水工程地质缺陷加固技术：预应力锚杆加固参数确定

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：单根预应力锚杆设计锚固力的确定。2）预应力锚杆的支护特征曲线方程为式中——预应力提供的支护反力，=PR/xaxc。图6.16中，①为围岩的特征曲线；②为普通砂浆锚杆的支护特征曲线；③为预应力锚杆的支护特征曲线。因此，预应力锚杆的最大间距不宜超过L。但是预应力不能无限增大，预应力锚杆张拉荷载的确定还应考虑锚杆的极限承载力。

在水工程地下厂房的围岩与通航建筑物高边坡地质缺陷加固中，预应力锚杆通常是优选技术。但是，由于预应力锚杆与围岩、坡岩之间相互作用机理非常复杂，至今尚未在工程界获得统一共识。在我国，主要认知的是郑颖人院士推荐的围岩压剪作用机理^[5]，即预应力锚杆加固围岩地质缺陷所提供的支护抗力Pim为：

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式中　Fm——锚杆的截面积；

σm——锚杆的抗拉强度；

β——剪切区内锚杆的平均倾角；

S——半个剪切楔体在围岩承载圈的弧长；

xa——预应力锚杆间距；

xc——预应力锚杆排距；

r1——地下隧洞开挖半径；

α——预应力锚杆与水平面的夹角。基于式（6.40）和围岩与加固（支护）特征曲线以及锚杆假设为弹塑性荷载传递模型，对水工程主要是圆形隧洞作预应力锚杆参数作如下确定^[6]。

（1）单根预应力锚杆设计锚固力的确定。预应力锚杆加固体见图6.14，设预应力锚杆的长度为L；预应力锚杆与浆体（简称预应力锚固体）的复合半径为Rf；锚固段和自由段分别为La、Lf。在锚杆钉头作用着PR的预应力。以锚杆尾端为坐标原点，锚杆轴线为坐标x轴建立坐标系。

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图6.14　预应力锚杆加固体示意图

沿预应力锚固体轴向取一微元体，其受力情况见图6.15，设σf为锚固体轴向应力，τ为锚固体与岩石接触面的剪应力。

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图6.15　预应力锚固体微单元应力图

由锚固单元体轴向应力平衡条件得

由式（6.41）解出

因此

式中　ξ——工作条件系数，取0.75～0.90。

（2）预应力锚杆间距的确定。

1）普通砂浆锚杆支护的特征曲线方程为

式中　 pagenumber_ebook=291,pagenumber_book=259 ——支护径向反力；

Δur——支护设置后围岩的径向位移增量；

KN——普通锚杆的刚度，KN=Pw/Δur；

ea、ec——普通砂浆锚杆的纵、横间距；

Pw——普通砂浆锚杆的工作荷载。

2）预应力锚杆的支护特征曲线方程为

式中　 pagenumber_ebook=291,pagenumber_book=259 ——预应力提供的支护反力，=PR/xaxc。(www.chuimin.cn)

以上两种特征曲线见图6.16。

图6.16中，①为围岩的特征曲线；②为普通砂浆锚杆的支护特征曲线；③为预应力锚杆的支护特征曲线。图中W点为普通砂浆锚杆的工作点。如果逐渐增大预应力锚杆支护间距而其他参数与普通砂浆锚杆支护相同，使预应力锚杆与普通砂浆锚杆支护具有同一工作点W，也就是使预应力锚杆支护效果、它的收敛位移、作用到围岩上的名义支护反力与普通砂浆锚杆相当，则根据式（6.44）和式（6.45）有

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图6.16　围岩与支护特征曲线

由式（6.46）可得

如果取xa=xc=x，ea=ec=e，则

式（6.48）说明，当预应力锚杆的张拉荷载为PR时，如果使预应力锚杆与普通砂浆锚杆达到相同的支护效果，则预应力锚杆的间距可增大为普通砂浆锚杆的倍。但应注意的是，单根预应力锚杆试验表明［2］，预应力锚杆在岩层内沿垂直锚杆轴线的应变分布主要集中在宽约锚杆长度范围内。因此，预应力锚杆的最大间距不宜超过L。

（3）预应力锚杆最小长度的确定。大量实践表明，锚杆锚固段长度存在一个临界值，当锚固段长度超过该值后，长度的增加对锚杆极限承载力的提高不起作用。根据图6.14设恰好与锚杆极限承载力无关的锚固体长度定义为锚杆的临界锚固长度。采用理想弹塑性模型计算，即当锚固层前端截面处（设为M点）达到极限摩阻力时，锚杆达到极限承载力；在达到极限承载力之前，锚固层处于弹性工作状态。此时，在外力P作用下锚固体截面位移u（x）应满足

考虑边界条件