（水工结构工程专业论文）锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探.pdf

河海大学博士学位论文夏宁：锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探 摘要 锚杆( 索) 是一种应用广泛的岩土体工程加圃措施。上世纪6 0 年代以来， 我国在各类岩土工程中使用了大量锚杆，7 0 年代以后使用了许多锚索，9 0 年代 以来使用了更多的土钉，其总数当以亿记。在举世瞩目的长江三峡水利工程中， 为保证永久船闸高边坡的稳定性，共安装了4 2 0 4 束预应力锚索对边坡岩体进行 加固。这些锚固结构的技术先进性和经济性无人怀疑，但问题是其使用寿命究竟 有多长? 事实上，由于锚杆( 索) 工作环境中存在侵蚀性介质、杂散电流及双金 属作用，因此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， 再加上自身防护系统不完善等内在因素，导致了锚杆( 索) 耐久性不足的现象时 有发生，世界各地均发生过由于耐久性不足而导致锚固失效的工程实例。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) 的耐久性提出了 更加严格的要求，耐久性是锚固工程安全度的一项重要指标。 统计资料表明，锈蚀是导致锚固结构耐久性不足的主要原因，它对锚固体承 载力的影响表现为横向和纵向两个方面，横向影响表现为砂浆保护层的锈胀开 裂；纵向影响表现为锚杆与砂浆的粘结性能的下降。本文主要从这两个方面着手， 以理论研究、结构试验和数值分析为主要研究手段，对锈蚀锚固体的力学性能进 行了研究，并在此基础上提出了锈蚀锚固体的耐久性评估方法。本文主要开展了 以下研究工作： 1 ) 本文建立了更加符合工程实际情况的锚秆不均匀锈蚀的动态轮廓线模型， 由此模型得到锚杆表面任意一点的虚拟锈胀位移。将得到的锈胀位移作用到锚杆 孔洞边缘，通过调节锈胀位移公式中的锈层厚度系数来进行砂浆保护层的锈胀开 裂过程的数值模拟，并给出了锚杆临界锈蚀量的预测公式。通过此方法预测结果 与试验结果的比较，证明是合理可行的。并通过算饼比较了锈蚀量相等的条件下， 锚杆均匀锈蚀和不均匀锈蚀的差异，结果表明，杆体不均匀锈蚀对砂浆保护层的 破坏作用更为严重，提出了均匀锈蚀假设应慎用的观点。 2 ) 建立锈蚀锚固体的弹性空间解析模型，研究了锚固体在锚固力，围压和 锈胀力作用下的三维应力场，给出了锚固体空间问题各应力分慧的解析解答。该 模型的适用条件为砂浆保护层锈蚀胀裂前，锚固体材料的受力均处于弹性阶段， 并且在锚固长度上全长猫结有效。通过算例分析表辨：锚杆轴向应力的分布呈 指数衰减函数的形式；在任意锚长平面上，砂浆保护层内的径向应力均由拉应 力过渡为压应力，近锚杆边砂浆内的径向拉应力最大；整个锚固长度上，锚固 端砂浆内的环向压应力最大，而在任意锚长平面上，近锚杆边砂浆内的环向压应 力最大；锚杆与砂浆间的剪应力呈线性分布。大部分锚杆表面的剪应力为负， 与锚固力方向相反，并且锚固端的剪应力最大。剪应力在由负号过渡到正号时， n 前言摘要a b s t r a c t - 目录 必经过一个“中性点”，在该点，剪应力的大小为0 。由于围压和锈胀力在锚杆 和砂浆界面上产生的是径向压应力，因此根据库仑摩擦模型，在砂浆保护层开裂 翁，两者对于提高锚杆的抗拔力是有益的。 3 ) 通过内贴应变片钢筋的拔出试验的实测数据，研究了锈蚀以及锚固区锈 蚀部位的不同对锚杆承载力和粘结性能的影响。结果表明：锚固区无锈蚀试件 的极限抗拔力明显高于其余各组试件，在锚固区不同部位发生锈蚀的试件的极限 抗拔力差别不大，但是还是呈现出一定的规律：在这三者中，锚固区前段锈蚀的 试件极限抗拔力最小，锚固区后段锈蚀的试件极限抗拔力最大，锚固区中段锈蚀 的试件极限抗拔力居中；在加荷端相同拉拔力的作用下，无论是在加荷端还是 在自由端，锚圃区前段锈蚀试件的钢筋端部滑移量最大，说明了锚固区前段锈蚀 对于抗拔力的不利影响最大；锈蚀在钢筋与砂浆界面间起到了“润滑”的不利 作用，在锈蚀段钢筋应力曲线呈凸形，说明钢筋应力下降较慢，在粘结应力分布 曲线中，粘结应力峰值不会出现在锈蚀部位，而是直接“漂移”到没有锈蚀的锚 固区，在不同位置的牯结滑移曲线中，锈蚀部位曲线上升段的斜率明显小于无锈 部位。 4 ) 基于a n s y s 8 0 的面一一面接触分析功能，采用数值方法对拉拔试验进 行了有限元分析。该方法以钢筋与砂浆界面的锯筋表面作为接触面，砂浆表面作 为目标面，以摩擦系数和初始粘聚力两个材料参数来模拟接触面的不同特性。采 用此方法进行了拔出试验的参数敏感性分析，结果表明：较厚的砂浆保护层有 利于提高锚杆的抗拔力，当砂浆保护层达到一定厚度时，此时厚度再继续增加， 对于提高锚杆的抗拔力几乎不起作用；摩擦系数和初始粘聚力是相关的，两者 对于提高锚杆的极限抗拔力几乎是线性的； 嗣压对锚杆抗拔力的影响主要表现 在锚杆与砂浆间的初始粘聚力被破坏以后，在砂浆保护层完好的条件下，较大的 围压在锚杆与砂浆的界面上产生较大的法向压力，提高了锚杆表面的粘结摩阻 力，有助于提高锚杆的极限抗拔力；锚固长度对于提高锚杆的抗拔力是有效的， 当锚固长度较大时，荷载一一滑移曲线在拉拔力较大时才出现“平台”。 5 ) 针对现有耐久性评估方法客观性较差的不足，充分考虑了耐久性的模糊 性，应用基于模糊等价关系的动态聚类分析，建立了一种锈蚀锚固体耐久性评估 方法。