岩土锚固安全评价指标体系研究.pdf

第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023潘荣建,胡居义,韦勇克,等.岩土锚固安全评价指标体系研究J.公路交通技术,2023,39(3):27-34.PAN Rongjian,HU Juyi,WEI Yongke,et al.Research on safety assessment index system of ground anchorageJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):27-34.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.005基金项目:国家自然科学基金项目(51478065,51779021);广西重点研发计划项目(桂科 AB20238036)收稿日期:2022-10-05作者简介:潘荣建(1970),男,广西壮族自治区全州市人,本科,高工,主要从事公路建设管理工作。E-mail:3500451717 。岩土锚固安全评价指标体系研究潘荣建1,胡居义2,韦勇克1,许 明3(1.广西新发展交通集团有限公司,南宁 530025;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067;3.重庆大学 土木工程学院,重庆 400074)摘 要:加强锚杆(索)施工质量控制和工程可靠性检测是岩土支护结构时效性分析的一项重要内容。首先,通过理论研究、模型试验和现场测试等方法,将单锚失效模式归纳为粘结失效、筋材断裂失效、预应力松弛失效和锚具失效,并提出了岩土锚固安全评价指标体系。其次,针对各指标参数的特点,在动力学理论和结构探伤理论基础上,利用现代信号处理技术、神经网络和优化算法等数学手段,建立了锚杆(索)质量检测的力学和数学模型,并研究了不同损伤锚杆在声波和应力波激励下的动力响应规律,确定了单锚安全等级划分方法及其对应的失效阈值。最后,通过确定单锚的锚固力取值,重新计算正常工况下的锚固边坡稳定安全系数,并将其与容许安全系数进行比较,对运营期内的锚固边坡稳定性进行评价,对锚失效后不稳定的边坡提出了原锚补强和增设新锚等处治方法。锚固安全评价与处治技术具有在线、动态、实时的特点,可弥补传统的锚杆(索)拉拔试验的不足,对提高锚杆(索)加固技术和岩土工程的稳定性和可靠性具有促进作用。关键词:锚杆(索);安全评价;指标体系;动力响应;承载力;损伤探测文章编号:1009-6477(2023)03-0027-08 中图分类号:U416.1+4 文献标识码:AResearch on Safety Assessment Index System of Ground AnchoragePAN Rongjian1,HU Juyi2,WEI Yongke1,XU Ming3(1.Guangxi Xinfa Development Transportation Group Co.,Ltd.,Nanning 530025;2.China Merchants Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400067;3.College of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400074)Abstract:Strengthening the quality control of anchor(cable)construction and engineering reliability testing is an important element in the analysis of the timeliness of geotechnical support structures.Firstly,this paper summarizes the single anchor failure mode into bond failure,tendon fracture failure,pre-stress relaxation failure and anchorage failure through theoretical research,model