（岩土工程专业论文）地下洞室预应力锚杆锚固机理及数值模拟分析.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 预应力锚杆支护技术是岩土工程加固的一种重要手段。近十几年来，预应力 锚固技术以其独特的效应、简便的工艺、广泛的用途，在岩土加固领域中显示出 越来越旺盛的生命力。已日益广泛地应用于各类地下工程中，具有良好的应用前 景，但是，由于锚杆与围岩问相互作用的复杂性，直到目前为止，对预应力锚杆 支护机理和设计参数确定方法的研究仍处于探索阶段，设计中依然沿用普通砂浆 锚杆的设计方法，理论严重滞后于实际。因此，采用围岩的支护特征线理论及快 速拉格朗日数值模拟法相结合研究预应力锚固技术，分析其作用机理，确定合理 锚固参数具有十分重要的理论与工程意义。主要研究工作如下： ( 1 ) 基于围岩和支护特征线理论，对预应力锚杆与普通砂浆锚杆的受力特征、 支护机理和支护效果对比分析的基础上，对预应力锚杆支护设计参数的选用进行 了初步探讨，得出的结论对工程有一定参考价值。 ( 2 ) 全面系统地介绍了有限差分法的基本原理和方法，分析了其特点和优势。 采用三维有限差分程序f l a c ”来分析地下洞室开挖的围岩稳定性，模拟锚杆( 索) 加 固方式分析加固机理，为地下工程设计、施工优化和数值仿真模拟计算，提供了 一个有效的分析评估方法。 ( 3 ) 借助于三维有限差分程序f l a c ”对单根、多根预应力锚杆锚固进行数值模 拟，分析预应力锚杆对围岩体的加固机理；对比分析锚杆不同预应力、不同间距、 不同长度条件下围岩体的应力应变状态及稳定性改善机理；并对预应力锚杆在支 护洞室时锚固效果及其作用机理进行了分析，所得结论为地下工程开挖与支护设 计提供依据。 ( 4 ) 基于f l a c ”有限差分程序对青岛某地下商场扩建工程的开挖支护方案及过 程进行了三维数值模拟，模拟分析了开挖及加固后围岩应力场及位移场特点及变 化规律，验证开挖加固方案的可行性及与锚索联合支护对改善开挖后洞室围岩力 学性质，增强围岩稳定性，控制地面沉降具有重要作用。 关键词地下洞室；预应力锚杆( 索) ；特征线理论：锚固机理；f l a c 3 0 ；围岩稳定 性 苎璺矍三奎耋三耋堡圭耋堡墼圣 a b s t r a c t p r e s t r e s s e db o l t i n gt e c h n o l o g yi st h eg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gr e i n f o r c e d a l l i m p o r t a n tm e a n s n e a r l y1 0y e a r s ，p r e s t r e s s e da n c h o r i n gt e c h n i q u ew i t hu n i q u ee f f e c t , s i m p l et e c h n i q u e s ，a n daw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，c o n s o l i d a t i o ni nt h ef i e l do f g e o t e c h n i c a ld e m o n s t r a t e da l li n c r e a s i n gv i t a l i t y , h a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e d i nv a r i o u sk i n d so fu n d e r g r o u n dp r o j e c t s ，、v i t l lag o o dp r o s p e c t ，b u ta st h ea n c h o ra n d r o c ki n t e r a c t i o no ft h ec o m p l e x ，t od a t e ，r i g h tp r e s t r e s s e db o l t i n gm e c h a n i s ma n dt h e d e s i g np a r a m e t e r so fr e s e a r c hi ss t i l la ta ne x p l o r a t o r ys t a g e ，d e s i g ns t i l lu s e do r d i n a r y b o l tm o r t a rd e s i g nt h e o r ys e r i o u s l yl a g sb e h i n dr e a l i t y t h e r e f o r e t h eu s eo fr o c k c h a r a c t e r i s t i c s s u p p o r t i n gt h e o r y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf a s t l a g r a n g i a n c o m b i n a t i o no fp r e s t r e s s e da n c h o r i n gt e c h n o l o g y , a n a l y s i so fi t sm e c h a n i s mt o d e t e r m i n er e a