诺姆斯基对欧洲各港口构筑物使用状况进行了实地调查研究，认为 波特兰水泥适用于建造海上水工建筑物；1 9 0 4 年，a a 巴依考犬和b h 察尔诺姆斯基对俄 罗斯各港口也进行了类似的调查，却得出了相反的结论。时至今同，波特兰水泥混凝上在 2 1 绪论 海水中破坏原因和使用年限问题仍是一个悬而未决，颇具争议的学术问题。十九世纪四十 年代，卓越的法国工程师兼研究家维卡出版了历史上第一部研究海水对水硬性胶凝材料制 成的混凝土腐蚀破坏的科研著作水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研 究，反映了当时海上构筑物的耐久性研究己形成了初步的理论体系。而前苏联a a 贝科 夫的著作，无论在基础理论方面还是在实际应用方面，都对混凝土腐蚀研究的发展起了重 大作用。十九世纪后期，第一批钢筋混凝土构件问世，并首次应用于工业建筑和构筑物， 混凝土结构使用年限研究也出现了新的课题，即如何解决钢筋混凝土在化学活性物质腐蚀 条件下安全使用的问题。此外，钢筋混凝土在工业区大气中的使用年限也成为一个突出的 问题。 2 0 世纪2 0 年代初，混凝土结构的形式不断出新，设计理论日趋成熟，应用领域同益 广泛。混凝土结构的不断发展给耐久性研究带来了新的课题。进入二十世纪以后，更多的 国家开始关注混凝上结构的使用年限问题【5 1 ：1 9 2 5 年，美国的密勒在硫酸盐含量极高的土 壤内进行长期试验，其目的是为了获得2 5 年、5 0 年以致更长时期的混凝土腐蚀数据，目 前已公布了2 5 年的试验结果；联邦德国钢筋混凝土协会利用混凝土构筑物遭受沼泽水腐 蚀而破坏的实例，也对混凝土在自然条件下的腐蚀情况做了一次长期试验：1 9 3 4 1 9 6 4 年 间，坎皮斯对混凝土在海水中的耐久性进行的试验和戈尔夫对海上码头建筑物中混凝土耐 久性研究工作所做的总结报告，提供了更多有关混凝土构筑物在自然条件下使用情况的可 靠数据，以及有关水泥种类、混凝土配合比和某些生产因素对混凝土抗蚀性影响方面的见 解。同时前苏联继续深入开展了混凝土腐蚀的研究工作【6 】。19 3 7 年，前苏联科学院举行 了第一次全苏混凝土腐蚀及其防护方法会议：同时还制定了研究混凝土腐蚀的基本方法， 编制了第一批有关环境水对水工构筑物侵蚀性的标准，研究了各种水泥制作的混凝土对天 然水腐蚀作用的抗蚀性。 2 0 世纪中期以后，锚固结构的耐久性研究内容有了进一步的拓展，不再仅仅局限于 混凝土的腐蚀研列7 1 。1 9 5 1 年，前苏联学者a a 贝科夫和b m 莫斯克文最先开始了锚杆 腐蚀研究，其目的是为了解决混凝土保护层最小的薄鼙结构的防腐问题和使用高强度材料 制作锚杆的问题1 8 】，这标志着锚固结构的耐久性研究不断向着全面与纵深的方向发展。 b m 莫斯克文在腐蚀过程机理研究的基础上出版了混凝土的腐蚀一书，提出了锚固 结构中混凝土腐蚀过程理论方面的基本观点【9 1 。1 9 5 4 年，前苏联成立了混凝土及钢筋混 凝土科学研究所中央实验室，它是世界上研究混凝土和钢筋混凝土腐蚀及其防护方法的最 早机构【l 。前苏联在大规模研究工作的基础上，已经制定了建筑业中混凝土和钢筋混凝 土的防腐标准规范，为建造锚同结构奠定了基础。 1 9 5 7 年美国混凝土学会( a c i ) 成立了委员会a c l 2 0 1 ，负责指导混凝土耐久性方面的 研究。