CN106638718A - 全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法。本发明主要是，基于锚土界面优势剪切破坏特征，根据杆体与锚固体完全耦合时锚固体的总位移组成、锚土界面剪应力指数衰减特征及其滑移失效评定，确定锚固结构脱粘长度变化值，再进一步得到动态锚固力。本发明能够有效地对锚固力进行动态监测、锚固效果评价和锚固补强，减少灾害，且监测与计算过程明确，操作简便、环境适应性强、成本低，克服了锚固力固定及其复杂的动态监测技术和补强注浆量依靠经验的问题，体现了较好的理论意义和经济价值，从而能更好地指导实践。

Description

全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法

技术领域

本发明属于岩土锚固效果评价技术与锚固补强控制方法技术领域，具体涉及一种全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法。

背景技术

锚固技术的实现和发展是现代岩土工程的一个重要标志，作为岩土工程加固最有效措施之一，具有对结构的扰动小，可控制结构的变形，施工速度快，实用、安全、经济等特点，尤其预应力锚固技术能充分发挥锚固体系的自身强度和自承能力，能大大减轻结构自重，节省工程材料，降低成本等，已在建筑基坑、交通边坡、矿山边坡、桥梁锚固、硐室与地下工程等工程中被广泛应用，对推动大规模和超大规模的工程建设有着极其重要的意义。

目前，锚固工程研究的热点主要是围绕锚固段侧阻力的分布特征、极限抗拔承载力、荷载-位移关系和锚杆预应力损失等方面，取得了众多科研成果，并积累了丰富的经验。大量工程实例显示，锚固失效往往是在砂浆锚固体与岩土界面优先形成剪切滑移而破坏，特别是在土体施工开挖过程中土锚结构最为常见。土体锚固机理主要是通过杆体荷载传递来补偿开挖卸荷带荷载，使应力重分布后再达到新的平衡而稳定。在理论研究中，通常假定土锚结构介质材料是均质、连续、各向同性等，且在锚固服役期内材料的物理力学参数是不变化的，而很少考虑锚固脱粘、锚土界面相对位移和动态锚固力衰减等对锚固参数和锚固效果的影响而造成的锚固失效事故屡见不鲜，同时涉及锚固脱粘、锚土界面相对位移和动态锚固力监测检测方法的专利案例也尚不多见，并且在锚固工程设计和施工过程中仍然采用经验或半经验法，这样对锚固效果和注浆补强很难做出定量评价，加上工程上锚固力的测试大都采用锚杆应力计、声波探测、光纤位移传感技术，甚至进行的是破坏性实验，且大部分实验结果也是得到的瞬时值，锚固长度也是通过繁琐计算根据塑性区范围来确定，该类方法不仅技术难度高、成本高而且环境要求也较高，因此脱粘长度和锚固力的动态变化是一个技术难题，尚缺简便可行的解决办法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测与计算过程明确，操作简便、环境适应性强、成本低的全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，主要是：基于锚土界面优势剪切破坏特征，根据杆体与锚固体完全耦合时锚固体的总位移组成、锚土界面剪应力指数衰减特征及其滑移失效评定，确定锚固结构脱粘长度变化值，再进一步得到动态锚固力。

具体包括如下步骤：

(一)锚固结构顶端锚孔边缘锚固体与土体表面位置点位移监测网的布置，包括如下步骤：

(1)在边坡各锚固结构顶端锚孔边缘的锚固体表面及其靠近的土体表面两处布设位移监测点，在边坡以外稳定的区域布置含基桩的基准点，以基准点为原点，建立全局直角坐标系，并沿待测锚杆形成监测网；

(2)以锚固体顶端中心为原点，沿锚固体轴向及其垂直方向为坐标轴，建立局部直角坐标系；

(二)通过GPS获得步骤(一)中基准点和监测点的坐标，再通过换算得到锚固体与土体的轴向位移，确定锚土界面相对剪切位移；

(三)根据步骤(二)所测位移，理论推导得到脱粘长度；

(四)结合锚固体的总位移组成，进一步得到剩余锚固段长度的变化值；

(五)最后获得所测锚杆的动态锚固力。

进一步，上述第(二)步包括如下具体步骤：

通过GPS获得基准点和监测点的坐标，根据坐标换算分别得到锚固体和土体的轴向位移Δs_i(i＝1,2)：

Δs_i＝L'cos(θ+β₂)-Lcos(θ+β₁) (1)；

当锚固体轴向位移Δs_g和土体轴向位移Δs_s两者位移不协调时，便产生锚土界面相对剪切位移Δs：

Δs＝Δs_g-Δs_s (2)；

式中：θ为全局直角坐标系与局部直角坐标系的夹角，Δs为锚土界面相对剪切位移，Δs_g为锚固体轴向位移，Δs_s为靠近锚固体的土体轴向位移，L'为测点A'到基准点的初始距离，β₂为测点A和基准点连线与全局直角坐标系X轴的初始夹角，L为测点A到基准点的动态距离，β₁为测点A和基准点连线与全局直角坐标系X轴的动态夹角，A'为初始点，A为初始点A'的动态变化点。

