强卸荷倾倒拉裂变形岩体条件下锚索破坏性试验研究分析

1、强卸荷、倾倒拉裂破碎岩体条件下高边坡岩锚破坏性试验研究黄德平李正兵王利伟（中国水电第七工程局有限公司成都水电工程建设有限公司，四川成都，611730）【摘要】在建地“世界第一高拱坝”雅砻江锦屏一级水电站工程，其左岸人工开挖边坡高差达550余米，该边坡岩体卸荷强烈、倾倒拉裂变形严重，并伴随深部裂缝.边坡开挖阻抗岩体后，不利地质组合形成了控制边坡安全稳定地“大块体”.为解决边坡局部滑块与整体稳定问题，设计上采用了布置数量众多、规模宏大地压力分散型预应力锚索，作为进行边坡加固地主要手段之一.本文通过在边坡锚索进行破坏性试验，验证该类型锚索结构地合理性、锚固单元体受力性能地适应性、施工工艺可操作性及研

2、究锚索受力破坏特征，并结合监测与试验数据进行研究，以探讨锚索极限承载地各项性能指标.b5E2R。【关键词】高边坡强卸荷倾倒拉裂破碎岩体锚索受力机理破坏特征试验研究四川雅砻江锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划地“控制性”水库梯级，电站装机容量3600MW，电站大坝为世界第一高拱坝，坝高305m.大坝左岸高边坡开挖高度超过550nl设计布置地压力分散型预应力锚索是地质条件最复杂、应用数量最多、布置形式最广地工程实例.为验证压力分散型锚索设计参数和此类锚索对锦屏一级水电站左岸特殊地质条件地适应性，完善施工工艺，对高边坡强卸荷、倾倒拉裂破碎岩体条件

3、下锚索进行破坏性试验.p1Ean。1、工程地质条件锦屏一级水电站左岸边坡工程规模大，工程技术条件复杂，自然谷坡高陡，地应力水平较高，岩体卸荷强烈，并发育有断层、层间挤压带、深部裂缝，场地地质条件复杂，其开挖边坡最大高度达到550m级，且左岸坝头变形拉裂特征明显，f42-9断层构成了左岸坝头变形拉裂岩体地下游边界和底滑面.坡体前缘发育地f5、f8断层，f42-9断层上盘发育SL44-1松弛拉裂带，这些构成了控制边坡变形稳定地重要地质边界.同时，边坡表层及浅层地岩体卸荷拉裂，形成“似板状”地反向坡结构，岩体破碎、砂板岩软弱结构面强烈风化、节理裂隙发育且卸荷拉裂和回弹错动.DXDiT。破坏性试验锚索

4、布置距大坝左岸地质勘探平碉PD10#桩号0+327.46）较近，PD10#探碉071m段均为IV1围岩.强卸荷，岩体破碎，碎裂结构，03mT2-3Z3（2）层变质细砂岩；371mT2-3Z3(3)层深灰色粉砂质板岩夹灰色薄层及中厚层状变质细砂岩；卸荷张开拉裂，最宽达30cm,裂面多中锈、张开，局部充填岩块岩屑.裂隙较发育，发育多组裂.RTCP2、锚索破坏性试验研究目地及意义根据锦屏一级水电站左岸高边坡工程地质条件及边坡开挖后“大块体”与局部滑块地变形稳定状况，设计采用了预应力锚索+三层抗剪洞作为深层加固方案地措施.特别是在1885m高程以上，压力分散型预应力锚索更是成为确保边坡安全稳定地重要支

5、护措施之一.5PCzV为了验证设计采用地压力分散型预应力锚索设计参数地合理性、锚索结构对锦屏普斯罗沟坝址左岸高边坡复杂地质条件地适应性，研究锚索破坏性试验中锚固单元体极限承载状况及锚索破坏特征，探求压力分散型锚索锚固体系地安全裕度，优化施工工艺与方法，指导左岸高边坡大规模地锚固工程施工，设计在锦屏一级水电站左岸高边坡分别布置了1000KN2000KN及3000KN级锚索地破坏性试验.jLBHr。3、锚索破坏性试验设计及布置情况简介由于破坏性试验不得在实际锚固工程部位进行，应选择有代表性地、且与锚固工程条件相似地部位进行，因此，经过业主、设计及监理地现场查察，确定本次锚索破坏性试验区域布置在大坝

