锚索非线性分析

预应力锚索通过尽可能少地扰动被锚固岩土体，由锚固在稳定岩土体中的锚固段提供预应力，从而有效地提高了被锚固岩土体的稳定性，是一种高效、经济的岩土加固技术，已广泛地运用于工业与民用建筑、公路、铁路边坡的加固防护、大型地下洞室的围岩加固以及大坝基础的加固等。而对于预应力锚索设计理论的研究也正成为岩土工程界研究的一个热点问题。但预应力锚索锚固段的工作机理还不十分清楚，尽管国内外已做了大量的室内外试验，锚固段的侧阻力分布的定性结论已经比较清楚，但理论研究，特别是用理论方法来预测锚固段的侧阻力分布规律还有待于深入。现有设计理论还停留在简单地将侧阻力分布按均匀分布简化的阶段，而大量的试验结果表明，锚固段侧阻力不是均匀分布的，而是在其前端形成峰值，然后沿锚固段长度迅速衰减直至趋近于零。显然，对这一问题作出合理解释，进而用理论方法来预测并作出能用于实际工程的设计，这些对于工程实践才比较有意义。文 曾采用损伤理论对这一问题进行了研究，分别定义了岩体的剪切损伤变量和浆体材料的受拉损伤变量并研究了各自对应的损伤演化方程，根据荷载、变形协调关系建立方程组，并通过迭代法求解，取得了一定的成果。

在本文中，作者首先将预应力锚索锚固段离散化，并将预应力锚索体系分解成承受侧阻力荷载作用的岩土体部分及锚固段部分并分别加以研究。其中，岩土体部分采用基于Mindlin应力解及应力叠加原理计算岩土体内任意点处的应力分布，并根据修正分层总和法计算预应力荷载下锚固段稳定岩土体内任意点处的变形值；锚固段浆体材料部分则根据锚索锚固段荷载传递特性来计算其变形量。最后根据两者荷载、变形协调关系建立联立方程组，采用迭代法求解，可以获得锚索锚固段的侧阻力分布及荷载、变形特性。本方法能够考虑岩土体的三向应力对其变形特性的影响，最为重要的是在计算变形时能够考虑岩土体的本构关系，从而可以考虑岩土体的非线性特性对其变形特性的影响。因此，在理论计算上比较合理。同时，可以运用本文建议方法的基本原理研究预应力锚索的群锚效应。本文理论对于预应力锚索工作机理特性研究具有现实意义。

锚索锚固段的离散化

施加在锚索上的预应力是通过埋设在稳定岩土体中的锚固段传递给周围岩土体，因此，锚固段是预应力锚索的主要受力部分，也是预应力锚索设计需要重点考虑的内容。至于锚索锚固段的侧阻力分布模式、锚固段荷载、变形特性则是预应力锚索设计的核心技术。

首先，将锚固段进行离散化处理(图1)，即将锚固段离散为n段，当然每微段长度可以相同，也可不相同，设各微段长度分别为d_i(i=1，2，3，…，n)；作用在各微段上的侧阻力为均匀分布，其大小分别为t_i(i=1，2，3，…，n)，各微段的侧阻力是各不相同的。

其次，将锚索体系看成是由两部分组合而成：其一是承担预应力荷载P及锚固段与岩土体相互作用的侧阻力荷载P_s=[t₁，t₂，t₃，L，t_n]T的锚固段；其二是承担侧阻力荷载P_t= [t₁，t₂，t₃，L，t_n]T的稳定岩土体(图 2)。当然，这两者之间要通过锚固段与岩土体之间相互作用的侧阻力荷载、变形协调关系统一起来。

这样分解的目的在于根据锚固段与岩土体的各自受力特点及各自的本构关系分别采用不同的方法进行研究，计算各自的荷载、变形关系。最后，通过两者荷载、变形协调关系将其联系起来，从而获得问题的最终解答。

固段周围岩土体应力分布研究

为研究岩土体内由于侧阻力荷载作用下沿锚固段与岩土体接触面上任意点处的应力分布规律，本文采用基于Mindlin应力解进行计算。均布矩形侧阻力下应力计算简图见图3。

荷载作用下沿锚固段与岩土体接触面上任意点处的附加应力计算公式可通过积分获得，与常规问题有所不同的是，本文问题的荷载作用方向是沿z轴的负方向。

固段荷载传递特性研究

锚固段的变形分析可以采用荷载传递法进行，首先推导锚索锚固段的荷载传递微分方程，然后，根据锚固段的侧阻力分布模式，并利用边界条件即可求得锚固段上任意点处的变形量。通过前面几节的分析，可以确定岩土体在给定侧阻力荷载作用下与锚固段接触面上任意点处的沉降量，以及在给定外加预应力荷载和锚固段侧阻力荷载共同作用锚固段的变形量。下面通过锚固段与周围岩土体荷载、变形协调关系来对预应力锚索体系进行整体分析。