此方法避免了各评定指标权重的确定，而是利用相似系数在各锚固体的耐 久性指标序列之间进行相似性度量，形成了具有分类功能的模糊等价矩阵。按照 不同的置信度水平，对构件的耐久性进行动态聚类。通过算例的分析比较，证明 此方法是合理可行的。 关键词：锚杆，砂浆，锈蚀，锈胀预测，解析模型，粘结应力，抗拔力，有限元 分析，耐久性评估 i i i 河海大学博士学位论文夏宁：锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探 a b s t r a c t b o l t o n ek i n do fr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e ，i sw e l la c c e p t e di nr o c ka n ds o i l e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ea g g r e s s i v em e d i u ma n ds t r a ye a r t hi nr o c ka n ds o i l w h e r eb o l tw o r k sa l w a y sc a u s ef a s ta g i n ga n ds i g n i f i c a n td a m a g et ob o l t ，w h i c h e v e n t u a l l yr e s u l t si nd e c r e a s e dd u r a b i l i t y ，e s p e c i a l l yw h e nb o l tm o s t l yh a s d e f i c i e n c yi ns e l f _ d r o l e c l i v es y s t e m m a n ya n c h o r a g ee n g i n e e r i n gp r o j e c t s h a v es u f f e r e df r o mt h i sa n df a i l e di nt h ee n d a p p a r e n t l y d e f i c i e n c yo f d u r a b i l i t yh a sa na d v e r s ee f f e c to nt h es e r v i c ea n ds a f e t yo fa n c h o r a g e e n g i n e e r i n g ，s od u r a b i l i t yi so n eo ft h ek e yf a c t o r so fs a f e t y a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a ld a t a ，c o r r o s i o ni sal e a d i n gf a c t o ri nd e c r e a s i n g d u r a b i l i t y i th a sa ne f f e c to nt h ec a p a c i t yo fb o l t sa tt w oa s p e c t s ：f i r s t l yi tl e a d s t ot h ec r a c k i n go ft h em o r t a rc o v e rd u et ot h ee x p a n s i o no fc o r r o s i o np r o d u c t s ； s e c o n d l yi t r e s u l t si nt h ei m p e r f e c tb o n d i n gb e t w e e nb o l t sa n dm o r t a r i nt h e d i s s e r t a t i o n ，s o m em e c h a n i c a ls t u d yi sd o n eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o r r o d e d a n c h o r a g es y s t e mb y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t s a n d n u m e r i c a la n a l y s i s ；a n da tt h es a m et i m eam e t h o do fe v a l u a t i o no fd u r a b i l i t yo f c o r r o d e da n c h o r a g es y s t e mi sa l s op r o p o s e d t h ep r i n c i p l ea c h i e v e m e n t si n t h ed i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o r r o s i o no c c u r r e dt ob o l t si nt h ew o r k e n v i r o n m e n t ，am o d e lo fd y n a m i co u t l i n eo fb o l t sn o n - 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d a n a l y t i c m o d e lo fc o r r o d e d a n c h o r a g es y s t e m i s 一 垫壹：塑塞：垒! ! ! 