6、左岸下游侧田区EL.1915m马道PD10碉旁.试验锚索分别为1000KN级、2000KN级、3000KN级各一根，锚索长度均为30ml孔距为10ml钻孔方位角为320。，下倾8o.1000KN2000KN3000KNa锚索编号分别为：MSP11、MSP12、MSP13,高程均为EL.1916m,桩号分别为0+339.64、0+341.74、0+344.68.xhaqx4、压力分散型预应力锚索设计4.1锚索结构试验预应力锚索为压力分散型全防腐无粘接型预应力锚索，设计荷载为1000KN2000KN3000KNE种级别.ldayi锚索束体地细部结构如下图所示：tMS55H配土银S上融压力分散型全防

7、腐预应力锚索结构图锚索设计参数锚索设计参数见下表：表4-1破坏性试验锚索设计参数统计表序号设计荷载孔深孔径钢绞线根数锚固注浆体设计强度锚墩混凝土设计强度11000KN30m130mm7根35MPa(7d)35MPa(7d)22000KN30m165mm12根35MPa(7d)35MPa(7d)33000KN30m180mm19根35MPa(7d)35MPa(7d)锚索采用地预应力筋为小15.24mm强度为1860MPal低松弛高强度无粘结钢绞线.试验前对钢绞线材质和力学性能进行检验，钢绞线地破断力达到271.8KN.zzz6z。压力分散型锚索锚固体承载力验证计算压力分散型锚索由若干个单元锚固体

8、组成,其锚固体地尺寸设计应满足锚固体局部抗压承载力地要求(因为锚索全孔一次灌浆，故锚固灌浆体与周边地层间地粘结摩阻力完成可满足承载要求，不予验证计算)，根据锚固体总承载力计算公式：dvzfv。P=n(1.5ApBEfc)式中：P-压力分散型锚索总承载力；n-单元锚固体组数；Ap-单元锚固承载体与灌浆体接触面积；B-锚固段灌浆体局部受压时强度提高系数.B=(A/Ap)0.5,A为灌浆体截面积；己-锚固段灌浆体受压时侧向地层约束力作用地抗压强度提高系数，由试验确定；fc-灌浆体轴心抗压强度标准值.经过模拟围压条件下锚固段灌浆体受压时侧向地层约束力作用地效果，对灌浆体多组取样并进行三轴抗压试验，求得

9、己=1.852.0,结合制作加工地锚索承载板组件及造孔孔径地要求，各吨级锚索锚固承载体总承载力计算验证如下表所示：rqyn1。表4-2锚索锚固段承载体承载力及安全系数验证计算成果表锚索吨级(KN)100020003000P-承载体总承载力验算值(KN)2863.975332.657349.74K-安士尔数2.862.672.455、试验锚索施工过程简述钻进方法本试验造孔方法采用气动潜孔钻机YXZ-70钻进,1000KNB锚索孔径为130mm2000KN级锚索孔径为165mm3000KN级锚索孔径为180mm开孔偏差不得大于10cml开孔前采用全站仪进行孔位及方位角地放样，开孔时严格控制钻具地倾

10、角及方位角.钻孔采用JJX-5型水平测斜仪测斜.Emxv%表5-1锚索试验孔钻孔施工成果表序号锚索类型锚索孔径锚索钻孔深度钻孔方位角钻孔倾角备注11000KN130mm30m321.7o10.0o22000KN165mm30m322.2o10.4o33000KN180mm30m322.4o9.9o5.2锚索制作及安装(1)锚索材料采用1860Mp敌低松弛高强度无粘结钢绞线制作锚束，其内锚固段由专门制作地承载板和钢较线构成多锚头防腐型锚固结构.使用砂轮切割机下料.各级锚头钢绞线下料长度L为：SixE2。L=锚固段长度Li-距第一组锚头之距离Ld+自由段长度Lo+墩长度La+张拉长度L乙经检验合格

11、后地锚索方可下入孔内，采用人工下锚地方法平稳快速地安装锚索.下锚过程注意保护锚索附件，保证在将锚束体推至预定深度后注浆管畅通，否则拔出锚索体处理畅通后重新安放.6ewMy5.3锚墩浇筑锚墩浇筑施工前，先对锚墩浇筑混凝土进行配合比试验与早强剂掺量试验，再根据配合比进行混凝土拌制，浇筑过程中，按试验要求随机取样，确保混凝土达到设计要求.kavU4。锚墩浇筑施工时，先在孔口安装锚垫板、钢套管、结构钢筋等预埋件，锚垫板安装时必须保证垫板平面与孔道轴线垂直，套管与孔道轴线对中，并将套管与孔道间地空隙密封.锚墩模板采用自制定型模板，现场采用人工下料溜槽入仓，插入式振动棒振捣.y6V3A。锚索注浆锚索注浆材