test and field test,and proposes a geotechnical anchorage safety evaluation index system.Secondly,for the characteristics of each index parameter,this paper establishes the mechanical and mathematical models for anchor(cable)quality inspection based on kinetic theory and structural flaw detection theory,using modern signal processing technology,neural network and optimization algorithm and other mathematical means,and studies the dynamic response law of different damaged anchors under acoustic and stress wave excitation,and establishes the single anchor safety class classification method and its corresponding failure threshold value.Finally,the stability safety factor of the anchored slope was recalculated by determining the value of anchoring force of single anchor,and which was compared with allowable safety factor.The stability of the anchored slope in operation was evaluated,and the treatment methods such as reinforcement of the original anchor and addition of new anchor are proposed for the unstable slope after anchor failure.The anchor safety evaluation and treatment technology is online,dynamic and real-time,which can make up for the deficiencies of the traditional anchor(cable)pull-out test,and has contributed to the improvement of anchor(cable)reinforcement technology and the stability and reliability of geotechnical engineering.Keywords:anchor cable;safety assessment;index system;dynamic response;bearing capacity;integrality detection 岩土锚固是通过埋设在地层中的锚杆,将结构物与地层紧紧锁联在一起,依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力或使地层自身得到加固,以保持结构物和岩土体的稳定。目前,我国已成为世界上岩土锚固工程量应用最大的国家。随着高强度钢绞线的生产、深大钻孔技术以及永久型锚固工程防腐等级要求的不断提高与发展,单根锚杆(索)的承载力不断提高,工程规模也不断扩大,应用领域日益拓宽,锚杆(索)工法的先进性、可靠性、经济性不断提升1-2。但锚杆及锚固体内嵌于复杂的地质环境中,受到岩体结构、地应力、地下水、施工等各因素的耦合作用3-4,存在损伤积累的问题,从而影响锚固结构的稳定。如在地震动力作用下,由于累积效应和触发效应,系统锚杆和加强锚索的变形与岩土体的变形相互不协调,一旦失效将直接危及整个锚固结构的安全5。