1 9 6 0 年国际材料与结构研究所联合会( r i l e m ) 成立了“混凝土中钢筋腐蚀 技术 委员会，旨在推动混凝土结构耐久性研究的发展。1 9 6 1 年和1 9 6 9 年r l l e m 召丌了国际 混凝土耐久性学术会议：1 9 7 0 年在布拉格召丌了第六届、第七届国际水泥化学会议：1 9 7 8 两安1 i 业大学硕十学位论文 年至1 9 9 3 年连续六次召开了建筑材料与构件的耐久性学术会议。1 9 8 7 年，r l i e m 和国 际建筑研究文献协会( c i b ) 联合组成了建筑材料及构件使用寿命预测委员会，共同研究锚 固结构的寿命预测问题：1 9 8 7 年在亚特兰大召开了“第一届混凝土耐久性会议”；1 9 8 9 年 i a b s e 在旱斯本召开了“锚固结构耐久性国际会议”；1 9 9 3 年i a b s e 在丹麦哥本哈根召 开了锚固结构残余能力国际学术会议；2 0 0 0 年9 月在新加坡召开了“锚固结构的缺陷的耐 久性和修补的第六次国际会议；同年1 1 月在法国由r l i e m 主办召开了“结构的寿命预 测和耐久性设计国际会议”；2 0 0 1 年3 月i a b s e 代表c i b 、e c c s 、f i b 、r i l e m 等组织 在马耳他岛召开了“安全性、风险性与可靠性一一工程趋势 的国际学术会议。 同时，许多国家都制定了确保混凝土结构耐久性的相关规范规程，标志着混凝土结构 的耐久性研究已初步完成了从实践一一理论一一实践的过程。日本建设省从1 9 8 0 年就组 织进行“结构耐久性提高技术”开发研究，并于1 9 8 5 年提交了研究成果概要报告，1 9 8 6 年日本颁布了考虑耐久性的锚固结构设计、施工和维修规程，该规程以锚固结构的一 生管理为基础，强调锚固结构的全过程管理，重视预防性维修，延长结构的使用寿命，随 后又编制了结构耐久性鉴定规程等一系列的耐久性设计、鉴定规程和方法。日本土木 学会混凝土委员会于1 9 9 2 年又推出锚固结构现状调查、诊断、维修指南。同年，欧 洲岩土委员会颁布了耐久性锚固结构设计指南【8 】，反映了当今欧洲锚固结构耐久性研 究的水平，提出基于破坏概率设计理论的锚固结构耐久性设计概念。 由于国外应用锚同结构技术较早，因而对这些方法的耐久性问题的观测和认识也较早 【1 1 1 。采用这些先进的支护技术，虽然已经获得了巨大的成功，但也发生过不少锚固结构 未达到设计寿命而出现失效的问题。在上世纪6 0 年代术、7 0 年代初，法国、瑞士、捷克、 澳大利亚先后颁布了地层锚杆的技术规范与锚索技术条例；8 0 年代术、9 0 年代初又制定了 土钉技术指南。这些技术标准充分考虑了锚固类结构在腐蚀环境中的防护问题，对其设计 和施工作了严格规定。1 9 7 5 年挪威岩石爆破技术研究所( n o r w e g i a ni n s t i t u t eo fr o c k b l a s t i n gt e c h n i q u e s ) 的r s c h a c h 等出版了岩石锚杆实用手册( r o c kb o l t i n g ap r a c t i c a l h a n db o o k ) 。2 0 世纪8 0 年代，德国出版了包括土锚和岩锚在内的系列丛书，对基础工程 中的拉锚( 索) 和岩石锚杆的全过程使用提出了明确要求。