预应力锚索内锚段粘结强度及长度的确定

预应力锚索内锚段粘结强度及长度的确定

摘 要：通过对国内30余例锚固工程试验资料的统计分析，在讨论影响岩体与锚固体间粘结强度因素的基础上，提出了确定预应力锚索内锚固段与岩体间粘结强度的经验公式．为便于设计人员确定内锚段长度，建立了内锚段长度设计系数图．实例计算表明，所提供的确定方法与岩锚试验结果较为吻合．

关键词：锚索；粘结强度；内锚固段；设计系数；锚固；岩体基本质量指标

预应力锚索作为岩土体加固的主要手段，在水利水电、交通、矿山等建设中得到了广泛的应用．在预应力锚索的设计中，内锚固段长度的确定是其十分重要的环节，设计人员通常从以下3个方面来考虑：①预应力钢绞线是否从水泥浆或水泥砂浆中抽出；②钢绞线是否断裂；③内锚固段是否沿孔壁滑移．前两个方面，由于试验较易，费时较少，通常可以从室内试验求得．但是，内锚段是否会从孔壁中抽出只能凭现场岩锚试验的结果来确定，故常需要花费大量的人力与财力．因此，长期以来，对岩体与锚体间的粘结强度合理取值，国内外许多学者进行了一些相关研究，如英国小约翰根据某些代表性岩石抗压强度试验结果，提出了岩石与灌浆体间粘结强度的设计值；Serrano和Olalla［1，2］等根据Hoek－Brown准则推导了群锚破坏条件下的岩锚极限粘结强度Cult的经验公式；我国长江科学院韩军［3］等提出了按岩石强度等级确定的锚固体与岩体粘结强度的建议值．上述诸多方法，为确定岩体与锚固体间的粘结强度提供了一种简便的方法，但未能考虑岩体中结构面的性质与发育程度、内锚段灌浆作用等因素对粘结强度的影响，与实际工程需要相比尚有一定差异．不同岩体中实施的大量岩锚试验，积累了丰富的试验资料，为建立经验公式提供了详实的统计依据，使建立粘结强度与岩体性质之间的经验关系成为后继工程减少岩锚试验的又一重要的途径．本文通过大量岩锚试验资料分析，结合室内模型试验，从分析影响粘结强度众多因素入手，提出了确定岩锚粘结强度的经验方法，并建立岩体质量与粘

结强度的相关关系，为工程设计人员提供一种简便的方法，期望对确定粘结强度的方法有所改进．

1 影响岩锚粘结强度的因素

现场岩锚试验及室内试验结果表明，影响粘结强度的因素主要有以下几个方面．

1．1 岩石干抗压强度与粘结强度的相关性分析

大量现场试验表明，坚硬、力学强度高的岩石如花岗岩具有较高的粘结强度；而软弱、力学强度较低的岩石，在相同的胶结材料时具有较低的粘结强度，通过对国内小浪底、漫湾、隔河岩等30余例岩锚工程的120束代表性锚索拉拔试验资料进行粘结强度与相应内锚段完整岩石干抗压强度的相关性分析（图1），得到两者间的相关关系式：

（1）

式中：为完整岩石与锚固体间的粘结强度，MPa；Rc为岩石单轴抗压强度，MPa．

图1 岩锚粘结强度与岩石单轴抗压强度关系曲线

1．2 结构面特征对粘结强度的影响

岩体与锚固体间的粘结强度尚与岩体中分布的结构面性质有关．为进一步探索结构面发育程度及性质对粘结强度的影响，笔者在实验室内选取了灰岩、砂岩、花岗岩及片麻岩等四类弱风化～微风化岩石（保证试验数据的可比性），根据不同结构面的几何性质分别模拟锚索的工作机理进行拉拔试验，将试验后的岩块作结构面的发育程度、结合程度的描述，结构面的发育程度以结构面间距衡量，结合程度则以结构面的张开度、填充物来表示．试验结果的统计表明，对于同类岩体，结构面间距、张开度对粘结强度的影响尤其显著，将所有的试验资料按结构面间距和张开度分别统计其对粘结强度的影响，得到相应的影响系数见表1和表2．

1．3 浆体强度特性

目前，工程上通常采用纯水泥浆与水泥砂浆作为岩锚的注浆材料．针对这两种材料，长江科学院结合三峡工程进行了大量的试验研究，结果表明，相同岩体条件下，不同注浆材料浆体与岩体间的粘结强度有所差异（表3）．水泥砂浆与岩体间的粘结强度比纯水泥浆与岩体的粘结强度略高．

1．4 施工质量

施工质量对岩体与锚固体的粘结强度也有一定的影响．对工程规模巨大，要求较高的大吨位预应力锚索，一般要求钻孔后用高压风进行吹渣，后用清水洗孔．当岩体较破碎时，压力注浆可以提高岩体的整体性及粘结强度．但迄今为止，还没有相关的锚索质量无损检测设备，对施工质量也未有较好的检测方法，故本文建议，通过取一折减系数R3来考虑施工质量对粘结强度的影响，R3可根据岩体质量、施工单位的信誉综合确定．

2 用综合因素法确定岩锚粘结强度

从以上分析可知，岩体与锚固体间的粘结强度不仅与完整岩石的抗压强度有关，同时岩体中结构面间距，张开度及填充物、浆体性质与施工质量对强度均有一定的影响．因此，综合以上4个方面的因素，确定粘结强度的经验公式可表示为