坠坚：望墨 e s t a b l i s h e dt os t u d yt h es t r e s sf i e l du n d e rt h ea n c h o r a g ef o r c e ，c o n f i n i n g p r e s s u r ea n de x p a n s i o no fc o r r o s i o np r o d u c t s ，a n dm a t h e m a t i c a ls o l u t i o no fa l l s t r e s sc o m p o n e n t sa r ea l s oo b t a i n e d h o w e v e r ，t h i sm o d e lc a no n l yb e a p p l i c a b l et ot h ec o n d i t i o n st h a t m a t e r i a l sa r ea l li nt h er e g i m eo fe l a s t i c d e f o r m a t i o n ，t h a tb o n d i n ga l o n gt h ew h o l ea n c h o r a g el e n g t hi sp e r f e c ta n dt h a t t h em or t a rc o v e rh a sn o tc r a c k e db e c a u s eo ft h ec o r r o s i o no fb o l t sy e t t h e c o n c l u s i o n sw h i c hc a nb ed r a w nf r o mt h ea n a l y s i so fe x a m p l e sa r e ：1 t h ea x i a l s t r e s si nt h eb o l t si sd i s t r i b u t e da st h ef u n c t i o no fe x p o n e n t i a ld e c r e a s e ；2 o n t h ea r b i t r a r yp l a n ea l o n gt h ea n c h o r a g el e n g t h ，t h er a d i a ls t r e s si nt h em o r t a r c o v e rt r a n s f e r r e df r o mt e n s i l es t r e s st oc o m p r e s s i o ns t r e s sa st h ed i s t a n c et o t h ee d g eo ft h eb o l ti n c r e a s e s ，a n dt h er a d i a it e n s i l es t r e s sb e s i d et h e c i r c u m f e r e n c eo fb o l t s ；sm a x i m u m ：3 t h eh o o ps t r e s si nt h em o r t a ra l o n gt h e w h o l ea n c h o r a g ei e n g t hi sm a x i m u mo nt h ea n c h o r a g ee n da n db e s i d e st h e e d g eo fb o l t so nt h ea r b i t r a r yp l a n e ；4 ，t h es h e a rs t r e s sb e t w e e nt h eb o l ta n d m o r t a rd i s t r i b u t e sl i n e a r l yf o r mn e g a t i v et op o s i t i v ep a s s i n gan e u t r a lp o i n ta t w h i c ht h ev a l u eo fs h e a rs t r e s si sz e r o ，a n dt h es h e a rs t r e s sa tt h ea n c h o r a g e e n di sm a x i m u m ；5 c o n f i n i n gp r e s s u r ea n de x p a n s i o no fc o r r o s i o np r o d u c t si s f a v o r a b l et oi n c r e a s et h ew i t h d r a w a ir e s i s t a n c eo fb o l t sb e f o r ec r a c k si n i t i a t e d i nt h em o r t a rc o v e rb e c a u s et h e yp r o d u c er