1 9 7 4 至1 9 8 1 年，美国a s t m 委 员会出版了一套8 本专门论述地上地下各种腐蚀对金属材料的效应的丛书，其中包括自然 环境腐蚀、应力腐蚀和防蚀措施等，具有较大影响。 1 2 2 国内研究历史及动态 我国关于锚同结构耐久性与服役年限的研究甚少。国内的相关研究有上世纪7 0 年代 末8 0 年代初所做的水工钢闸门防腐研究，以及环氧涂层在水利工程中的防腐研究等【l2 1 。 近年来，我国土木工程界许多专家学者，对工程的安全性和耐久性问题非常重视，推动了 锚周结构服役年限估算的研究。近年来结构使用寿命f 、u j 题的研究，已成为锚固结构工程的 重要课题。 8 0 年代起，钢筋混凝土结构的耐久性问题逐渐引起重视，1 9 8 9 年我国颁布了钢铁 4 1 绪论 工业建( 构) 筑物可靠性鉴定规程【i3 1 ，规定了钢筋混凝土结构使用寿命预测方法。9 0 年 代初，我国锚固结构的耐久性研究开始进入了有组织的工作阶段。1 9 9 0 年4 月，建设部 组织成立了全国重大锚固工程鉴定与加固委员会，两年召开一次学术会议：1 9 9 1 年1 2 月 我国制定了全国锚固结构耐久性设计规程。建设部在“七五 和“八五 期间都专门设立 课题研究含混凝土结构的耐久性问题。“七五”攻关课题为“大气条件下钢筋混凝土结构 耐久性及其使用年限”，包括结构的耐久性调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温、湿度对碳 化的影响等；“八五”课题为“预应力锚固结构及混凝土耐久性技术”，包括拟建锚固结 构耐久性设计方法，服役锚固结构的耐久性检测和评估方法，“八五”期间，国家科委、 国家自然科学基金设立以刘西拉教授为首席科学家的“重大土木与水利工程安全性与耐久 性基础研究”项目( 攀登计划b 项目) ，以结构“生命过程”三阶段为主线，对安全性与耐 久性丌展系列研究，涉及结构耐久性的内容有耐久性综合检测系统、影响结构耐久性的各 种数学物理模型、测试及模拟试验方法、耐久性设置标准等【1 4 】。1 9 9 6 年，清华大学、建 设部建筑科学研究院、交通部科学研究院公路科学研究所、冶金部建筑研究院等单位联合 完成了混凝土结构耐久性检测指南的编写工作。1 9 9 8 年经建设部批准，全国建筑物 鉴定加固标准委员会开始组织混凝土结构耐久性评估标准的编写工作。交通部正在组 织由陈肇元院士主持执笔编制混凝土结构耐久性及耐久性设计指南。 不过，上述研究的腐蚀条件与锚固类结构的有所不同。造成锚固结构腐蚀的环境是岩 土介质及地下水中的侵蚀性介质、双金属作用以及地层中存在的杂散电流。在一定条件下， 岩土介质中的酸碱度( p h ) 、氯化物以及硫酸盐等，均可对锚固结构造成腐蚀。锚杆( 索) 一 般都施加预应力，目前有的锚索预应力己超过1 0 ，0 0 0 k n ，并且还有向更高吨位发展的趋 势，因此应力腐蚀问题不容忽视。加之锚固结构的缺陷十分严重，这大多数是盲目追求施 工进度，偷工减料所致。锚杆( 索) 安装后通常灌注水泥砂浆或纯水泥浆，这种水泥含量高、 砂含量少或无砂的胶凝介质，较混凝土更不耐腐蚀。加之握裹层薄，水灰比大，无压或低 压灌注，对中支架使用不当，使得锚杆( 索) 浆液灌注不饱满，干缩严重，最小握裹厚度得 不到保证，局部无握裹层的情况较为严重。由于工程地质条件千差力别，锚固结构还可能 处于密闭潮湿、永久浸泡、干湿交替等多种环境下工作。