式中：C1为岩体与锚固体间粘结强度标准值，MPa；K1，K2为考虑结构面张开度、填充物对粘结强度影响的因子，取表1、表2中的数值；R3为施工质量修正系数．

3 用基本质量指标法确定岩锚粘结强度

3．1 基本质量指标确定的岩锚粘结强度

由于综合因素法较难获得R3，为工程应用的方便，拟寻求用岩体基本质量指标来确定岩锚粘结强度的方法．岩体基本质量指标是我国实施岩体质量分级的重要依据，该指标基本反映了岩体的强度与完整性，可以用来确定岩锚粘结强度的大小，质量好的岩体对应的岩体与锚固注浆材料间的粘结强度高．因此，本文通过对国内一些锚索工程的实例分析，得到由岩体基本质量指标BQ确定粘结强度的经验公式（式（3）），相关曲线如图2所示．

式中：

为采用岩体基本质量指标确定的岩体与锚固体间粘结强度，MPa；BQ为岩

体基本质量指标，其值由BQ＝90 Rc＋250 KV确定，Rc为岩石单轴抗压强度值，KV为完整性系数，可参照文献［4］确定．

3．2 锚根效应对粘结强度的修正

现场及室内套钻观察表明，高压注浆状态下（注浆压力大于0．5 MPa），锚固段岩体裂隙特征对锚固粘结力有一定的影响［5］，对于无充填的张性结构面，在高压注浆条件下，浆液沿裂隙充填，形成锚根，该部分水泥砂浆提高了岩体与锚固体间的粘结力，而在采用岩体基本质量指标确定的岩体与锚固体间粘结强度的公式中，未考虑这一影响，故需作进一步修正，其修正公式式（5）可通过式（4）得到．

式中：P为仅考虑锚根效应的粘结力，N；n为张开度大于1 mm且无充填的张性裂隙数量，可由钻孔裂隙统计得到；ti为单条张裂隙的宽度，mm；τ为水泥砂浆或纯水泥浆的抗剪强度，Pa；d为锚索孔的直径，mm．由式（4）可得考虑锚根效应的粘结强度为

式中：C2为考虑锚根效应修正的粘结强度设计值，MPa；C＊2为由岩体基本质量指标确定的岩体与锚固体间粘结强度，MPa；L为内锚固段长度，m；其它符号同上．在实际工程设计中，一般很难取得每一束锚索的锚根段岩体的结构面分布，故可将锚根效应作为安全储备项而不计入设计参数中．

4 内锚段长度设计

预应力锚索的设计包括锚固荷载大小、锚孔直径及内锚固段长度等，锚固荷载的大小根据被加固岩体所需锚固力及外锚墩下岩体的承载力确定，锚孔直径由锚索吨位及钢绞线数量确定，而内锚固段长度主要依赖于设计安全系数、锚孔直径、锚固荷载大小及粘结强度的大小．因此，假设一长度设计系数K0，内锚固段长度L就可以由式（6）确定．本文建立了基于岩体基本质量指标BQ的内锚固段长度设计系数K0图（图3），设计人员仅需根据锚孔的直径、内锚段岩体质量指标BQ就可从图中查得K0值，再由式（6）确定内锚固段长度L：

式中：K0为内锚固段长度设计系数，mm／kN，可由图3查得；K为锚索设计所采用的安全储备，根据工程等级、荷载大小及锚根效应确定，一般取值为2．5～3．0；P为设计单束锚索承载力，kN．

5 工程实例

三峡永久船闸高边坡，设计采用了2 450余束锚索加固其中存在的定位与不定位的不稳定块体，通过大量的现场岩锚试验，得到锚固体与岩体的粘结强度标准值为1．85～2．12 MPa．根据长江水利委员会三峡勘察分院历年勘察资料及有关文献［6，7］分析，得到的三峡永久船闸区岩体的单轴抗压强度Rc，RMR及岩体基本质量BQ，见表4．现按本文提出的两种方法对其进行粘结强度的计算并校核3000 kN级预应力锚索的内锚段长度，按综合因素法求得C1＝2．16 MPa，考虑锚根效应按岩体基本质量指标BQ计算的粘结强度为C2＝1．89 MPa，后者基本符合实际试验结果，对于3000 kN预应力锚索，安全储备为2．5，若设计孔径为165 mm，内锚段岩体质量指标为600，从图3中查得K0为0．001 1，则计算得到的内锚段长度为8．25 m，实际施工采用的内锚段长度为8．0 m，计算结果与现场试验结果基本吻合．由于综合因素法较难考虑施工因素的影响，计算值比实际值略大，因此，在实际应用中，可按两者分别计算，最后视工程重要程度与安全系数的大小，或取两者之平均值，或取两者之小值以满足工程设计需要．锚索运行情况良好．

6 结 论

在室内外岩锚试验的基础上，对影响岩体与锚固体粘结强度的因素进行了分析，提出了确定粘结强度的两种经验公式：综合因素法和按岩体基本质量指标BQ确定粘结强度C2的方法．根据多个工程实例分析与比较，建立了岩锚内锚固段长度设计系数的图谱，为确定预应力锚索内锚固段长度提供了一套简便实用的方法，同时也弥补了小约翰提出的粘结强度经验值的局限性，具有广泛的应用性，可供岩锚设计人员使用．