进一步，上述第(三)步中理论推导得到脱粘长度，包括如下具体步骤：

(1)因为锚固性能往往是通过锚固体与土体的剪切强度发挥作用，当锚固体与土体产生相对剪切位移而脱粘，就会导致锚固失效；

(2)基于锚土界面优势剪切破坏特征，根据杆体与锚固体完全耦合时锚固体的总位移s_T主要由自由段位移s_f、锚固段位移s_a和锚土界面相对剪切位移s_s组成，为简化分析不考虑其它构造和位移形式，因考虑是全长粘结性锚杆，即自由段位移s_f＝0，得到：

s_T＝s_a+s_s (3)；

(3)大量实验显示，锚固段的剪应力呈非均匀分布，在锚固段前端剪应力最大，沿锚固段逐渐降低直至为零，该剪应力拟采用指数衰减分布形式，即可获得脱粘段范围相对剪切位移，锚固段剪应力计算式为：

τ(x)＝Aγ_sd_mexp[B(x/d_g)] (4)；

其中：

；

B＝-4A

d_m＝2.5(1-υ_s)L_a

式中：G_s,G_g分别为土体和砂浆的剪切模量，E_b为杆体的弹性模量，d_g为锚固体直径，d_b为杆体的直径，d_m为受锚土体沿径向的影响范围，L_a为锚固段长度，υ_s为土的泊松比，γ_s为土的容重；

因锚土界面相对剪切位移主要由剪应力引起，于是在脱粘段范围相对剪切位移定义为：

结合式(4)，将式(5)变形：

(4)通过位移监测数据，结合式(1)和式(2)，可以分别得到锚固体与土体的轴向位移，即Δs_g和Δs_s，进一步获得锚土界面相对剪切位移Δs；

(5)根据步骤(4)中锚土界面相对剪切位移Δs，代入式(6)后，积分计算得到脱粘段长度x＝L_s。

进一步，上述第(四)步中剩余锚固长度L_r等于锚固段长度L_a与脱粘段长度L_s的差值，为：

L_r＝L_a-L_s (7)。

进一步，上述第(五)步中，根据工程锚固要求，通过公式(7)计算得到动态锚固力：

N_d＝πd_gL_rτ₀ (8)；

式中：N_d为动态锚固力，τ₀为锚固体与土体的粘结强度；

最后，根据式(8)动态锚固力与锚固荷载的比较结果，能够对锚固效果进行追踪和有效评价以及必要的锚固补强。

本发明采用上述技术方案所产生的有益效果是：

(1)本发明根据锚固体的剪切位移组成和锚土界面剪应力的分布特征，确定脱粘长度，再进一步得到动态锚固力，可以有效地对锚固力进行动态监测、锚固效果评价和锚固补强，减少灾害，且监测与计算过程明确，操作简便、环境适应性强、成本低，能更好地指导实践。

(2)根据测定和计算可知，本发明的测定方法所得锚固段脱粘长度和动态锚固力具有较高的精确度，对于全长粘结性土层锚杆加固有较好的理论意义和经济价值。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的监测点位移计算图。

图3为本发明的锚固段承载结构示意图。

图4为本发明实施例的监测点平面布置示意图。

图5为本发明实施例的土锚边坡工程断面示意图。

图中，1为土体，2为杆体，3为锚固体，4为锚固体位移监测点，5为土体位移监测点，6为基准点，7为基桩。

具体实施方式

下面结合附图以某锚杆加固土质边坡工程实施例，进一步详细描述本发明的技术方案。锚杆加固边坡断面图如图5所示，该土锚工程为均质土质边坡加固，边坡高度为11m，边坡坡率为1:1.2，考虑抗拔安全所需锚固荷载为120kN。根据《土层锚杆设计与施工规范》：锚杆垂直间距不宜小于2.5m，锚杆水平方向间距不宜小于2.0m。因此将该边坡采用三层锚杆加固，锚杆长度为10m，安设倾角为20°，采用全长粘结式锚固方案，土锚结构的物理力学参数如下表1所示，位移监测数据如下表2所示。