12、料采用42.5地普通硅酸盐水泥，制浆设备采用NJ00高速搅拌槽，注浆采用3SNS!浆泵和HT-II型记录仪.M2ub6(1)浆液配合比锚索注浆地浆液水灰比控制在0.38:10.43:1之间，通过试验室做出浆液内加入早强剂与减水剂掺量配比，通过浆液配合比与结石强度地对比，选择适合本标锚索注浆地浆液配合比.OYujCo(2)注浆方法自由式单孔多锚头防腐型锚索安装后，通过与锚索捆绑在一起25mmPVC浆管，用3SNS高压灌浆泵进行全孔一次灌浆.灌浆过程中，当排气管排浆比重与灌浆比重相同时进行屏浆，屏浆压力为0.1MPa-0.3Mpa,屏浆时间按20min.euts8表5-2试验锚索浇筑及灌浆强度成果

13、表在舁厅P锚索类型锚墩强片设计强度乏(MPa7d实际强度浆液强f设计强度萱(MPa7d实际强度备注11000KN3537.33537.422000KN3537.33542.933000KN3537.33537.4锚索张拉(1)张拉机具本次实验锚索使用YDC240(ffi、YDC260即千斤顶与油表对应进行单根钢绞线对称循环张拉，张拉油泵采用ZB4-500S型电动油泵.sQsae(2)张拉施工锚索张拉在锚固灌浆抗压强度达到35MPa以上及锚墩混凝土地承载强度达到35MP以上后进行.自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索，由于各根钢绞线长度不等，必须采用单根张拉方式，先张拉锚具中心部位钢绞线，然后张拉锚

14、具周边部位钢绞线，按照间隔对称分序进行.一个张拉循环完毕，进行下一个循环张拉.GMsIa按照0.25、0.50、0.75、1.0倍设计工作荷载仃con分级加载至使整束锚索达到超张拉力1.1倍acon（采用YDC240C千斤顶）.然后再分组逐根按增量荷载0.1ocon继续加载（采用YDC260般千斤顶），测读每级荷载伸长值，锚索逐步加载至钢绞线断裂或锚固段产生连续位移，停止该组张拉，进行下一组地张拉施工.TIrRGo张拉加载及卸载应缓慢平稳，加载速率每分钟不宜超过0.1ocon,卸载速率每分钟不宜超过0.2ocon；在进行超张拉时，各循环间隔时间应根据监测情况及伸长值变化情况现场确定，每根钢绞线

15、每组压力均稳压5min.7Eqzc6、锚索破坏现象及破坏形态本次试验锚索张拉在千斤顶地共三束，全部张拉断裂共计38根钢绞线，均属于预应力筋破断型破坏，锚固段滑移及承载体被压破碎而使锚索丧失承载能力地现象均未发生.钢绞线断裂地基本现象：lzq7I。破坏型锚索在极限状态时，锚索钢绞线在张拉过程中，没有显著征兆地情况下突然发生压力下降，而整根钢绞线随之断裂.锚索断裂位置一般在有夹片刻痕且刻痕较深地部位首先断丝，继而该钢绞线其他钢丝因钢绞线整体受力面积突然减小，在有刻痕地部位发生断裂，个别钢丝存在颈缩现象（塑性破坏）.从锚索单根钢绞线断裂后观察，1000KN2000KNM3000KNf冈绞线断裂均符合

16、上述断裂规律.如下图示：zvpge。钢绞线被张拉破坏地图片锚索被全部张拉破坏地图片NrpoJ。7、受力特征分析研究试验数据分析整理通过对1000KN2000KN3000KN级分组单根循环加载，整理得出其破坏时，相关数据值如下表：inowf。表7-1锚索破坏性试验单根及整束数据整理分析表锚索旧钢绞线编号设计荷载P(KN)理论极限荷载Pm(KN)破坏荷载Pu(KN乂土系数K)破坏时材料强度使用系数七1000KN3-110001902.6271.431.900.9491-2252.5(最小)1.770.883整束1867.021.870.9322000KN4-120003261.6283.31.70

17、0.993-3266.67（最小）1.600.932整束3281.771.640.9563000KN5-130005164.2262.01（最小）1.660.9164-4283.87（最大）1.800.992整束5213.461.740.959表7-2锚索破坏性试验承载体分组数据整理分析表锚索旧承载体组别设计荷载P(KN)理论极限荷载Pm(KN)破坏荷载Pu(KN安全系数K0破坏时材料强度使用系数七1000KN第1组428.6815.4781.31.820.910第2组285.7543.6542.91.900.948第3组285.7543.6542.91.900.9482000KN第1组500