从理论上来说，在锚固段与周围岩土体之间不产生滑移的情况下，任何位置处都应该变形协调，即变形应相等。

研究结论

从理论上对2次灌浆型预应力锚索锚固段侧阻力分布规律、锚固段荷载、变形特性进行了系统研究，归纳起来做了以下工作：

(1)将预应力锚索体系分解成承受侧阻力荷载作用的岩土体部分及锚固段部分并分别加以研究。

(2)岩土体部分采用基于Mindlin应力解及应力叠加原理计算岩土体内任意点处的应力分布，并根据修正分层总和法计算预应力荷载下锚固段稳定岩土体内任意点处的变形值。

(3)将锚固段进行离散化处理，并根据锚索锚固段荷载传递特性来计算其变形量，推导了锚固段荷载传递微分方程。

(4)根据两者荷载、变形协调关系建立联立方程组来进行锚索体系的整体分析，并采用迭代法求解，给出了具体的迭代步骤。

(5)通过一工程实例的分析比较，说明本文理论是合理的。

钻孔、锚索、注浆同时进行。连接钻杆接手、钻头，采用泥浆护壁方法，注浆钻进同步进行，自由端完成后采用稠水泥浆进行旋进。

1. 上腰粱

采用工字钢连接锚索。

2. 张拉

待泥浆凝固，两天后进行张拉。

3. 外部保护

封孔注浆后，从锚具量起留50 mm钢绞线，其余的部分截去，在其外部包覆厚度不小于50 mm的水泥砂浆保护层。

锚索钻孔

钻孔是锚索施工中控制工期的关键工序。为确保钻孔效率和保证钻孔质量，采用潜孔冲击式钻机。钻机钻井时，按锚索设计长度将钻孔所需钻杆摆放整齐，钻杆用完，孔深也恰好到位。钻孔深度要超出锚索设计长度0.5 m左右。

钻孔结束，逐根拔出钻杆和钻具，将冲击器清洗好备用。用一根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹干净，且孔深不少于锚索设计长度时，拔出聚乙烯管，塞好孔口。

两种特殊情况的处理：

渗水的处理。在钻孔过程中或钻孔结束后吹孔时，从孔中吹出的都是一些小石粒和灰色或黄色团粒而无粉尘，说明孔内有渗水，岩粉多贴附于孔壁，这时，若孔深已够，则注入清水，以高压风吹净，直至吹出清水；若孔深不够，虽冲击器工作，仍有进尺，也必须立即停钻，拔出钻具，洗孔后再继续钻进，如此循环，直至结束。有时孔内渗水量大，有积水，吹出的是泥浆和碎石，这种情况岩粉不会糊住孔壁，只要冲击器工作，就可继续钻。如果渗水量太大，以至淹没了冲击器，冲击器会自动停止工作，应拔出钻具进行压力注浆。

塌孔、卡钻的处理。当钻孔穿越强风化岩层或岩体破碎带时，往往发生塌孔。塌孔的主要标志是从孔中吹出黄色岩粉，夹杂一些原状的（非钻头碎的、非新鲜的、无光泽的）石块，这时，不管钻进深度如何，都要立即停止钻进，拔出钻具，进行固壁注浆，注浆压力采用0.4 MPa，浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液，24小时后重新钻孔。雨季，常常顺岩体破碎带向孔内渗流泥浆，固壁注浆前，必须用水和风把泥浆洗出（塌入钻孔的石块不必清除），否则，不仅固壁注浆效果差，还容易造成假象。

锚索在钻孔的同时于现场进行编制，内锚固段采用波纹形状，张拉段采用直线形状。钢纹线下料长度为锚索设计长度、锚头高度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作余量的总和。正常情况下，钢绞线截断余量取50 mm。将截好的钢绞线平顺地放在作业台架上，量出内锚固段和锚索设计长度，分别作出标记；在内锚固段的范围内穿对中隔离支架，间距60-100 cm，两对中支架之间扎紧固环一道；张拉段每米也扎一道紧固环，并用塑料管穿套，内涂黄油；最后，在锚索端头套上导向帽。