初步研究表明：在永久浸泡条件 下，锚杆体在弱酸性溶液的平均腐蚀速率为中性和弱碱性中的2 倍以上，而在弱碱性溶液 中的腐蚀速率又比中性中的略高；置于密闭且空气相对湿度为1 0 0 条件下的锚杆，其腐蚀 速度仅为永久浸泡和干湿交替时间腐蚀速率的1 5 左右：无论在何种实验环境中，锚杆腐 蚀量均随时间延长而增加，腐蚀速率则随时间延长而减小。而且，由于锚固结构属于隐蔽 工程，要对其服役年限有较为准确的把握，较一般混凝土结构服役年限的研究更为困难， 国内直接针对锚固结构使用寿命及防护对策所做的研究工作鲜见报道。1 9 8 5 年7 月至1 9 8 7 年7 月，总参工程兵科研三所以“砂浆锚杆的腐蚀与防护研究”为题，开展了锚杆使用寿 命初步研究，得出了一些有益结果，但现场取样尚不广泛，室内试验欠系统深入。1 9 9 6 至1 9 9 7 年，总参工程兵科研三所开展了“地下工程水泥砂浆在腐蚀环境中的耐久性试验” 西安t 业大学硕+ 学位论文 研究，制作了5 1 6 个试件进行了为期7 2 0 d 的单因素腐蚀试验。根据试验结果，可以预估 水泥砂浆在腐蚀环境下的强度损失率的发展趋势，在己知腐蚀环境中腐蚀介质浓度并给定 强度损失率限值条件下，可推算出地下工程中水泥砂浆的耐腐蚀年限。 锚固结构在我国各类工程各种地层条件中业己应用4 0 余年，但很少有技术标准对它 们的耐久性、使用寿命、设计寿命和防护对策提出相应要求。总参工程兵科研三所于1 9 9 9 年根据自身长期从事预应力锚索研制、设计和施工的经验，并借鉴国外技术标准，编制了 中华人民共和国国家军用标准岩土工程预应力锚索设计与施工技术规范，其中一章对 预应力锚索的“腐蚀与防腐”提出了要求，不过还只是停留在定性阶段，所提防护措施与 要求多建立在工程经验基础之上，尚缺乏足够的理论基础和试验依据【l 5 | 。 岩体锚固结构服役年限研究试验内容比较丰富、数值模拟方法较多、现场实践性比较 强，研究进展已经取得可喜可贺的成绩，对提高岩体锚固的设计、施工、监理等技术水平 和增强解决复杂岩体锚固的能力并估算使用寿命具有重要意义。但是，在实践性极强的岩 上工程领域中，工程实践往往明显地超越理论研究、现场监测研究和数值模拟结果等。例 如，岩体锚固性能理论研究方法明显滞后于工程应用，甚至有时会脱离工程地质环境的实 际。工程设计与加固方案必须首先要充分地掌握影响岩体稳定的主要因素，包括地形地貌、 地层岩性、地质构造、地表地下水等相关因素。充分利用自然界自身的稳定条件，改造不 稳定部分使岩体长期处于稳定状态【1 6 】，保证锚固结构的安全性，提高锚固结构服役年限。 1 3 本文的研究特点 锚杆服役年限研究是一门综合性的边缘科学，涉及数学、力学、物理、化学、材料、 结构等多个领域。因此该问题的研究需要从多角度，利用多种研究方法交叉进行，才可能 有所突破。 锚杆服役年限研究是一个多目标、多因素的系统工程问题。影喇t 4 田4 - 杆耐久性的因素众 多，并且相互祸合作用：而表征锚杆耐久性的指标往往不止一个( l l o t j 耐久性等级、剩余寿 命、可靠度等1 ，因此在考虑众多影响因素的前提下，使锚固系统的耐久性达到最优的问 题是一个典型的系统工程问题。 锚杆服役年限问题具有不确定性、模糊性和随机性。锚杆技术的特点决定了它的隐蔽 性，因此在锚杆施工完成以后，如果我们不采取特殊的监测方法，我们很难知道它在使用 过程中的工作性能。