s o n a b l ep a r a m e t e r sa n c h o ri sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e t h em a i nr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 、b a s e do nt h er o c ka n ds u p p o r tc h a r a c t e r i s t i c st h e o r y , p r e s t r e s s e db o l to f o r d i n a r y m o r t a rb o l tf o r c ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h es u p p o r tm e c h a n i s mt o s u p p o r tr e s u l t so ft h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt h eb a s i so fr i g h tp r e s t r e s s e db o l t i n gd e s i g np a r a m e t e r sf o rt h e s e l e c t i o no f ap r e l i m i n a r ys t u d yo f t h ef i n d i n g so f t h ep r o j e c th a v er e f e r e n c ev a l u e 2 、c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i ci n t r o d u e t i o no ft h e 丘1 1 i t cd i f i r e r e n c em e t h o dt o t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fa n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e s 3 d f i n i t ed i f f e r e n c ef l a c “a n a l y s i so fu n d e r g r o u n de x c a v a t i o ni nt h er o c ks t a b i l i t y s i m u l a t i o nb o l t ( c a b l e ) r e i n f o r c e m e n tm o d er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ，u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gd e s i g n , c o n s t r u c t i o no p t i m i z a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , p r o v i d e da n e f f e c t i v em e t h o do f a s s e s s m e n t 3 、u s i n g3 df i n j t cd i 艉r e n c ef l a c ? “o fs i n g l ea n di l i a l t i a n c h o rb o i t p r e s t r e s s e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n c h o ro ft h er o c km a s sr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ；c o m p a r a t i v e a n a l y s i so fd i f f e r e n tp r e s t r e s s e db o l td i f f e r e n ts p a c i n g ，d i f f e r e n tl e n g t hr o c km a s su n d e r t h es t r e s sa n ds t r a i nm e c h a n i s mt oi m p r o v e s t a b i l i t y ；p r e s t r e s s e db o l ta l s os u p p o r t i n gt h e c a v e mw h e na n c h o r i n ge f f e c ta n dm e c h a n i s ma n a l y s i st h ec o n c l u s i o n so fu n d e r g r o u n d e x c a v a t i o na n ds u p p o r t i n gd e s i g nb a s i s 4 、f l a c “b a s e do nt h ef i n i t ed i f i e r e n e eo fap r o c e d u r et oq i n g d a nu n d e r g r o u n d