锚索锚索安装

向锚索孔装索前，要核对锚索编号是否与孔号一致，确认无误后，再以高压风清孔一次，即可着手安装锚索。

安装下倾锚索比较简单，没有更多的技术问题。安装上倾和水平锚索时要注意以下四点：检查定位止浆环和限浆环的位置，损坏的，按技术要求更换；检查排气管的位置和畅通情况；锚索送入孔内，当定位止浆环到达孔口时，停止推送，安装注浆管和单向阀门；锚索到位后，再检查一遍排气管是否畅通，若不畅通，拔出锚索，排除故障后重新送索。

锚索锚固法注浆

锚固法注浆采用排气注浆发施工。下倾的孔，注浆管插至孔底，砂浆由孔底注入，空气由锚索孔排出；上倾和水平孔，砂浆由孔口注入，空气压向孔底，由孔底进入排气管排出孔外（水平锚索，空气经限浆环进入排气管）。

上倾和水平锚索孔注浆过程中，当排气管不再排气，且有稀水泥浆从排气管压出时，说明注浆已满；对于下倾锚索注浆，采用砂浆位置指示器控制注浆位置。

锚索孔注浆采用注浆机，注浆压力保持在0.3-0.6 MPa。

锚索立锚墩

锚墩的作用是把锚具的集中荷载传递到岩面和调整岩面受力方向。为了使锚墩上表面与锚索轴线垂直，预先将一根外径与钻头直径相同的薄壁钢管和垫板正交焊牢，浇筑锚墩前将钢管的另一端插入钻孔即可。

锚索锚索的张拉

张拉锚索前需对张拉设备进行标定。标定时，将千斤顶、油管、压力表和高压油泵联好，在压力机上用千斤顶主动出力的方法反复试验三次，取平均值，绘出千斤顶出力（KN）和压力表指示的压强（MPa）曲线，作为锚索张拉时的依据。因国产压力表初始起动压强不完全相同，所以，标定曲线上必须注明标定时的压力表号，使用中不得调换。压力表损坏或拆装千斤顶后，要重新标定。

若锚索是由少数钢绞线组成，可采用整体分级张拉的程序，每级稳定时间2~3 min；若锚索是由多根钢绞线组成，组装长度不会完全相同，为了提高锚索各钢绞线受力的均匀度，采用先单根张拉，3天后再整体补偿张拉的程序。

锚索封孔注浆

补偿张拉后，立即进行封孔注浆。对于下倾锚索，注浆管从预留孔插入，直至管口进到锚固段顶面约50cm；对于上倾和水平锚索，通过预留注浆管注浆。孔中的空气经由设在定位止浆环处的排气管排出。

锚索外部保护

为保质保量地按期完成施工任务，工地必须成立QC小组，自始至终每个阶段坚持采用科学的工作方法，制定一系列对策和实施办法，及时改善锚索体结构，积极改进施工工艺，采用先进的网络技术组织施工，尽量做到均衡生产，使钻孔、注浆、张拉、封锚等工序互不延误，交叉进行，并按统一表格做好施工记录。

锚索工艺过程

施工准备—锚孔钻造—锚索制安—锚孔注浆—腰梁（锚梁、锚墩或十字架梁、型钢支架）施工—腰梁与桩间用混凝土填充密实—锚孔张拉锁定-验收封锚。其主要施工环节有两个：一是锚孔成孔，锚孔成孔的技术关键是如何防止孔壁坍塌、卡钻；二是锚孔注浆，注浆的技术关键是如 何将孔底的空气、岩（土）沉 渣和地下水体排出孔外，保证注浆饱满密实。

国内应用较多，如长江南岸链子崖危岩体治理和会同县中心街滑坡治理中都采用了此种锚索。

锚索结构一般由幅度锚头、锚索体和外锚头三部分共同组成。内锚头又称锚固段或锚根，是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基，按其结构形式分为机械式和胶结式两大类，胶结式又分为砂浆胶结和树脂胶结两类，砂浆式又分二次灌浆和一次灌浆式。外锚头又称外锚固段，是锚索借以提供张拉吨位和锁定的部位，其种类有锚塞式、螺纹式、钢筋混凝土圆柱体锚墩式、墩头锚式和钢构架式等；锚索体，是连结内外锚头的构件，也是张拉力的承受者，通过对锚索体的张拉来提供预应力，锚索体由高强度钢筋、钢绞线或螺纹钢筋构成。

预应力锚索是一种较复杂的锚固工程，需要专门知识与经验，施工监理人员，应具有更丰富理论和经验。

在承载能力方面、在大跨度断面的支护上和对冒顶区域的支护上相对常规支护来说,锚索支护技术都有很大的优越性。

由钢筋混凝土抗滑桩和预应力锚索或锚杆组成，把桩嵌入稳定岩层和在桩顶用锚杆或锚索锚入稳定层并进行张拉，使抗滑桩形成简支受力系统。 2100433B