而且在锚杆的制作、施工和使用工程中，存在大量未知的自然或人为 的因素，导致锚杆的材料性能、防护系统、锚固效果都存在大量不可知的信息，使锚杆的 耐久性问题具有了不确定性、模糊性和随机性。 对锚固体进行服役年限评估，可以揭示潜在的危险，及时做出维修决策。锚同工程支 护用的砂浆锚杆一般都是永久性的，要求锚杆具有良好的耐久性能。但是由于锚杆的工作 环境较恶劣，因此经常出现锚杆耐久性下降，甚至失效的现象。为防忠于未然，应该在锚 固工程交付使用之后定期地通过外观检查和物理检测手段对锚杆的承载能力、锚固效果以 6 l 绪论 及防护系统等各方面进行综合评估和剩余寿命预测，并根据锚固工程的使用年限和安全等 级进行必要的防护和维修，从而实现锚杆使用全寿命内的安全跟踪，大大提高锚固工程的 耐久性。 对锚固体进行服役年限评估，其成果可用于锚杆的耐久性设计。目前锚杆的设计多采 用经验方法，导致在一些工程中，锚杆的使用过于保守：而在另一些工程中，则存在锚杆 耐久性不足的现象。锚杆服役年限研究的成果可以应用于待建工程的耐久性设计，根据待 建工程的使用寿命和安全度等级，寻求耐久和经济的最佳平衡点。 对锚固体进行服役年限评估，可以揭示影口i 叼tt 田4 1 - 杆服役年限的内部和外部因素，对锚杆 的设计和施工过程具有一定的指导意义，并有助于提高设计水平和施工质量，对不利的影 响因素采取有针对性的防护措施，一旦在这两个环节中出现问题，其后果会在使用过程中 被成倍地放大，造成不可估量和无法挽回的损失，大大减少使用年限。 1 4 本文研究内容和技术路线 锚杆作为永久支护的一种手段，随着时间的推移，发生事故的可能性极大，砂浆锚杆 的工作环境多为地质复杂环境恶劣，是导致锚杆锈蚀和锚固结构失效的主要因素，因此本 文的主要研究重点在于锈蚀对砂浆锚杆服役年限的影响。锈蚀对砂浆锚杆的影响表现为量 和质两个方面。量的影响是指锈蚀使得锚杆体产生一系列化学反应，导致锚杆截面减小： 质的影向是指杆体表面的锈蚀改变了其原来的表面性态，导致锚杆截面减小，进而造成承 载力下降。本文的研究主要从这两个方面着手，研究手段以理论研究、模型分析和试验验 证为主。 ( 1 ) 理论研究对比现有研究成果，本文拟建立更加符合工程实际的应用于砂浆锚杆服 役年限估算的寿命准侧。由于砂浆锚杆支护的隐蔽性加之工程的施工质量，于是存在握裹 层厚度不均的现象。因此，寿命准侧并非目前大多数文献中建立的单一准侧。本文拟建立 更加符合工程实际的应用于砂浆锚杆使用年限估算的寿命准侧，以此为砂浆锚杆服役年限 的估算提供依据。 ( 2 ) 模型分析结合已有的理论模型，经验模型和数值模型，加入时间因子，以美国学 者w e y e a r s 的估算模型为基础，结合误差函数特性，对原有模型进行转化，在符合工程真 实有效的前提下，得到了新的由锈蚀引起的服役年限估算模型。 ( 3 ) 实验验证以采集了使用了2 2 年的老爷岭隧道锚杆为研究对象，真实测量物理及力 学参数，依据使用年限估算的寿命准侧，估算了老爷岭隧道内锚杆的服役年限。并依据测 量的数据验证由锈蚀引起的服役年限估算模型。 7 两安丁业大学硕十学位论文 2 砂浆锚杆服役年限研究方法现状及特点 岩体锚固耐服役年限研究在其工程应用主要包括锚杆、预应力锚( 杆) 索岩固技术措施 和锚固工程的受力特性( 主要为重大岩体锚固工程设计期间服务) 、长期性能( 主要为重大岩 体锚固工程施工期间服务) 和耐久性( 主要为重大岩体锚固工程运营期问服务) 等工作性能 的内容。