r e a l le x p a n s i o no ft h ee x c a v a t i o na n ds u p p o r tp r o g r a m sa n dt h ep r o c e s sn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ee x c a v a t i o na n dr e i n f o r c e m e n tr o c ks t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n g i n gl a we x c a v a t i o nr e i n f o r c e m e n tc e r t i f i c a t i o np r o g r a l na n dt h e f e a s i b i l i t yo fc a b l es u p p o r tt oi m p r o v ea f t e re x c a v a t i o nc a v e r n sm e c h a n i c a ln a t u r e ， e n h a n c et h es t a b i l i t yo f r o c k g r o u n ds u b s i d e n c ec o n t r o lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dc a v e r n ；p r e s t r e s s e db o l t ( c a b l e ) ；c h a r a c t e r i s t i c st h e o r y ； a n c h o r i n gm e c h a n i s m ；f l a c 3 0 ；r o c ks t a b i l i t y u 童墅矍三奎耋三耋堡圭耋堡篁圣 第1 章绪论 1 1 锚固技术的发展与应用现状 1 1 1 锚杆技术在地下工程中的应用 自1 9 1 1 年美国首先将锚杆应用于矿山巷道支护以来，锚固技术已经经历了近一 个世纪的发展，目前，锚固技术已经广泛应用于岩土工程的各个领域。由于锚杆支护 显著的技术经济优越性，现己发展成为世界各国矿井巷道以及其他地下工程支护的一 种主要形式【l j 。早在2 0 世界4 0 年代，美国和前苏联就已经在井下巷道使用了锚杆支 护，随后在煤矿、金属矿山、水利隧道，以及其它地下工程中也广泛的应用了锚杆支 护技术。几十年来，世界锚杆支护大致经历如下发展历程：1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械式锚 杆研究与应用；1 9 5 1 - 1 9 6 0 年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护系统 进行研究；1 9 6 1 1 9 7 0 年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用；1 9 7 1 1 9 8 0 年，发明了 缝管式锚杆、胀管式锚杆并开始应用，研究新的方法，长锚索产生；1 9 8 1 1 9 9 0 年， 混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。 我国矿山巷道的锚杆支护的发展也比较迅速。进入2 0 世纪8 0 年代，把锚杆、喷 射混凝土支护与现场监控量测、信息反馈技术巧妙的结合，采用及时支护、分期施工、 刚柔适度、全环封闭等一整套充分发挥围岩自承能力的设计原则，已成功应用于一批 复杂和困难地质条件的隧洞工程。如高地应力( t g 平应力达3 0 m p a ) 、软岩大变形巷 道( 水平收敛量达2 5 3 0 e m ) 底层控制( 如金川镍矿) 、开拓于半胶结的泥页岩中，并 受采矿动压影响的煤矿巷道工程，覆盖岩层厚度仅1 0 余米的q 3 黄土质泥土的隧道 工程( 如军都山隧洞) ，这些有代表性的地下锚固工程的建成，标志着我国软弱地层 中的地下工程的锚固技术应用已经有了突破性的进展。 1 1 2 预应力锚索在水电边坡和坝基工程中的应用 岩土边坡采用锚固技术已经十分普遍，根据不同工程的特点，应适当发展形式多 样的锚固结构。特别近些年来，随着预应力锚固技术的发展与成熟，它已成为边坡加 固或整治工程的主要形式之_ 1 2 1 。 长江三峡水利枢纽工程高1 7 0 m 的船闸边坡，其中6 7 m 高垂直边坡，共采用 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 0 0 0 k n 及1 0 0 0 k n 级的预应力锚索2 0 0 0 余根，以保持边坡的稳定，并控制了边坡 的变形。 在坝基工程中，无论是新坝还是旧坝加固，预应力锚固技术已经成为经济有效的 处理方法。早在1 9 6 4 年在处理安徽梅山水库右岸坝基的偏斜和裂缝时，就曾使用过 3 0 - 4 7 m 的预应力锚索。近些年来，在小湾、龙滩、漫湾、双牌、洪山水利、水电枢 纽工程中，均成功地采用了预应力锚索加固技术，单根锚索的最大承载力达3 2 0 0 k n 。 1 1 3 岩土锚固技术在深基坑支护中的应用口1 近十几年来，在深基坑支档工程中，土层锚固技术占有重要地位。采用预应力锚 杆背拉各种类型的护壁桩与地下连续墙做基坑支护，不仅有利于减小侧向位移，也可 以显著地降低桩的弯曲应力和减小桩的截面面积和长度。