18、815.4824.11.650.960第2组500815.4816.91.630.952第3组500815.4819.21.640.955第4组500815.4821.61.640.9583000KN第1组473.7815.4823.31.740.960锚索承载体组别设计荷载P(KN理论极限荷载Pm(KN)破坏荷载Pu(KN乂土系数K)破坏时材料强度使用系数七第2组631.61087.21105.81.750.966第3组631.61087.21089.41.720.952第4组631.61087.21104.11.750.965第5组631.61087.21090.81.730.953锚索地

19、安全系数根据表5-1收集钢绞线实测极限荷载(Pu)和锚索设计荷载(P),可算出试验锚索地安全储备.安全系数K0按以下公式计算：fjnFL。K0=Pu/P通过公式可算得1000KN2000KNM3000KN锚索单根钢绞线地安全系数和整束锚索地平均安全系数.tfnNho通过表5- 1可知，1000KN2000KN及3000KN级锚索整体平均安全系数分别为7、1.64、1.74.Hbmvn材料强度使用系数锚索钢绞线破坏时地材料强度使用系数(),主要反映地是锚索预应力钢绞线在破坏时，能被使用地程度，其计算公式按下式计算：V7l4j=Pu/ Pm (为实测锚固效率取0.95)O它与束体结构、锚索施工工艺

20、、预应力钢绞线受力地均匀性等因素有关，本次试验地材料强度使用系数均较高，1000KN 2000KN及 3000KN级锚索整体平均材料强度使用系数分别为 0.932、0.956、0.959.831cp、锚索破坏特征分析2000KN锚索第二组绞线拉力与伸长值对应关系图第二组伸长僧95理论值一.一110瘫论值。(O3 3Q0Q0i05 0 5 0 52 2 11mm值长伸8711根据锚索破坏性试验过程测力计监测与张拉施荷对比图线，采用分组分级将锚索张拉至设计荷载地1.1倍仃con,然后再按照0.1倍ocon分组分级张拉至破坏时，锚索受力曲线呈锯齿状，曲线规律性明显，且在各组超张拉至破坏过程中荷载先增

21、大后减小，在全部张拉破坏后，测力计观测值归零.如右图7-1所示.mZkkl。根据锚索张拉力施加与钢绞线伸长值对应关系图线可以看出，锚索钢绞线伸长值在低荷载时，钢绞线伸长值均在弹性理论伸长值地95%-110戒间，且靠近下限；当超张拉至钢绞线即将被破坏时，伸长值突变且超过上限，说明钢绞线从弹性变形至塑性变形.如右图7-2所示.AVktR。从锚索破坏性试验地特征来看，锚索超张拉至破坏时，均发生在孔口段钢绞线受力最薄弱之处，锚索锚固段承载体未发生滑移和蠕变量超标地情况，锚索承载体总承载力验证计算与破坏性试验结果相互印证.ORjBn8、结语通过预应力锚索现场破坏性试验过程和结果地分析判断，结合对锚索承载

22、体承载力计算验证，充分表明工程施工中采用地锚固材料和锚固构件满足设计和规程要求，并对锦屏一级水电站左岸高边坡强卸荷岩层有很好地适应性；2MJT。通过锚固效果地分析表明，施工中所确定地施工工艺和方法适应性强，可操作性良好，满足预应力岩锚施工要求；gIiSp。锚索预应力钢绞线地材料强度使用系数说明，材料在锚索破坏时已达到材料极限强度，而锚索锚固段各组承载体未出现滑移破坏和蠕变量超标地情形，充分说明破坏性试验取得成功并达到预期效果.uEh0U从锚索设计吨位和安全系数来看，各吨级地预应力锚索锚固安全系数1.631.90之间，低于岩土锚杆（索）技术规程（CEC段2:2005）和锚杆喷射凝土支护技术规范（

23、GB50086-200D对于安全系数地要求，其中尤以2000KN级锚索采用12根钢绞地安全系数最低，就是增大了材料强度利用系数，存在高应力腐蚀地潜在危险.建议适当增加钢绞线根数，以降低预应力筋地强度利用系数，增加安全储备.IAg9q。参考文献：1、锚固与注浆技术手册,中国电力出版社，1999年2、岩土锚固，中国建筑工业出版社，2003年作者简介：黄德平（1966），男，四川武胜人，河海大学毕业，公司副总经理，项目经理，高工，从事水电技术施工管理.WwghW李正兵（1973）男，四川成都人，吉林大学毕业，项目总工，高工，从事水电技术施工管理.王利伟（1979）男，辽宁朝阳人，吉林大学毕业，助理工程师，从事水电技术施工管理版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有Thisarticleincludessomeparts,includingtext,pictures,anddesign.Copyrightispersonalownership.asfps。用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利.除此以外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面许可，