当然，对于服役年限研究的各种方法并不是截然分丌的。对同一问题运用各种方 法进行研究，开展多方面的、系统的、综合的探索，建立实践的、经验的、理论的辩证关 系，研究结果可以相互比较、相互验证。各种各样方法的不断发展和完善，也伴随着岩体 锚固性能研究及其服役年限的估算。3 个方面相互影响、相互渗透的内容所进行的研究， 依次按照所采用的方法分别进行评述和分析。 2 1 岩体锚固结构服役年限研究方法 对于锚固结构服役年限研究方法总的来 兑主要有如下5 种方法：理论研究方法、现场 监测资料分析方法、数值仿真模拟方法、现场试验方法、室内模型试验方法。 2 1 1 理论研究方法 理论研究方法是在提出一定假设或对被研究问题作某些简化的前提下，利用某种数 学、力学工具去研究相应的锚固力学问题。理论研究的成果具有重要的参考价值或给工程 实践提供依据。锚固力学的任务，就是从生产实际中总结岩石锚固结构的内在特点，提高 为理论知识，再回到实践中去解决生产中提出的有关锚固工程问题。由此可见，理论研究 在岩石锚固力学研究中应当起先导作用和处于基础地位。 在岩体锚固荷载转移机制、粘结应力分布特征与时间有关问题等方面，国内外进行了 一些研究，借以确定某一特定的锚固系统，是否能安全地承受规定的设计荷载，能否萨确 地估计施工方法的变化对使用期的影响，对于提高岩体锚固性能起到积极作用。p h i l i p e 假定结合应力沿锚( 杆) 索长度方向按指数关系分布，较好的反映了荷载从锚( 杆) 索转移到 灌浆体的力学特性，得到普遍的认同【17 1 。f a r m e r 1 8 】也得出锚固段剪应力分布是很不均匀 的，一般剪应力比较集中在前端且会达到峰值，然后逐渐向末端减小并最终趋近于零的结 论，在其j 下常监测时应重点观测的点提供依据。朱浮声和郑雨大【l9 】详细讨论了预应力全 长粘结式锚杆通过改善围岩力学参数对岩体的加固作用，给出加固岩体的等效力学参数解 析表达式。这些结果可直接应用于围岩一支护相互作用分析的已有解析解中，并通过控制 围岩边界位移鼍进行锚杆支护参数设计。尤春安【2 0 】利用m i n d l i n 问题的位移解导出全长粘 结式锚杆受力的弹性解，讨论了这种锚杆的受力特征及岩体性质有关，为锚杆的设计与计 算提供了一种理论依据。张季如和唐保付【2 i 】根据现场抗拔试验成果，分析了锚杆的倚载 传递特性，计算与实测结果对比，二者较为吻合。肖世国和周德培【2 2 】卡艮掘对锚杆拉拔试 2 砂浆锚杆服役年限研究方法现状及特点 验结果的分析及对锚杆与锚索锚固段受力差异的比较，提出了非全长粘结型锚索锚固段剪 应力沿长度的分布模式，并讨论了剪应力分布曲线的特征点，得到了锚固段剪应力沿长度 分布为在靠近锚固段顶端有最大值而其两侧则逐渐减小的单峰曲线，提出了锚杆安全使用 期内确定锚固段长度的合理方法，即以锚固段最大剪应力不超过经过安全储备后的地层与 注浆体间的粘结强度作为控制条件。最后，以工程实例说明了锚固段长度的计算方法。 节理岩体通常采用全长粘结式锚杆进行加固处理，开展加锚节理岩体抗剪性能的理论 探讨和试验研究工作有利于挖掘和改善节理岩体的强度。葛修润和刘建武【2 3 】在进行理论 分析和室内模拟试验研究中，重点探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响及锚杆体阻止节理 面发生相对错动的“销钉”作用机制等，提出改进了的估算加锚节理面抗剪强度公式。