为了提高锚固体系的耐久性,国内外学者做了大量的 研 究 工 作,从 材料6-7、结构8-102 方面进行了持续的改进,并获得了众多的研究成果。但工程界对于在役及运营过程中的锚杆(索)质量检测,仍停留在预埋监测仪器及静载拉拔试验的传统水平11-12。这种方法虽然直观,但费时费力且为破坏性试验,检测面小。因此,迫切需要一种既简便经济又迅速可靠的锚杆质量检测方法和评价体系,以确认锚杆的长期工作性能,确保锚固工程的可靠性和经济性。近年来,应力波探测法已被广泛用于锚固工程。该法的基本原理是在锚头处施加瞬时冲击力或谐振力,使得应力波向锚杆底部传播。当波阻抗发生变化时,就会产生反射、透射或散射现象。通过记录锚杆顶部的力传感器与振动传感器的力和速度时程曲线,并反演波动方程求解沿锚杆轴向分布的阻力,可对锚杆的锚固质量进行评价。SUN 等13采用应力反射波法测定锚杆长度,并利用应力波的传播特性来判断注浆饱和度情况,据此评定锚杆工作状态。YU 等14利用反射波的相位特征及能量衰减规律来快速普查检测锚杆锚固质量。但目前,上述锚固系统质量评价方法存在主观性和经验性问题,只能给出定性或半定量的评价结果,而更精确的定量判断还需进一步的试验研究。为此,本文建立锚杆(索)质量检测模型,提出显著性指标和安全评价指标体系,以实时评估锚固边坡稳定性,对提高锚杆(索)加固技术和岩土工程的稳定性和可靠性具有促进作用。1 单锚安全评价指标及临界技术标准1.1 单锚失效模式分类及影响因素根据四川、重庆、贵州等 86 个岩土锚固工程的调研,将单锚失效模式分为 4 大类:粘结失效、筋材断裂失效、预应力松弛失效、锚具失效。粘结失效是最常见的岩土锚固单锚失效模式15,它包括注浆体与岩土体界面粘结失效、注浆体与锚筋材界面粘结失效、注浆体内部粘结失效、岩土体内部粘结失效。其影响因素为:注浆体材料性能(砂率、水灰比)、锚固体内锚固段长度、岩土体性能、环境变化、工程地质条件、荷载。其中,注浆体材料性能和锚固体内锚固段长度是关键影响因素,起决定性作用16,若注浆体性能差(如饱满度不够)、锚固体内锚固段长度小于一定临界值时,易发生锚粘结失效。筋材断裂失效包括锚固体自由段筋材断裂失效、外锚头锁定处(与锚具接触处)筋材断裂失效。预应力松弛失效、锚具失效。其影响因素为:筋材承担荷载(筋材预应力值)、筋材腐蚀、锚固体内锚固段长度大于一定的临界值、锚轴线垂直度、岩土体类型。其中,筋材承担荷载、筋材腐蚀、锚固体内锚固段长度偏长是筋材断裂失效的主要影响因素。预应力松弛失效受多种因素影响,包括筋材松弛、岩土体蠕变、张拉系统摩阻、锚头夹具回缩、注浆体的收缩及徐变、锚孔孔斜率等。此外,张拉工艺、锚固时机的选择、施工爆破、环境变化等引起的预应力损失,可在气候恢复或施工控制过程中得到消除,因此不予考虑。82公 路 交 通 技 术 第 39 卷锚具失效的影响因素包括腐蚀、荷载高于设计荷载、锚具质量差。其中,腐蚀是主要影响因素。1.2 评价指标针对单锚失效模式及影响因素,岩土锚固单锚安全评价一级指标采用锚极限承载力,二级指标采用锚杆长度、灌浆饱满度、预应力、腐蚀这 4 项指标。目前,在锚固工程安全评价中,锚杆承载力是首选指标,很多规范采用拉拔试验作为验收试验。但实际上,拉拔试验的作用非常有限,无法反映锚杆(索)的实际锚固质量和锚固状态。即使砂浆长度大于螺纹钢筋的 40d(d 为直径)或高强螺纹钢筋的 42d 或光面圆钢的 30d,锚杆仍可能拔不出,且钢筋颈缩和锚杆断裂也不一定能拔出。因此,在锚杆安全评价指标体系中,仅将锚杆极限承载力作为一项参考指标,建议采用二级指标对岩土锚固单锚进行评价。1.2.1 锚杆长度锚杆长度指标与粘结失效和筋材断裂失效 2 种失效模式有关,它包括锚杆总长度、内锚固段长度、自由段长度、外露段长度。锚杆长度指标临界值指最短长度临界值。1)内锚固段长度假设内锚固段摩阻力与锚筋注浆体粘结界面位移满足理想弹塑性模型,根据锚固体单元体静力平衡条件,即内锚固段轴力变化应与摩阻力平衡,内锚固段长度临界值可按公式(1)计算确定。lc=2EA(1)式中:lc为内锚固段长度临界值;E 为注浆体或筋材弹性模量;A 为注浆体或筋材截面积;为注浆体或筋材侧摩阻刚度系数。2)锚杆总长度锚杆总长度指标临界值按公式(2)计算确定。l=lc-lclt=lt-l(2)式中:lc为内锚固段设计长度;l 为内锚固段设计长度与临界值之差;lt为锚杆总设计长度;lt为锚杆总长度临界值。