表1土坡锚固材料物理力学参数

表2位移监测与换算数据

锚固体位移sT/mm	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	6.0	7.0	8.0	9.0
										土体位移/mm	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	6.0	6.9	7.8	8.7
相对剪切位移ss/mm	-	-	-	-	-	-	0.1	0.2	0.3
										脱粘长度Ls/m	-	-	-	-	-	-	0.09	0.12	0.16
锚固体位移/mm	10.0	11.0	12.0	13.0	14.0	15.0	16.0
										土体位移/mm	9.6	10.3	11.1	11.6	12.1	12.7	13.2
相对剪切位移ss/mm	0.4	0.7	0.9	1.4	1.9	2.3	2.8
										脱粘长度Ls/m	0.20	0.25	0.32	0.42	0.92	1.47	2.2

本发明提供的全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，具体实施过程如下：

步骤一：锚固结构顶端锚孔边缘锚固体与土体表面位置点位移监测网的布置：

在坡底以外稳定的区域布置基准点(含基桩)，再在锚固结构顶端表面的锚固体及其靠近的土体两处布设位移监测点，并沿待测锚杆形成监测网。

步骤二：通过GPS获得基准点和待测点的坐标，再通过换算得到锚固体与土体的轴向位移，确定锚土界面相对剪切位移：

以锚固体顶端中心为原点，沿锚固体轴向及其垂直方向为坐标轴，建立局部直角坐标系；再通过GPS测量系统获得基准点与位移布置点的坐标，经过换算分别得到锚固体与土体的轴向位移。

步骤三：根据所测位移，理论推导得到脱粘长度：

通过位移监测，结合锚固体及其靠近的受锚土体坐标的实时变化值：

(1)锚固体总位移s_T＝6.0mm以前，没有发生发生脱粘；

(2)当锚固体总位移s_T达到7.0mm时，发生了相对剪切位移s_s＝0.1mm，再依次可以得到其它锚固体总位移s_T所对应的相对剪切位移值，见表2所示；

(3)当锚固体总位移s_T达到16.0mm时，相对剪切位移s_s＝2.8mm，已出现了明显的滑移现象。

根据第(3)步中相对剪切位移值s_s＝2.8mm，结合公式(6)积分计算得到此时脱粘段长度L_s＝2.2m。

步骤四：进一步得到剩余锚固段长度的变化值：

剩余锚固长度L_r等于锚固段长度L_a与脱粘段长度L_s的差值，其计算公式为：

L_r＝L_a-L_s (7)；

具体数值见表2所示。

步骤五：最后获得所测锚杆的动态锚固力：

根据工程锚固要求，通过公式(8)计算得到动态锚固力：

N＝πd_gL_rτ₀ (8)；

(1)最初锚固力：

N＝3.14×0.11×10×42＝145kN；

(2)当脱粘段长度L_s＝1.47m时的锚固力：

N＝3.14×0.11×8.53×42＝123kN；

(3)当脱粘段长度L_s＝2.2m时的锚固力：

N＝3.14×0.11×7.8×42＝113kN；

因此，当锚杆的总位移s_T达到16.0mm时，脱粘段长度L_s＝2.2m，锚固力N＝113kN＜120kN，锚固已失效，尚需进行注浆补强，补注长度为2.2m。

从以上实施例中可以看到，本发明能够有效地对锚固力进行动态监测、锚固效果评价和锚固补强，减少灾害，且监测与计算过程明确，操作简便、环境适应性强、成本低，克服了锚固力固定及其复杂的动态监测技术和补强注浆量依靠经验的问题，体现了较好的理论意义和经济价值，从而能更好地指导实践。

Claims (6)

1.一种全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，其特征在于：基于锚土界面优势剪切破坏特征，根据杆体与锚固体完全耦合时锚固体的总位移组成、锚土界面剪应力指数衰减特征及其滑移失效评定，确定锚固结构脱粘长度变化值，再进一步得到动态锚固力。

2.根据权利要求1所述全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，其特征在于包括如下步骤：

(一)锚固结构顶端锚孔边缘锚固体与土体表面位置点位移监测网的布置，包括如下步骤：

(1)在边坡各锚固结构顶端锚孔边缘的锚固体表面及其靠近的土体表面两处布设位移监测点，在边坡以外稳定的区域布置含基桩的基准点，以基准点为原点，建立全局直角坐标系，并沿待测锚杆形成监测网；