因此，深基坑锚固技术的应 用与传统的桩、板、墙、管、撑和改良的桩锚、板锚、墙，锚、撑锚支档方法相比， 具有造价低、节省工期、占地空间少、支护及时快速，以及安全稳定性好等优点，其 综合经济技术效益显著。预应力锚杆( 索) 已在全国各地的基坑支护中得到了广泛的 应用，并取得了良好的技术经济效果。锚固技术在北京东方广场深基坑工程中应用是 典型的实例。该工程为一大型深基坑工程，工程量大，地质条件复杂，基坑采用桩锚 支护系统，围护结构采用8 0 0 r m 和1 0 0 0 m m 、间距1 5 m 的钻孔灌注桩，局部采用h 型 钢桩；锚杆支护采用l 一8 道预应力锚索，并加土钉支护形成复合支撑：在地面下 1 5 , - - 2 5 m 处砌筑挡土墙、墙和桩顶设帽梁。经过一年对基坑施工过程的现场监测表 明，基坑顶最大水平位移值为4 0 m m ，一般为10 - - 3 0 r a m ，地面沉降仅为3 5 m m ，达 到了设计得要求。 1 i 4 岩土锚固技术在其他工程中的应用 锚固技术已经广泛应用于岩土工程的各个领域：不仅应用于风化软弱岩层，而且 已经扩展到涉及土体工程的加固，如防止高塔倾倒、高架桥倾倒，以及挡土墙倾覆的 加固；防止桥墩滑动、悬臂桥锚固、吊桥桥墩锚固，以及大跨度拱形结构物的稳固 1 2 预应力锚固技术作用机理与理论的研究现状 1 2 1 预应力锚固技术的发展及现状 预应力锚杆是一种可承受拉力的结构系统。它的一端被固定在稳定地层中( 或结 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 构中) ，另一端与被加固物紧密结合，形成一种新的结构复合体。它的核心受拉体是 高强预应力筋( 预应力钢丝、钢绞线等) 。它在安装后，可立即向被加固体主动施加 压应力，限制其发生有害变形和位移。预应力锚杆( 索) 是一种高效经济和实用工程技 术，得到了岩土工程行业的高度重视。 2 0 年代初，预应力锚杆就作为一种新的支护手段，用于西利西安的矿山开采中， 进入3 0 年代以后，阿尔及利亚的a c o y n e 工程师采用预应力锚杆加固舍尔法坝并取 得成功，到5 0 7 0 年代，则有更多的工程应用预应力锚杆( 索) 加固技术。在国际上对 单根预应力锚索施加的锚固力己达1 6 0 0 0 i n 。单根锚索长度1 1 4 m 。这种高效经济的预 应力锚固技术，近年来又得到了迅速的发展，目前己广泛的应用于工业民用建筑、桥 梁、矿山建设、高边坡治理、地下结构、水利水电工程中的大型弧门闸墩加固，坝基 加固以及各类建筑物的维护和补强。 我国的预应力锚固技术始于6 0 年代，1 9 6 4 年梅山水库右岸坝基的加固中首次成 功的使用预应力锚索加固技术。从7 0 年代开始，该项技术在我国的国防、矿山、水 利水电领域逐步开始使用，在水利水电工程中继梅山水库之后，二龙山电站、麻石大 坝、镜湖3 2 0 工程、丰满电站、白山电站、南河电站、漫湾电站、小浪底水库、洪门 水库等数十个大中型水利工程应用预应力锚固技术加固坝基的岩体，2 0 世纪八十年 代以来，随着国内预应力材料、锚夹具、施工技术水平的不断提高，预应力锚索技术 得到了迅猛发展。国内单孔安装荷载最大已达到1 0 0 0 0 k n ( 李家峡水电站) ；单项工 程应用预应力锚杆数量已达4 5 4 0 余根( 三峡水利枢纽永久船闸边坡加固工程) ，居世 界首位，近年来有关技术规范、规程相继问世，使得预应力锚索的设计与施工达到了 一个新的水平n ，。 1 2 2 预应力锚杆作用机理与理论的研究现状 试验和工程经验表明预应力锚杆锚固是一项高效、经济的加固岩土体的措施，但 是由于其加固机理及其作用方式极其复杂，所受的影响因素又多，不仅与岩石的物理、 力学性质，岩体结构面的力学性质、几何特征有关，还与锚固体的自身强度、刚度、 安置工艺与过程有关，因此直到目前为止，对预应力锚杆的作用机理的研究仍处探索 阶段。早期的研究者认为锚杆具有悬吊作用、组合梁作用和挤压加固作用，因此先后 提出了悬吊理论、组合梁理论和挤压加固理论”。悬吊理论认为，锚杆作用是将围 岩表面不稳定的岩体固定悬吊在深处坚固稳定的岩层上，使破碎的岩块不致于掉落， 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 这种作用在地下结构锚固工程中，表现的较为突出。组合梁理论认为对于水平成层 围岩，当没有锚杆时，层理面是分离的，呈薄层重合梁状态工作，当有锚杆张拉时， 由于增大了层面间的摩擦，内应力和挠度大为减小，于是增加了组合梁的抗弯强度， 从而提高了地层的承载力。兰格( f a l a n g ) 通过光弹试验发现，当预应力锚杆群锚 入围岩后，岩体内便形成以锚杆两头为顶点的锥形压缩区，若将锚杆以适当的间距排 列，使相邻锚杆的锥形体压缩区相重叠，便形成一定厚度的连续压缩带，压缩带内的 岩石由于预应力状态，显著的提高了围岩的强度，因此认为预应力锚固具有挤压加固 围岩的作用。 上述理论，都是各自在特定的岩体条件和锚固方式下反映了锚杆的锚固作用，但 相应的力学模型过于粗糙，都是把锚杆加固的岩体加固圈人为地从原岩体中脱离出 来，因而与实际出入较大。 近年来人们根据不同的岩体强度理论对锚杆的作用机理又进行了多种理解和详 释，如从岩体塑性理论上分析，认为锚杆具有限制岩体流变松驰的作用；从脆性断裂 强度理论上分析，认为锚杆具有降低裂隙尖端应力强度因子、阻碍裂隙扩展的作用： 从岩体材料介质的损伤理论分析，认为锚杆可以降低岩体节理面损伤因子增加承载面 积，从而降低节理岩体的有效应力等作用。