3)自由段长度自由段长度指标临界值取 5.0 m。4)外露段长度外露段长度指标临界值在施工封锚前取 1.0 m、在施工封锚后取 0.1 m。1.2.2 灌浆饱满度灌浆饱满度指标主要与粘结失效模式相关,同时影响预应力松弛失效模式。通过室内模型试验、原位拉拔试验及无损检测试验可知,当注浆饱满度小于 70%时,试件锚杆的极限抗拔力小于设计锚固力,因此,将灌浆饱满度指标临界值定义为最小灌浆饱满度,取值 70%。1.2.3 预应力预应力指标主要与预应力松弛失效模式相关17-18,同时影响粘结失效模式、筋材断裂失效模式和锚具失效模式。预应力指标包括损失率和超载率。损失率指锚杆设计荷载减去锚杆实际承担荷载后再除以锚杆设计荷载所得比率,损失率指标临界值指最大预应力损失率;超载率指锚杆实际承担荷载减去锚杆设计荷载后再除以锚杆设计荷载所得比率,超载率指标临界值指最大预应力超载率。通过对钢绞线松弛、岩体蠕变、张拉系统摩阻、锚头夹具回缩等预应力损失影响因素的监测和锚固边坡安全系数及可靠度的计算,预应力损失率临界值取值 30%,超载率临界值取值 100%。1.2.4 腐蚀腐蚀指标与筋材断裂失效和锚具失效 2 种失效模式相关19-20。钢筋与注浆体粘结强度及钢筋腐蚀率的关系曲线如图 1 所示,A 点为未锈试件。由图 1 可以看出,随着钢筋腐蚀率的增加,光圆钢筋与注浆体的粘结强度逐渐提高,当腐蚀率为1.11%时,粘结强度达未锈试件的 1.36 倍,但随着腐蚀率的继续增加,粘结强度逐渐降低;当腐蚀率达到 4%时,钢筋与注浆体的粘结强度相当于未腐蚀时的粘结强度,表明钢筋已中度腐蚀,且影响到了钢筋的安全及其使用寿命。因此,腐蚀指标临界值即最大腐蚀率,取值 4%。图 1 钢筋腐蚀对光圆钢筋与注浆体粘结的影响Fig.1 Influence of steel corrosion on bonding betweenplain steel bar and grouting body92 第 3 期 潘荣建,等:岩土锚固安全评价指标体系研究2 单锚安全检测与评价方法2.1 锚杆极限承载力锚杆极限承载力检测采用现场拉拔试验,检测结果按表 1 进行评价。表 1 锚杆极限承载力评价Table 1 Evaluation of ultimate bearing capacity of bolt检测标准评价结果测试值设计值安全0.5 倍设计值测试值设计值欠安全测试值0.5 倍设计值不安全2.2 锚杆长度在建工程中,对于锚杆长度指标的检测,应考虑测试锚杆总长度、自由段长度和外露段长度。对于锚杆总长度的测试,应采用应力波法;对于自由段长度的测试,应采用现场验收试验方法;对于外露段长度的测试,应采用现场直接量测方法。在已建工程中,锚杆长度指标的检测应考虑测试锚杆总长度、内锚固段长度和外露段长度。对于锚杆总长度和内锚固段长度的测试,应采用应力波法;对于外露段长度的测试,应采用现场直接量测方法。采用应力波法测锚杆长度时,通过波形、频率、相位等参数综合判断。锚杆长度可通过时域法或频域法进行反演。时域反演法可通过应力波波速乘以杆底反射信号的声时来进行,反演公式为:L=Tc02(3)式中:T 为杆底反射信号的双程走时,可从振动响应曲线上读取;c0为应力波沿锚杆轴向传播的速度。将锚杆简化为分布参数系统,在锚头激励荷载作用下,若杆是非均匀的,杆材料的弹性模量 E=E(x)和密度=(x)是逐段连续的函数,波动方程可写为:xE(x)ux()=(x)2ut2(4)式中:u 为锚杆质点位移;x 为轴向坐标。采用分离变量法求解波动方程,根据振动响应的多频特征,可得频率域反演法计算的锚杆长度为:L=c02f(5)Lc04f1(6)式中:f 为幅频曲线上杆底相邻谐振峰间的频差;f1为基本自振频率。锚杆长度检测结果按表 2 进行评价。表 2 锚杆长度评价Table 2 Anchor length evaluation检测标准评价结果测试值2 m优良2.3 灌浆饱满度检测锚杆灌浆饱满度应采用无损检测方法,如声脉冲反射波法、瞬态和稳态动测法等。根据结构动力学理论,当锚杆存在施工缺陷、断裂失效或粘结失效时,会使系统的质量、弹性特性、能量耗散机理发生改变。在外部激励作用下,锚杆动测响应会显示出与正常结构不同的动态特征。因此,通过提取并分析各种结构参数,如波阻抗、动弹性模量、声谱特征值(频谱曲线的峰值频率、峰值高度、功率谱面积等)的变化规律,可在一定程度上反映锚杆的灌浆饱满度。