a d i a lc o m p r e s ss t r e s so nt h e i n t e r f a c e t h i r d l y ，b yu s eo fd a t ao b t a i n e di nt h ep u l l - o u te x p e r i m e n to fb a r sw i t h s t r a i ng a u g es t i c k i n gi n s i d e ，t h ee f f e c to fc o r r o s i o na n dd i f f e r e n tp o s i t i o n so fi t a l o n gt h ea n c h o r a g el e n g t ho nt h ec a p a c i t ya n db o n do fb o l t si ss t u d i e d t h e c o n c l u s i o n sw h i c hc a nb ed r a w nf r o mt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa r e ：1 t h e u l t i m a t ew i t h d r a w a lr e s i s t a n c eo fn o n c o r r o s i o nb a r si sm a x i m u m a n dt h a to f b a r sc o r r o d e da td i f f e r e n tp o s i t i o n sa l o n gt h ea n c h o r a g ei e n g t hs h o wn o e v i d e n td i f f e r e n c e ，b u ts t i l lr e v e a ls o m er e g u l a r i t yt h a ta m o n gt h et h r e eg r o u p s o fs p e c i m e n st h ew i t h d r a w a lr e s i s t a n c eo fb a r sc o r r o d e di nt h ef r o n tp a r ta l o n g t h ea n c h o r a g el e n g t hi sm i n l m u m a n dt h a to fb a r sc o r r o d e di nt h er e a rp a r ti s m a x i m u m ；2 u n d e rt h es a m ep u l l o u tf o r o e 。t h es l i do fb a r sc o r r o d e da lf r o n t p a r ta l o n gt h ea n c h o r a g el e n g t hi sm a x i m u ma tl o a d i n ge n da n df r e ee n d s o t h ec o r r o s i o ni o c a t e da tt h ef r o n tp a r th a sam o s tu n f a v e r a b l ee f f e c to nl h e w i t h dr a w a lr e s i s t a n c eo fb o l t s ；3 c o r r o s i o na c t sa sl u b r i c a t i n ge f f e c tb e t w e e n b a r sa n dm o r t a r ，s oi nt h ec u r v eo fs t r e s si nb a r s ，t h es h a p eo fi ti sp r o m i n e n ta t v 河海大学博十学位论文夏宁：锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探 t h ep o s i t i o no fc o r r o s i o nw h i c hi n d i c a t e st h a tt h ed e c r e a s eo fs t r e s si ss l o w ，i n t h ec u r v eo ft h ed i s t r i b u t i o no fb o n ds t r e s s ，t h ep e a kv a l u eo fb o n ds t r e s sn e v e r a p p e a r si nt h ep o s i t i o no fc o r r o s i o n ，a n di nt h ec u r v eo fb o n d s l i da td i f f e r e n t p o s i t i o n sa l o n gt h ea n c h o r a g el e n g t h ，t h es l o p eo ft h ea s c e n tp a r ta tt h e p o s i t i o n o fc o r r o s i o ni s e v i d e n t l ys m a l l e rt h a n t h a ta tt h e p o