(2)以锚固体顶端中心为原点，沿锚固体轴向及其垂直方向为坐标轴，建立局部直角坐标系；

(二)通过GPS获得步骤(一)中基准点和监测点的坐标，再通过换算得到锚固体与土体的轴向位移，确定锚土界面相对剪切位移；

(三)根据步骤(二)所测位移，理论推导得到脱粘长度；

(四)结合锚固体的总位移组成，进一步得到剩余锚固段长度的变化值；

(五)最后获得所测锚杆的动态锚固力。

3.根据权利要求2所述全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，其特征在于：

所述第(二)步包括如下具体步骤：

通过GPS获得基准点和监测点的坐标，根据坐标换算分别得到锚固体和土体的轴向位移Δs_i(i＝1,2)：

Δs_i＝L'cos(θ+β₂)-Lcos(θ+β₁) (1)；

当锚固体轴向位移Δs_g和土体轴向位移Δs_s两者位移不协调时，便产生锚土界面相对剪切位移Δs：

Δs＝Δs_g-Δs_s (2)；

式中：θ为全局直角坐标系与局部直角坐标系的夹角，Δs为锚土界面相对剪切位移，Δs_g为锚固体轴向位移，Δs_s为靠近锚固体的土体轴向位移，L'为测点A'到基准点的初始距离，β₂为测点A和基准点连线与全局直角坐标系X轴的初始夹角，L为测点A到基准点的动态距离，β₁为测点A和基准点连线与全局直角坐标系X轴的动态夹角，A'为初始点，A为初始点A'的动态变化点。

4.根据权利要求3所述全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，其特征在于：

所述第(三)步中理论推导得到脱粘长度，包括如下具体步骤：

(1)因为锚固性能往往是通过锚固体与土体的剪切强度发挥作用，当锚固体与土体产生相对剪切位移而脱粘，就会导致锚固失效；

(2)基于锚土界面优势剪切破坏特征，根据杆体与锚固体完全耦合时锚固体的总位移s_T主要由自由段位移s_f、锚固段位移s_a和锚土界面相对剪切位移s_s组成，为简化分析不考虑其它构造和位移形式，因考虑是全长粘结性锚杆，即自由段位移s_f＝0，得到：

s_T＝s_a+s_s (3)；

(3)大量实验显示，锚固段的剪应力呈非均匀分布，在锚固段前端剪应力最大，沿锚固段逐渐降低直至为零，该剪应力拟采用指数衰减分布形式，即可获得脱粘段范围相对剪切位移，锚固段剪应力计算式为：

τ(x)＝Aγ_sd_mexp[B(x/d_g)] (4)；

其中：

$\begin{array}{c}A=\sqrt{\frac{G_s{G}_g}{2E_b\[G_s\ln \left(d_g/d_b\right)+G_g\ln \left(d_m/d_g\right)\]}}\\ B=-4A\\ d_m=2.5\left(1-{\mathrm{\υ}}_s\right)L_a\end{array};$

式中：G_s,G_g分别为土体和砂浆的剪切模量，E_b为杆体的弹性模量，d_g为锚固体直径，d_b为杆体的直径，d_m为受锚土体沿径向的的影响范围，L_a为锚固段长度，υ_s为土的泊松比，γ_s为土的容重；

因锚土界面相对剪切位移主要由剪应力引起，于是在脱粘段范围相对剪切位移定义为：

$s_s\left(x\right)={\∫}_0^x\frac{d\mathrm{\τ}\left(x\right)}{G_s}\·d_g---\left(5\right);$

结合式(4)，将式(5)变形：

$s_s\left(x\right)={\∫}_0^x\frac{AB}{G_s}{\mathrm{\γ}}_s{d}_m\exp \[B(x/d_g)\]dx---\left(6\right);$

(4)通过位移监测数据，结合式(1)和式(2)，可以分别得到锚固体与土体的轴向位移，即Δs_g和Δs_s，进一步获得锚土界面相对剪切位移Δs；

(5)根据步骤(4)中锚土界面相对剪切位移Δs，代入式(6)后，积分计算得到脱粘段长度x＝L_s。

5.根据权利要求4所述全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，其特征在于：

所述第(四)步中剩余锚固长度L_r等于锚固段长度L_a与脱粘段长度L_s的差值，为：

L_r＝L_a-L_s (7)。

6.根据权利要求5所述全长粘结性土锚脱粘长度及动态锚固力测定方法，其特征在于：

所述第(五)步中，根据工程锚固要求，通过公式(7)计算得到动态锚固力：

N_d＝πd_gL_rτ₀ (8)；

式中：N_d为动态锚固力，τ₀为锚固体与土体的粘结强度；

最后，根据式(8)动态锚固力与锚固荷载的比较结果，能够对锚固效果进行追踪和有效评价以及必要的锚固补强。