2.3.1 波阻抗波阻抗是介质的密度与纵波速度的乘积。当灌浆体不连续、介质中波阻抗不同时,在界面处应力波将发生反射与透射,反射与透射的情况与介质的波阻抗密切相关,灌浆饱满度的检测就转化为波动方程中波阻抗的反演。方程式(4)中有弹性模量和密度 2 个系数,为减少一个未知函数,引入旅行变换,则有y(y)u(y,t)y()=(y)2u(y,t)t2y=x0(x)E(x)dx(7)式中:y 为旅行时间,即波从杆端传到 x 处的所需时间。将式(7)代入式(4),有y(y)u(y,t)y()=(y)2u(y,t)t2(8)由于一维长杆中的应力波速度近似等于E/,可将波阻抗函数表示成 y()=E。式(8)为二阶偏微分方程,可采用特征线法进行求解。令03公 路 交 通 技 术 第 39 卷S=p+vR=p-v式中:p=-uy是作用在杆截面上的力;v=ut是质点速度;S 和 R 分别代表入射波和反射波。将 S 和 R 代入式(8)可转化为等价的一阶偏微分方程组的线性组合:Sy+St=12ddy(S-R)(9)方程组有 2 簇正交的特征线,即为入射波和反射波的传播线。在这个定解问题中,波阻抗(y)是模型参数,边界条件是锚杆头部处应力和振动传感器记录的时程曲线。沿 y 轴和 t 轴进行等间距差分,可形成一个递推公式:i=i-1+2i-1Ri-1,i+1Si-1,i+1-Ri-1,i+1Sij=Si-1,j-1+Si-1,j-1-Ri-1,j-1Si-1,i+1-Ri-1,i+1Ri-1,i+1Rij=Ri-1,j+1+Ri-1,j+1-Si-1,j+1Si-1,i+1-Ri-1,i+1Ri-1,i+1(10)式中:j=i,i+1,n,根据杆端部已知的 0、S0j、R0j,可计算出每段杆的波阻抗值 j。2.3.2 动弹性模量动弹性模量 Ed一般采用式(11)求得:Ed=c20(11)式中:c0为锚杆应力波波速;为锚杆密度。当阻尼比较小时,可取动弹性模量的近似值为:Ed16L2f21(12)根据统计规律,可建立动弹模 Ed和静弹模 Es的经验公式,进而可评定锚杆的灌浆质量。灌浆饱满度检测结果按表 3 进行评价。表 3 灌浆饱满度评价Table 3 Grouting fullness evaluation检测标准评价结果70%不合格70%80%合格80%90%良90%优2.4 预应力在建工程预应力检测可采用无损检测法、现场反拉法和预埋锚测力计。已建工程预应力检测可采用无损检测法和现场反拉法。采用应力波无损检测方法测预应力时,通过波速参数判断预应力;采用现场反拉法测试有效预应力,即对已张拉的预应力筋再次进行张拉,取荷载-变形曲线中拐点处荷载为实测预应力 N0,如图 2 所示。图 2 中,T110为超张拉力。检测结果按表 4 进行评价。图 2 锚索预应力判别原理示意Fig.2 Determination diagram of anchor cable prestress表 4 预应力评价Table 4 Prestress evaluation检测标准评价结果预应力损失率/%10优1020良2030合格30不合格预应力超载率/%20优2050良50100合格100不合格2.5 腐蚀针对腐蚀指标,考虑地层腐蚀性、防腐措施、工况和锚固结构在役时间等因素,采用物元分析理论引入层次分析法,评价锚固段、自由段和锚头的腐蚀程度。腐蚀程度分为严重腐蚀(对应筋材腐蚀率4%)、中等腐蚀及轻微腐蚀(对应 2%筋材腐蚀率4%)和基本无腐蚀(对应筋材腐蚀率50 年优锚安全性等级应划分为不安全;当锚杆长度安全评价结果为合格或优良时,再综合考虑灌浆饱满度、预应力、腐蚀 3 个指标的安全评价结果,可采用神经网络法自动获取 4 个指标相应权重,经计算后确定单锚安全性评价结果。3 边坡岩土锚固安全评价方法3.1 边坡岩土锚固安全影响因素边坡岩土锚固安全影响因素存在于边坡勘察、设计、施工、养护等各个环节,如表 6 所示。边坡岩土锚固安全主要影响因素为:材料性能(关键是锚筋材和锚具锈蚀)、锚孔灌浆质量(主要指标灌浆饱满度)、锚结构形式(坡面锚结构形式、主动锚锚固段结构形式)、边坡岩土体(岩土体类型、结构特征)。边坡破坏模式、锚杆失效位置、锚固设计等会影响锚固边坡的失稳。对圆弧形或近似圆弧形破坏的边坡(均质或似均质岩土体边坡),其不同部位的锚杆失效对锚固边坡稳定性的影响基本相同。