s i t i o no f n o n - c o r r o s i o n f o u r t h l y ，a n o n - i i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m e t h o do f p u l l o u t e x p e r i m e n t si sp r o p o s e db a s e do nt h es u r f a c et os u r f a c ec o n t a c ta n a l y s i s f u n c t i o no fa n s y s 8 0 i nt h em e t h o d ，l h es u f f a c eo fb o l t si su s e da sc o n t a c l s u r f a c e ，w h i l et h es u r f a c eo fm o r t a ri su s e da st a r g e ts u r f a c e ，a n dt h ed i f f e r e n t p r o p e r t i e so ft h et w os u r f a c e sa r em o d e l e db yt w op a r a m e t e r so f f r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n di n i t i a lc o h e s i v es t r e n g t h t h em e t h o di su s e dt oa n a l y z et h e s e n s i b i l i t yo fp a r a m e t e r sa n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a t ：1 t h i c km o r t a rc o v e ri s f a v o r a b l et ot h ew i t h d r a w a lr e s i s t a n c eo fb o l t s ，b u tw h e ni ti st h i c ke n o u g h ，t h e i n c r e a s eo ft h i c k n e s so fi td o e sn o lw o r k ；2 t h ef r i c t i o nc o e f r i c i e n ta n dl n i t i a l c o h e s i v es t r e n g t ha r ec o r r e l a t e d ，a n dt h eu l t i m a t ec a p a c i t yo fb o l t si n c r e a s e s l i n e a r l yb yt h ei n c r e a s eo fb o t ho ft h e m ；3 t h ee f f e c to fc o n f i n i n gp r e s s u r eo n t h ew i t h d r a w a ir e s i s t a n c eb e c o m e se v i d e n ta f t e rt h ei n i t i a ic o h e s i v es t r e n g t h f a i l s ，a n di ft h ec o v e ri s i ng o o dc o n d i t i o n ，t h ec o n f i n i n gp r e s s u r ei sf a v o r a b l et o t h ew i t h d r a w a lr e s i s t a n c eo fb o l t sb yi n c r e a s i n gt h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c eo nt h e s u r f a c eo fb o l t s ；4 t h ea n c h o r a g el e n g t hi sf a v o r a b l et ot h ew i t h d r a w a l r e s i s t a n c eo fb o l t s f i f t h l y b a s e do nt h ed y n a m i cc l u s t e ra n a l y s i so ff u z z ye q u i v a l e n c e r e l a t i o n ，a ne v a l u a t i o nm e t h o do fd u r a b i l i t yo fa n c h o r a g es y s t e m sc o r r o d e di s p r o p o s e d t h em e t h o dm e a s u r e st h es i m i l a r i t yo fd u r a b i l i t yi n d e xs e r i e sa m o n g a n c h o r a g es y s t e m sb yu s eo fs i m i l a r i t yc o e f f i