对 锚杆的设计、施工及机理研究有较高的参考价值。试验结果表明：加锚节理面的抗剪强度 随剪切位移的增加而增大，即使不大的剪切位移就己使锚杆体的抗剪作用得到充分发挥， 另外，锚杆倾角随时间推移的微小变化对加锚节理面抗剪强度有重大影响。 2 0 世纪以来，断裂力学和损伤力学先后在岩石力学领域中逐渐得到运用和发展，进 而引入到岩体锚固性能研究中，取得了显著的效果。岩体工程无处不存在节理、裂隙等， 岩石不再被看成连续的均质体，而是有裂隙构造组合而成的介质体。断裂力学是以含缺陷、 裂纹、微空洞等的材料或结构为研究对象，研究含有缺陷、裂纹、微空洞等的材料或结构 的强度以及节理扩展规律等的科学。例如：岩体锚固对岩体节理附近应力场的影n 向和作用。 损伤力学是研究材料的损伤和损伤发展过程的一门新学科，是材料变形与破坏理论的重要 组成部分。岩石材料是一种复杂的天然地质体，其内部存在各种节理、裂隙或微缺陷，损 伤力学的发展为合理考虑岩石材料内各种微观分布缺陷的研究提供了强有力的支持。 在岩体锚固服役年限研究方面，主要借助于混凝土以及预应力混凝土的相关理论而展 开，研究成果比较丰硕。刘西拉和苗澎柯【2 4 】对混凝土中钢筋腐蚀的电化学过程从理论上 进行了定量分析和描述，提出了钢筋腐蚀的物理模型。建立了一个具体计算模式，对大气 中普通钢筋混凝土结构、大气中预应力钢筋混凝土结构、海水中普通钢筋混凝土结构、海 水中预应力钢筋混凝土结构4 种典型情况分别进行分析。同时，定义了结构寿命概念，根 据腐蚀过程的计定义4 个控制时i 日j 来决定实际寿命。最后，给出了4 个具体实例以及寿命 与结构参量间的关系曲线，说明定量计算结构的耐久性是完全有可能的。李永和f 2 5 】针对 地下采矿环境下，钢筋混凝土结构与喷锚结构的碳化腐蚀损伤、裂纹扩展、可靠性评估、 剩余寿命预测及其优化维修决策等方面作为一个完整体系，进行了系统而又全面地研究与 探讨。考虑了环境碳化、相对湿度和水膜对氧化i 吸收能力的影响。讨论了锚杆锈蚀量与各 影响因素的关系，得出了锈蚀量随时间、锚杆直径的增大而增加，且锈蚀时间越长，钢锚 杆直径影响越大等重要结论。淡丹辉和何广汉【2 6 】根据钢筋混凝土锈胀动力学及金属力学 化学原理，分析了在混凝土完好的条件下，钢筋应力对锈蚀反应速度的影h i 匈。通过计算， 确证了均匀锈蚀条件下应力因素对钢筋锈蚀速度无显著影响。蔡启龙和朱忠荣【2 7 】丰艮据无 粘结预应力锚索的腐蚀机理，腐蚀损伤形态和腐蚀特点，论述了对无粘结锚索加强防护的 9 两安t 业大学硕+ 学位论文 必要性，并从锚索的材料、结构和施工等方面提出一些防护措施，以确保锚索的耐久性。 曾宪明等【2 8 】提出了锚固类结构的安全性与耐久性问题，概述了业已产生的破坏实例，评 述了国内外的相关研究进展。在此基础上，分析了需要着重解决的几个关键问题，并对开 展锚固类结构使用寿命与防护对策问题研究的方法进行了探讨。然而，针对砂浆锚杆服役 年限的研究成果比较少，有待于进一步加强和深入。 2 1 2 现场监测资料分析方法 岩土工程现场监测是岩土锚固工程的重要组成部分。在国外，由于大量隧道，硐室及 地下工程采用岩体锚固技术，使现场监测资料分析方法己列入建议方法和手册中，并已达 到规格化、自动化和系列化【2 9 1 。岩体锚固性能研究的现场监测分析主要是指对岩体中锚 固类结构的加固效果和运行工作状态进行监测，分析锚固荷载的大小和变化规律、工作机 理，及时而又有效地判断和预报锚固的稳定性，为修改锚固支护参数，优化设计提供依据。 