但不论从哪个角度分析预应力锚杆的作用 机理，都会受理论假定的影响与限制，难免片面或不完全。 在锚杆的计算方面，近年来人们以弹性、弹塑性和粘弹性力学为基础进行了有益 的探索。王明恕( 1 9 8 3 ) 旧在试验和理论分析的基础上提出了全长粘结式锚杆的“中 性点”理论，该理论突破了以往的以锚固力来衡锚杆作用的观点，对锚杆的造型、结 构设计及参数优化等起着有效的指导作用，这一理论的缺陷在于未考虑由于锚杆的存 在对锚固层以外原岩应变的影响，提出的中性点公式。2 i 斤孟j 耵刁与荷载和围岩的 性质无关，因此与实际工程实测结果不符。继王明恕之后，杨根社、何唐镛( 1 9 9 1 ) “1 对全长粘结式锚杆的垫板效应进行研究，并提出戴垫板锚杆的中性点公式，该公式表 明，中性点的位置随垫板反力变化而变化。刘宏文0 1 也对戴垫板全长粘结锚杆进行研 究，并认为戴垫板的全长粘结锚杆、将不存在中性点，即使有剪力为零的点，也将是 一系列的零点，而不是一个“中性点”，同时认为剪力的方向沿锚杆全长不会发生变 化。因此关于戴垫板砂浆锚杆的中性点问题还有待进一步研究。葛友庭、黄新良 ( 1 9 8 8 ) ”1 以弹塑性力学为基础，将预应力锚杆加固的岩体简化为半无限弹性介质中一 4 青岛理工大学工学磺士学位论文 对集中力作用的轴对称问题，推导出锚固区的应力分布，即m i n d i m - b o u s s i n e s q 解， 从理论上说，这种近代固体力学的锚固计算较为合理，然而由于地质条件的复杂性， 使求解存在数学上的困难，目前解题范围还很有限。 由于预应力锚固作用机理极其复杂，从理论上探索存在一定困难，即使有一些 突破，也与现实工程经验出入较大，因此人们将研究工作转向于模型试验和数值计算 方面。在模型试验方面，总参工程兵三所近年来做了一些工作，并取得了可喜的成果 苏锦昌( 1 9 7 9 ) “”通过光弹试验，分析了预应力压缩区范围与锚杆长度和间距的关系， 但由于模型比尺小，受缩尺影响和模拟材料的限制，其成果只能定性的反映这一问题。 顾金才、沈俊( 1 9 9 1 ) 1 进行了单根预应力锚杆的模拟试验，获得预应力锚杆加固区围 岩纵向应力分布和锚固区的形状。廖心北、顾金才( 1 9 9 1 ) “2 1 对预应力锚索进行了室内 模型试验，得到预应力锚索的轴力分布规律，所有这些试验工作都对预应力锚杆( 索) 锚固设计起到了一定的指导作用。 在数值计算方面，武汉岩土研究所朱维申、李铀( 1 9 9 5 ) “”通过大吨位试验分析和 有限元的计算分析研究了预应力长锚索加固机理，认为锚固的作用范围，只在锚头、 锚根附近约2 m 的区域内，采取增大锚固力，改变锚固倾角，变更锚索长度等措施， 应力受影响的范围变化并不显著，他们的有限元离散计算是将锚索的锚根模拟为实体 单元，而自由张拉段则取作两节点单元，即视为一对集中力作用，通过大量多方案比 较，发现对于软弱结构面控制的岩体，如果不考虑由于锚索加固产生的结构面材料粘 结力增大的效应时，无论怎样增大预应力，改变锚杆长度，变更锚固倾角或加密群锚 分布等，对岩体稳定和应力的影响都不明显。 尽管理论工作己取得一定的成果，但锚杆的加固机理仍是一个没有统一认识的 问题，也缺乏行之有效的、合理的计算方法，现有的各种模型仍存在不少显而易见的 不足，理论与数值计算与实际情况出入较大，因而必须进一步通过理论分析、数值模 拟、模型试验和现场测试对诸如锚杆的锚固机理、锚杆工程的优化设计、群锚效应等 问题进行进一步深入的研究，对这些问题研究取得的成果将有助于锚固工程的设计和 锚杆加固技术的广泛应用。 1 3 研究的目的与意义 岩土工程所面临的对象是极其复杂的地质体。这些复杂的地质体在漫长的地质年 代里，由于经历了地质构造运动、自然风化和人类活动的作用，其中包含大量诸如层 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 理、节理、断层、软弱夹层、溶沟等各种地质缺陷，它们在一定的时期内和一定的条 件下，可能处于相对稳定的平衡状态，但如果条件改变，原来的平衡状态就有可能遭 到破坏。比如在岩土工程开挖与施工过程中，其原始应力场会重新分布，从而使岩土 体发生变形，进而产生坍落、塌陷、岩崩、滑坡、地面沉降等地质灾害。为预防和治 理此类地质灾害，工程中常用一种受拉杆件埋入岩土体，用以调动和提高岩土的自身 强度和自稳能力，这种受拉杆件工程上称为锚杆，它所起的作用就是锚固。 岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支，由于它的安全性、经济 性、和有效性，已广泛地应用于各个领域；同时，在岩土锚固设计理论与方法、锚固 材料、结构形式、施工工艺、现场测试，以及工程应用等方面均已取得长足的进展。 岩土锚固技术按其是否施加预应力分为非预应力和预应力锚固。预应力锚固作为完全 依赖自身的重力和抗力来平衡外力的支挡型结构的对立物，无论在利用岩石能量、简 化结构型式、提供“主动”支护手段，还是在节约工程材料、降低工程造价诸方面， 均表现出传统支护结构所无法比拟的优越性，因而近几十年来得到长足的发展，几乎 可以用它解决生产建设中遇到的各种岩土加固技术难题。由于地下工程面临的地层结 构非常复杂、工作空间十分有限，预应力锚固技术在地下工程中的应用受到了限制， 发展比较缓慢，至今没有形成系统、成熟的理论。在地下工程中主要采用的是工程类 比法，没有统一的理论指导和科学依据，存在不合理性，究其原因，在于： ( 1 ) 人们对岩土锚固技术的本质特征，它独特的力学机制还没有完全弄清，因而 也就觉察不出预应力锚固技术给地下洞室支护带来多大的社会效益和经济效益。 ( 2 ) 岩土预应力锚固技术的设计理论，尤其是洞室隧道支护的设计理论严重落后 于生产实践。尽管新奥法提出的时间较早，体现新奥法的设计计算理论“隧道的支护 和衬砌一收敛约束法的使用建议方法”也在1 9 8 6 年由法国地下工程协会( a f r l s ) 提 出，但是缺乏可操作性，新奥法始终没有突破经验学的水平。新奥法的核心思想“调 动围岩的自身承载力”，而预应力锚杆特殊的加固作用在设计中得不到体现，预应力 锚固的优越性显示不出来，锚喷支护结构设计采用的仍然是工程类比法，所以开展锚 固机理研究具有理论和指导实践意义。 ( 3 ) 大吨位预应力锚索虽然在六、七十年代已经在我国少数地下工程中应用，但 是由于工艺复杂，价格昂贵难以在一般洞室应用，而且在相当长一段时间内，由于人 们认识上的原因，没有着意去开发适用于一般地下洞室工程使用的中、小吨位轻型预 应力锚具。 6 重量堡三奎耋三耋堡圭耋堡篁塞 上述可见，由于人们对预应力锚杆的支护机理尚未完全弄清，设计规范又缺乏实 用的设计方法，致使预应力锚杆支护结构在隧道工程领域几乎成为空白。因此进行预 应力锚杆支护机理的研究，进而确定其支护设计参数，对推动预应力锚杆在各类岩土 工程中，特别是地下工程中的应用将有十分重要的意义。 1 4 本文研究的主要内容 文主要研究预应力锚杆在地下工程中的作用机理，随着预应力锚杆在地下工程支 护中的逐步推广应用，预应力锚杆的作用机理和设计方法已成为工程界迫切需要深入 研究的重大课题。根据不同的围岩条件，用f l a c ”软件对预应力锚杆在不同支护参数 作用下模拟围岩变形情况及洞室围岩中的应力分布情况，根据模拟结果进行对比分 析，总结预应力锚杆对围岩的支护效果，研究其支护机理，并通过理论分析，提出预 应力锚杆的初步设计方法。 本文完成的主要工作： ( 1 ) 基于围岩和支护特征线理论，对比普通砂浆锚杆和预应力锚杆支护特征曲线， 对预应力锚杆与普通砂浆锚杆的受力特征、支护机理和支护效果对比分析的基础上， 分析锚固机理的不同，提出预应力锚杆设计参数的确定方法，对预应力锚杆的基本参 数：间距、张拉荷载、长度进行初步探讨，研究得出的结论对工程有一定参考价值。 ( 2 ) 全面系统地介绍了有限差分法的基本原理和方法，并在此基础上介绍了有限 差分数值模拟软1 卜- f l a c ”，介绍了f l a c ”的基本原理以及程序的特点和优点。采用 三维有限差分程序f l a c ”来分析地下洞室开挖的围岩稳定性，模拟锚杆( 索) 加固方式 分析加固机理，为地下工程设计、施工优化和数值仿真模拟计算，提供了一个有效的 分析评估方法。 ( 3 ) 借助于三维有限差分程序f l a c * 对单根、多根预应力锚杆锚固进行数值模 拟，分析预应力锚杆对围岩体的加固机理；对比分析锚杆不同预应力、不同间距、不 同长度条件下围岩体的应力应变状态及稳定性改善机理；并对预应力锚杆在支护洞室 时锚固效果及其作用机理进行了分析，所得结论为地下工程开挖与支护设计提供依 据。 ( 4 ) 基于f l c * - 有限差分程序对青岛某地下商场扩建工程的开挖支护方案及过程 进行了三维数值模拟，模拟了洞室开挖后，应力场和位移场的变化规律，模拟结果表 明，拉裂区面积、地面最大沉降、顶底板相对位移三指标均超过稳定控制标准，进一 步验证了现场调查结果洞体为非自稳洞体的正确性。同时模拟施加预应力支护后的 7 ! 塾堡三奎耋三耋堡圭童堡篁圣 应力场和位移场的特点及变化规律，对支护加固方案效果进行了验证，表明采用预应 力长锚索、短锚杆联合支护方案是必要的，锚索加固洞顶深处围岩，锚杆加固洞顶附 近围岩，从而形成双层挤压拱( 承载环) ，使工程达到长期稳定；对本工程利用锚索支 护是必要性进行模拟，验证了预应力锚索在改善岩体力学性能方面的重要作用，特别 是对有效减小顶板下沉及地面沉降意义重大。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章预应力锚杆支护及与围岩作用机理理论研究 地下洞室总是处于某一岩土体中，洞室开挖前，岩体处于静止平衡状态。开挖后 由于洞周卸载，破坏了这种平衡，洞室周围各点的应力状态发生变化，各点产生位移， 应力重新调整，以达到新的平衡。如果围岩的应力处处小于岩体强度，这时岩体的物 性状态不变，围岩仍处于弹性状态。反之，当围岩局部区域的应力超过岩体强度则岩 体的物性状态改变，围岩进入塑性或破坏状态，进入塑性状态的围岩，塑性区应力和 强度明显降低，裂隙扩张增容，出现明显的塑性滑移，这时没有足够的支护抗力就不 能使围岩维持平衡状态。 2 1 岩土锚固作用机理综述 锚固技术在工程中已经得到了广泛的应用。尽管人们一直在不断的探索和研究， 然而，由于岩土锚固工程的复杂性，使得锚固机理的研究和设计理论远远落后于工程 实践。随着科学技术的发展，人们不限于对锚固工程的实践总结，还借助于计算机进 行锚固作用机理的研究，由此能够深入探究锚杆与围岩的相互作用机理、影响因素， 以及可能发生的失稳模式。总结岩土锚固理论的研究和发展，大致归结为以下几种观 点： 2 1 1 普遍认同的锚固支护理论 在锚固技术的长期应用中，人们根据现场的失败和成功经验，并结合室内的模拟 试验研究，先后提出了目前已经普遍接受的几种理论【8 】。 ( 1 ) 悬吊理论 悬吊理论认为，锚杆支护的作用就是将洞室顶板软弱岩层悬吊在上部稳定的岩层 上，以增强较软弱岩层的稳定性。 ( 2 ) 组合梁理论 组合粱理论认为，在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内，不存在坚硬稳 定的岩层时，锚杆的悬吊作用就居于次要地位。如果顶板岩层中存在若干分层，顶板 锚杆的作用，一方面依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑 动，避免各岩层层离现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层 间的水平错动，从而将地下工程顶板锚固范围内的几个薄岩层缩紧形成一个较厚的岩 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 层( 组合梁) 。这种组合梁在上覆岩层荷载的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大 为减小，组合梁的挠度也减小。组合梁越厚，梁内的最大应力、应变、和梁的挠度也 就越小。 ( 3 ) 组合拱( 压缩拱) 理论 组合拱理论认为，在拱形洞室围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将 形成圆锥形分布的压应力，如果沿洞室周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个 锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个 承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。 2 1 2 正在研究发展的新锚固支护作用理论 随着对锚固技术的应用与发展，人们已经意识到，现有的锚杆支护理论和作用原 理还不能对锚固作用机理给与合理的解释和定量评价。因此，在前人研究的基础上， 目前又提出了几种新的理论，较有代表性的理论如下【j 9 - 2 2 1 ： ( 1 ) 最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔( w j c a l e ) 提出。该理论认为，矿井岩 层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为 最小水平应力的1 5 , - - 2 5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个 特点：其一是与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶、底板稳定性最好； 其二是与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏偏向巷道的某一帮； 其三是与最大水平应力垂直的巷道，顶、底板稳定性最差。 在最大水平应力作用下，顶、底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨 胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错 动，因此，要求锚杆具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，这样才能起约束围岩变形的 作用。 由于目前的锚杆支护理论是限于一定的地质条件和工程类型提出的，因此，在某 些情况下，它仍不能较好的解释和揭示实际作用机理。实际上，对于复杂的岩土工程， 其锚杆的支护作用机理并非是单一的，在很多情况下，多种作用机理同时存在，只不 过一种或两种作用机理占主要地位而已。 ( 2 ) 锚杆支护围岩强度强化理论 该理论是在分析已有研究成果的基础上，研究并提出了锚杆支护围岩强度强化理 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固围岩的实质，并为合理确定锚杆支护参数提 供了理论依据。该理论的要点是： 地下工程锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成的锚固体， 形成统一的承载结构； 地下工程锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括破坏前和破坏后的力学参 数( e 、c 、中) ，改善被锚固岩体的力学性能： 地下工程围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度 和峰后强度、残余强度均得到强化； 地下工程锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压，从而提高围岩的承载 力，改善巷道的稳定状况： 巷道围岩锚固体强度提高以后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道 表面位移，控制围岩破碎区和塑性区的发展，从而有力于保持巷道围岩的稳定。 显然，该理论所提出的观点实际上在锚固设计和理论分析中均有所反映，但均把 此作用作为参数的储备加以考虑。围岩强度强化理论的提出，首次强调了锚杆的锚固 作用在于提高了锚固岩体的强度，但如何定量评价锚杆参数与提高围岩强度的关系有 待于进一步研究。 ( 3 ) 围岩松动圈理论 围岩松动圈理论是针对地下工程的锚喷支护提出的。该理论认为，由于巷道的掘 进，破坏了原岩应力的平衡，改变了原岩应力状态，从而使围岩应力升高范围的岩体 强度低于其应力时，发生屈服破坏。