c i e n t ，a n dt h e nf o r m saf u z z y e q u i v a l e n c em a t r i xw i t h s o r tf u n c t i o n t h e n a n c h o r a g es y s t e m s a r e d y n a m i c a l l yc l u s t e r e da c c o r d i n gt od i f f e r e n td e g r e e so fc o n f i d e n c e t h e m e t h o dp r o v e st ob ec o r r e c tb ye x a m p l e s i ta v o i d st h ei r r a t i o n a l i t yi nt h e c o n v e n t i o n a lm e t h o da n dc a nb ee a s i l yr e a l i z e db yp r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：b o l t ，m o r t a r ，c o r r o s i o n ，p r e d i c t i o no fc r a c kd u et ot h ee x p a n s i o no f c o r r o s i o np r o d u c t s ，a n a l y t i c a lm o d e l ，b o n ds t r e s s ，w i t h d r a w a ir e s i s t a n c e 。f e a n a l y s i s ，t h ee v a l u a t i o no fd u r a b i l i t y v i 前言摘要a b s t r a c t 目录 前言 锚杆( 索) 是一种应用广泛的岩土体工程加固措施。上世纪6 0 年代以来， 我国在各类岩土工程中使用了大量锚秆，7 0 年代以后使用了许多锚索，9 0 年代 以来使用了更多的土钉，其总数当以亿记。在举世瞩目的长江三峡水利工程中， 为保证永久船闸高边坡的稳定性，共安装了4 2 0 4 束预应力锚索对边坡岩体进行 捆固。这些锚固结构的技术先进性和经济性无人怀疑，但问题是其使用寿命究竟 有多长? 事实上，由于锚杆( 索) 工作环境中存在侵蚀性介质、杂散电流及双金 属作用，因此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， 再加上自身防护系统不完善等内在因素，导致了锚杆( 索) 耐久性不足的现象时 有发生，世界各地均发生过由于耐久性不足而导致锚围失效的工程实例。恶劣的 地f 腐蚀环境和锚固结构较强的隐蔽性对岩土预应力锚秆( 索) 的耐久性提出了 更加严格的要求，耐久性是锚固工程安全度的一项重要指标。由于锚固结构属于 隐蔽工程，要对其寿命有较为准确的把握，较一般混凝土结构耐久性研究更为困 难。锚固结构在我国各类工程各种地层条件中业已应用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。在我国目 前西部大开发和大力兴建基础设施的背景下，锚杆( 索) 应用十分普遍，对锚固 体的耐久性进行系统研究是十分迫切和必要的，对国计民生具有极重要意义。 统计资料表明，锈蚀是导致锚固结构耐久性不足的主要原因，它对锚固体承 载力的影响表现为横向和纵向两个方面，横向影响表现为砂浆保护层的锈胀开 裂；纵向影响表现为锚杆与砂浆粘结性能的下降。本文主要从这两个方面着手， 以理论研究、结构试验和数值分析为主要研究手段，对锈蚀锚固体的力学性能进 行了研究，并在此基础上建立了锈蚀锚固体的耐久性评估方法。 本文的主要创新工作为：1 ) 建立了更加符合工程实际情况的锚杆不均匀锈 蚀的动态轮廓线模型，由此模型得到锚杆表面任意一点的虚拟锈胀位移公式。在 此基础上，对锈蚀锚固体砂浆保护层的锈胀开裂过程的进行了数值模拟，并提出 了锚杆临界锈蚀量的预测公式；2 ) 建立锈蚀锚固体的弹性空间解析模型，研究 了锚圆体在锚固力，围压和锈胀力作用下的三维应力场，给出了锈蚀锚固体空间 问题各应力分量的解析解答；3 ) 通过钢筋内贴应变片拔出试验的实测数据，研 究了锚固区锈蚀部位的不同对锚杆承载力和粘结性能的影响，得到了锈蚀部位对 锚杆轴向应力和粘结应力分布的影响规律，并获得了锚固区前段锈蚀对于抗拔力 的不利影响最大的结论。 本文研究获得如下基金项目的资助： 重大水q x _ 程病变机理与健康诊断方法研究( s c x 2 0 0 0 - 5 6 ) 。 学位论文独创性声明： 本人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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 伞部责任。 论文作者( 签名) ： 墓当 2 0 0 6 年月f - 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 d 年月厂日 第一章绪论 1 。1 问题的提出 第一章绪论 铺杆技术是将受拉杆件埋入被加固的岩体或土体，通过两者之问的相互作用 形成锖固体，共同承受外部荷载的一种加固措施。