对具有明显滑面的滑动破坏边坡(滑坡),推移式滑坡的边坡中上部锚杆失效较边坡下部锚杆失效对锚固边坡稳定性的影响大,牵引式滑坡的边坡中下部锚失效较边坡上部锚杆失效对锚固边坡稳定性的影响大。对崩塌及倾倒破坏的边坡,边坡中上部锚杆失效较边坡下部锚杆失效对锚固边坡稳定性的影响大。表 6 边坡岩土锚固安全影响因素Table 6 Safety influencing factors in anchoring rock slope工程阶段影响因素典型特征勘察灾害性质判断失误滑坡与边坡的区别灾害范围、滑体厚度定量不准确滑面与破裂面岩土体力学指标c、值的确定设计下滑力计算滑体厚度、几何参数结构型式选择及结构计算失误点锚锚固设计锚索类型、锚固地层施工材料锚具、防腐材料机具成孔、灌浆、张拉设备施工工艺施工次序、填料及施工方法施工管理工程质量低劣、偷工减料行为运营维护、维修不当检测、外锚具的防护临近土地开发引起环境条件恶化乱填、乱挖不可抗拒力战争、超过设防烈度的地震 锚固边坡中,单锚的失效会引起其附近锚杆的应力重分布,而这种应力重分布的特点和规律与锚固边坡的坡面结构密切相关。因此,在工程实践中,若发生单锚失效,应对其附近的 4 根锚杆的安全性进行检测和评价。3.2 边坡岩土锚固安全评价方法边坡岩土锚固安全评价应根据单锚安全评价结果确定单锚锚固力取值,再按锚固边坡稳定性计算方法重新求取正常工况下锚固边坡稳定安全系数,与正常工况下锚固边坡容许安全系数 Fs=1.20 1.30 对比后,按表 7 进行安全评价。根据表 7 单锚的安全评价结果,单锚锚固力的取值方法如下:对于安全单锚,取 1.0 倍单锚锚固力;对于欠安全单锚,圆弧形或近似圆弧形破坏边坡,取 0.5 倍单锚锚固力;对于推移式滑坡,崩塌及倾倒破坏边坡的下部锚杆取 0.5 倍单锚锚固力,中上部锚杆取 0.0 倍单锚锚固力;对于牵引式滑坡,边坡中下部锚杆取 0.0 倍单锚锚固力,上部锚杆取23公 路 交 通 技 术 第 39 卷表 7 边坡岩土锚固安全评价Table 7 Safety evaluation of anchoring rock slope计算稳定安全系数评价结果Fs安全(90%100%)Fs基本安全(83%90%)Fs欠安全30%;腐蚀指标采用层次分析法,筋材腐蚀率大于 4%;根据单锚安全性评价结果,安全单锚取 1.0 倍单锚锚固力,欠安全单锚取 0.5 倍单锚锚固力,不安全单锚取 0.0倍单锚锚固力。3)单锚失效后可采用原锚杆补强或增设新锚杆的方法进行处治。根据锚固边坡根据安全评价结果,可进行加强监测、排水或进行处治,包括原失效单锚加强、增设新锚杆或使用其他支护方法替换锚固支护。在处治失效锚杆或锚固边坡时,需考虑多种方法,以确保安全和经济性兼顾。参 考 文 献References1 程良奎,韩军,张培文.岩土锚固工程的长期性能与安全评价J.岩石力学与工程学报,2008,27(5):865-872.CHENG Liangkui,HAN Jun,ZHANG Peiwen.Long-term performance and safety assessment of anchorage in geotechnical engineering J.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(5):865-872.2 DIVALL S,XU M,NEIL T R.Centrifuge modelling of tunnelling with forepoling J.International Journal of Physical Modelling in Geotechnics,2016,16(2):83-95.3 TANG C,MA G C,CHANG M,et al.Landslides triggered by the 20 april 2013 Lushan Earthquake,Sichuan Province,China J.Engineering Geology,2015,187:45-55.4 YIN Z,ZHAO W,QIN X.Distribution characteristics of geohazards induced 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