这种破坏将由巷道周边向深部发展，由此在巷道 周围形成了不利于围岩稳定的松动岩体( 松动圈) ，因此，松动圈的范围就决定了巷道的 稳定性，因此也就是锚杆支护设计的依据。所以，该理论还提出了基于松动圈的范围 所提出的支护参数。松动圈理论将围岩内不能自稳的岩体作为支护的对象，并提出可 以基于声波测试来确定松动圈范围。松动圈理论重要突破在于：明确巷道支护对象 是巷道周围的松散软破岩体，既不是弹塑性支护理论中的塑性区岩体，也不是冒落拱 内的岩石重量，并强调松动圈形成的实践性、发展的渐进性以及围岩应力与性质相互 作用和动态变化。该理论仍存在以下两点不足：第一，松动圈理论明确提出的松动圈 范围的确定问题，对于软破岩体，节理极为发育，尤其软破岩不同程度的含有粘土质 膨胀矿物，很难通过声波测试明确的确定松动圈范围。实际上，围岩松动圈边界是十 分模糊的，并且随着时间和开挖活动影响发生变化。第二，该理论没有体现支护与围 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 岩的相互作用。 2 2 普通砂浆锚杆与预应力锚杆支护特征线对比分析 2 2 1 普通砂浆锚杆支护特征线 普通砂浆锚杆是一种全长粘结式水泥砂浆灌注锚杆，由于水泥砂浆强度的时间增 长效应，使得普通砂浆锚杆支护的特征线呈一曲线( 如图2 1 曲线) ，为简化设计常 将其视作两段直线a b 和b c ，其中b c 段可用式( 2 1 ) 加以描述 a b 矿 卜& 叫 图2 1 普通砂浆锚杆支护特征曲线 o r - k 。a u r( 2 1 ) 式中j 0 = 三卫为砂浆锚杆的支护刚度； 巳巳 j r ( 苗杆的刚度；、巳锚杆的纵、横间距。 对式( 2 1 ) 加以分析不难看出： 砂浆锚杆的锚固力依赖于围岩变形，属于被动支护型式，它不能及时给围岩提 供支护抗力，而且由于围岩允许的变形小，能获得的支护抗力也小，因而在组合支护 中所起的作用较小。 砂浆锚杆有限的锚固力还要依赖于砂浆强度的增长而逐步增大，其初始值很 低，这一特征决定了砂浆锚杆锚固的滞后效应，大量的工程实验表明，水泥砂浆锚杆 的早期强度特征。为p l d ：0 ，p a e - 5 k n ，p 7 d ；一2 。单根预应力 锚杆的模型试验也表明锚区的范围呈上窄下宽的鸭梨形( 如图3 2 ) 。最宽处位于锚杆 中点偏下处，其宽度约为锚杆长度的o 4 o 6 3 倍。因此要使相邻锚杆锚固区部分重叠 并连成一片，形成均匀压缩带，则预应力锚杆的间距不应大于锚杆长度的一半。 根据式( 3 4 ) 式确定预应力锚杆的间距，还应知道砂浆锚杆的工作荷载和相应的间 青岛理工大学工学硕士学位论文 距。 砂浆锚杆的工作荷载可根据中性点理论求得锚杆的轴力为： q = 等( 竿山爿 s ， 热4 = 高陋i n 细 丝型 寄； p _ 原岩应力； 【g 1 = 丽1 + 怯一去 石； 瓯，g 0 围岩的长期或瞬时模量； 钿一滞后时间； 1 2 _ 去7 为中性点半径； k 比例系数。 砂浆锚杆的间距根据国内外工程实践经验，一般应小于1 5 m ，法国隧道规范规定 e 3 s ( s 为岩体节理间距) ，日本隧道规范规定e 1 5 i i l ，我国的锚喷支护规范建议c = o 耻 1 o m 。因此，综合各方面因素，砂浆锚杆的间距应小于1 5 m 。 在砂浆锚杆的工作荷载和锚杆间距确定之后，要从式( 3 4 ) d 0 求得预应力锚杆的间 距，还需确定张拉荷载的大小，下面对此进行讨论。 3 2 预应力锚杆张拉荷载的确定 3 2 1 预应力锚杆初始张拉荷载 从第二章预应力锚杆的支护机理讨论可知，锚杆上施加的预应力愈大，对围岩 应力场的改善愈显著，围岩的承载力也提高的愈多。但是预应力不能无限的增大， 因为一定截面大小的锚杆只能承受一定大小的预应力，否则锚杆会被拉断。因此预 应力锚杆的张拉荷载p r 应由锚杆的极限承载力 确定，即： 最= 一嗥 ( 3 6 ) k 安全系数，临时支护取k = i 5 永久支护取k = 2 o ； 最预应力锚杆的张拉荷载； 昂砂浆锚杆的工作荷载； 2 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 只锚杆的极限承载力； 当然p r + p w 还应小于o 7 p 。； 否则取昂= 0 7 一昂 3 2 2 关于预应力损失问题的讨论 预应力锚杆能否发挥作用，关键在于预应力能否保持住，由于受各种因素的影响。 随着时间的推移，锚杆上施加的预应力或多或少总有一定量的损失，这里有锚杆结构 内部材质的原因，也有岩石力学性质及外部因素的原因。但预应力损失最直接的原因 是锚杆钢材的松驰和受荷岩体的蠕变共同作用造成的。 ( 1 ) 岩体的蠕变引起的预应力损失 岩体的蠕变是预应力损失的原因之一，其机理是，预应力荷载作用在岩体上，岩 体在长期受压情况下产生蠕变，预应力锚杆也因此而松驰，使其应力降低。 岩体蠕变引起的预应力损失，随岩石岩性不同而变化，对一坚硬岩石，即使在大 吨位预应力荷载作用下岩体的蠕变也比较小，因此在该类岩体中打入预应力锚杆其预 应力损失也较小。梅山水库曾做了8 个孔长达7 年的观测，由于锚固区为坚硬的细粒 花岗岩，预应力损失值平均仅为8 8 。在软弱岩体中，由于预应力压缩岩体，产生 的变形相当大，引起的蠕变损失亦大。 实验表明对绿泥类岩石，预应力损失两个月可达8 7 ，半年达1 0 左右。岩体 蠕变引起的预应力损失是无法避免的，对预应力灌浆锚杆而言，不可能在一段时间之 后进行补张，因此解决这一问题的办法只有通过超张对预应力损失进行补偿。 ( 2 ) 锚杆材料松驰引起的预应力损失 预应力