实践表明，运用必要的手段对工程进行现场监测有利于采取有效的措施，避免灾害的发生 3 0 - 3 l 】 o 对岩体采用锚固技术的加固部位，可以根据监测资料来反馈分析是否工程加固措施产 生了预期的效果以及校核设计和完善施工等。这方面的研究工作包括测斜仪、多点位移计、 裂缝丌合度、锚杆( 索) 测力计等监测资料，反映岩体锚固的工作性能、运营情况等。 由以上可知，所有这些研究工作都将有利于将岩体锚固性能现场监测资料分析推向一 个新的更高的水平。因此，采用合理的方式分析现场监测结果，随时掌握所监测的岩体工 程重点部位的受力变形状态，从而可以检验岩体锚固效果和长期性能等，为锚固措施的推 广应用提供依据，应是岩体锚固领域中最有前途、最值得重视的研究方向之一。 2 1 3 数值仿真模拟方法 由于岩体具有不均匀性、不连续性、非线性材料的特性，而现场应力条件、材料性质 的空间和时问变化、几何形状的任意性以及地质体复杂多变的天然状态，使传统的解析解 比较难胜任。幸运的是，随着近现代计算机技术的高速发展，岩石锚固力学与工程工作者 认识到数值方法是能用来考虑若干这样因素的。例如，岩体力学非连续数值方法得到了飞 速发展。随着数值方法的不断发展和功能越来越强大，许多学者在数值仿真模拟方法上己 进行了很多有益的尝试，推动了边坡岩体锚固性能研究向定量化、经济化、高效化方向发 展，并积累了丰富的经验。该方法基于一定的理论基础和实践经验，一般通过现场地质背 景的调查，结合室内试件的试验，切取不同尺寸“岩体锚固试件”来进行岩体锚同性能数 值仿真模拟分析。数值计算方法具备快捷、省时、省力、经济的特点，因此，对于大多数 重大岩土工程问题而苦，除进行理论分析、现场试验、模型试验之外，通常还要进行数值 模拟计算，以弥补理论分析、现场试验和模型试验等的不足之处，为工程实践提供参考， 可以得出比较满意的结果。囚此，数值模拟方法足解决工程实际力学问题的有效手段，已 被工程界和学术界广泛认可，作为一种力学状念的分析工具，在岩石锚固力学与- t 程中的 1 0 2 砂浆锚杆服役年限研究方法现状及特点 应用和推广具有广阔前景。数值仿真模拟方法主要包括有限单元法、拉格朗日分析方法、 离散元法、边界元法、非连续变形分析方法( d d a ) 等。现分述如下： ( 1 ) 有限单元法 有限元方法的思想在2 0 世纪4 0 年代就己形成，7 0 年代以来开始运用于岩体锚固性 能研究中，相对而言，有限单元法是一种可以用来求解复杂工程问题近似解的数值方法， 是数值方法中最早使用的方法之一，也是岩体锚固工程中最普通的方法。国内外的应用于 岩体锚固性能研究的分析软件有a d i n a 、a n s y s 、m s c m a r c 、f i n a l 等。 ( 2 ) 拉格朗同分析方法 拉格朗日分析方法的基本原理与方法建立在有限差分法基础上，是一种适合于求解非 线性大变形问题的数值分析方法，本质上仍然属于求解连续介质范畴，在岩体锚固工程中 也有相关应用。张二海掣3 2 】简要介绍了显式拉格朗同差分法的基本原理，并将基于该方 法开发的f l a c 程序应用于锚固工程中，对锚固前后危岩体的状态进行了对比。最后， 总结了使用f l a c 程序的一些经验和体会将其应用到工程实践中，证明了其合理性和有 效性。 ( 3 ) 离散元法 离散元法是一