岩土预应力锚固技术产生予2 0 l 纪初，最早用于矿山的开采，3 0 年代阿尔及利亚的阿尔舍坝首次采用预应力锚 索埔豳大坝取得成功。4 0 年代美国的密尔顿潮坝、摩洛哥的拉勒泰克豪特坝、法 国的德努特坝等都采用了预应力锚加固大坝和基础。在小湾水电站的边坡稳定二 程t 芦应用了大量的锚秆( 如图1 。l 所示) 。实际工程应用表明，镭杼技术具有加固 效果显著，施工方法便捷，工程造价经济，应用领域广泛等诸多优点，在土木、 农利、交遥、市政、采矿等各类工程中都褥到了成功的应用。在我国基藏鹾部大 a 锚固体b 右岸进水口立面 c 右岸高边坡d ，左岸锚桩墙 图1 1 锚杆在小湾水电站边坡控稳工程中的应用 f i g 1 1 t h ea p p l i c a t i o no f b o l t si nt h es a f e t yo fs i d es l o p e i nx i a o w a nh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n 町海人学博上学位论文复宁；锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探 砖发和人力兴建基础设施的背景下，锚杆技术具有广泛的应用前景。 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，尤其是锚杆耐久性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 二 高边坡的稳定性加固以及交通隧道的围岩支护等等。耐久性是安全评价的一项 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。 岩上预应力锚杆( 索) 主要通过高强度的预应力筋，对岩土基础施加一定的 予负压应力，使岩土基础的稳定或强度满足运用要求。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，在这样的 i 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 r 索) 的耐久性提出了更加严格的要求。 世界各地均发生过由于锚杆耐久性不足而导致锻固失效的工程实例。：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 例预应力锚梓( 索) 腐蚀破坏 的实例：瑞士一座由锚索加固的管线桥台在锚露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，导致钢绞线 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；德国柏 林议会大厦预应力混凝土屋顶的预应力钢丝周围水泥浆体的灌注质量较差，导致 了析氢的应力腐蚀破坏，最终引发混凝土屋顶倒塌；印度蟊买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丽不得不提早更换；英国南威尔 斯a f a 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( 1 9 6 5 年) 对该 坝进行检查时发现预应力损失已达9 。出现这种情况，估计与锚头松弛及腐蚀 因素有关 1 。r o m a n 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， 原因是阿填土土质疏松，其中含有大量氧气。观察发现，不加任何防护的洁净碳 同内预府力锚索耐久性调研号题报告，武警水电部队三峡工程指挥部，长江水利委员会三峡工程设汁代表局，2 0 0 1 2 第一章绪论 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。 囝际后张预应力协会( f i p ) 的逸锚 “乍小组对收集到的3 5 例预应力锚杆 ( 索) 腐蚀破坏实例进行了统计分析“， 魁表i1 。3 5 例调查显示：2 4 例是永久 馐杆，其中有些是有保护措施的，有些是 没有保护措施的，1 1 例是除锚固段有水泥 浆包裹和偶尔自由段有隔离套外无保护 措施的临时锚杆；就破坏部位而言，1 9 铡发生在罐头或距锚头l m 以内，2 1 例发 生在自由段，2 例发生在锚固段；不管 何种类型的链杆( 索) ，腐蚀都是在锚固 长度局部发生的；就使用年限而言，有 9 侧发生在6 个月内，1 0 铡发生在6 个月至2 年内。其余18 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。欧j j f i 学者评估了世界 范同内从1 9 5 1 年到1 9 7 9 年期间预应力 腐蚀损伤影响的2 4 2 个实例，对产生腐 蚀的成因进行了统计。，如图1 2 所示， 呵见锚秆( 索) 的工作环境中几乎涵盖 了图中所有导致锈蚀的诱因，因此锚杆 ( 索) 产生腐蚀的可能往极大。 虽然锚杆技术在我国的应用较晚， 但是随着新类法在全世界的风行，我国 锚同类结构的工程量也相当大。仅 1 9 8 0 年以后按新奥法原理建造的铁路 隧道即占我国隧道总条数和总长度的 围1 2 麝蚀成困统计图 f i g 1 2t h ec a r t o g r a mo ff a c t o r s c a u s i n gc o r r o s i o n 表1 13 5 例地锚腐蚀破坏实例统计分析 t a b l e1