CN113670723B - 一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，其步骤包括：利用提出的可控制荷载循环、温度循环和干湿循环等环境条件的锚‑土界面性能室内加速退化试验装置开展室内加速退化试验，结合现场暴露环境下锚固工程参照物自然退化试验，建立现场暴露环境与室内人工加速环境下锚‑土界面各力学性能参数退化时间相似关系；对不同服役时间下服役锚杆现场拉拔试验结果进行反演分析，获得服役环境条件下锚‑土界面力学性能参数，用以修正锚‑土界面各力学性能参数退化时间相似关系，进一步建立服役岩土锚固结构锚‑土界面力学性能自然退化模型。本发明为服役岩土锚固结构长期性能评估和承载力预测提供了一种新的思路。

Description

一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法

技术领域

本发明涉及边坡、基坑、隧道、矿山、交通等工程中经常使用锚固支护技术，尤其涉及一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法。

背景技术

因成本低廉、施工简便、技术成熟等优点，锚杆(索)等锚固支护技术被广泛地应用到基坑支护、隧道支护、地下结构抗浮、边坡锚固等岩土工程领域。岩土体-锚固体界面力学性能决定了服役岩土锚固结构的工程性能。然而，岩土锚固结构的现场环境条件大多十分恶劣，它在服役期间会受到各种自然环境因素(比如，湿度、温度、降水与蒸发等)和荷载因素的循环作用，这将引起锚-土界面力学性能逐渐退化，进而导致服役岩土锚固结构工程性能的退化。因此，现场环境条件下锚-土界面力学性能退化规律及模型，是服役岩土锚固结构长期安全性评价及承载力预测的关键。

对于永久性锚固工程，因其服役年限长(20～50年)、安全性要求高等特点，直接通过长周期的现场试验来获知锚杆的承载性能或锚-土界面力学性能在现场环境因素(荷载、温度、湿度等)循环作用下的退化规律，不仅费时费力，甚至不可能。

一些科研院所和高校研发了室内中心拉拔试验和界面直剪试验装置及方法，这些试验虽然能够用以测试锚-土界面的力学性能，也能确保在测试过程中试样的力学状态与锚杆的现场实际情况相近，但无法实现试样在荷载循环、温度循环和干湿循环等复杂服役环境条件持续作用下的退化模拟。因此，无法利用现有的试验技术得到锚-土界面力学性能的退化规律。

为提高试验效率，室内试验所构造的人工环境条件通常会比现场实际环境条件更加恶劣，以确保试样的力学性能能够在较短时间内退化至现场实际环境作用几十年的状态。这样，对于锚-土界面，其力学性能在室内人工加速环境和现场环境下的退化规律必将存在差异。然而，目前国内外也没有出现一种针对于岩土锚固结构锚-土界面，利用室内人工环境下的试验结果来推求现场服役环境条件下锚-土界面力学性能退化规律的方法。

中国专利CN 111797456A-一种锈后钢筋力学性能退化规律的预测方法，公开了一种结合微观显微组织分析、分形理论和随机理论等预测锈蚀钢筋力学性能退化规律的方法，可用来预测桥梁构件中锈蚀钢筋力学性能退化规律。但由于服役岩土锚固结构所在环境条件更加复杂，锚-土界面力学性能退化规律必须要结合室内试验技术来获取，而无法直接利用该发明提出的理论建模方法来建立；此外，桥梁构件中锈蚀钢筋的力学参数可直接以现场检测并配合常规试验获取，而服役岩土锚固结构锚-土界面力学性能参数是无法直接通过现场检测或现场试验得到，因此，该发明提出的模型参数修正方法也无法适用服役岩土锚固结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，针对服役岩土锚固结构，提出一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，包括下述步骤：

S1：制作若干组锚固单元体试样；

S2：选取第一组锚固单元体试样，按设定的荷载循环、温度循环和干湿循环的幅值和周期，对试样开展不同时间t_a的室内人工加速退化试验；

S3：第一组锚固单元体试样在室内人工加速退化环境下退化至设定试验时间t_a后，对第一组锚固单元体试样开展拉拔测试，以此获取室内加速退化试验时间t_a下的岩/土坯-锚固体界面剪应力τ-剪切位移s 曲线，进一步分析室内人工加速退化环境下不同试验时间t_a的锚-土界面各个力学性能参数，基于最小二乘法等回归分析方法，分别对锚-土界面各个力学性能参数与室内加速退化试验时间t_a关系曲线进行拟合，得到回归模型参数，建立室内人工加速退化环境下锚-土界面各个力学性能参数的加速退化模型；

S4：搭建现场暴露试验场地，选取第二组锚固单元体试样分层埋置到现场暴露试验场中，沿着深度方向依次布置土压力盒、第二含水率传感器和温度传感器，构建锚固工程参照物；

S5：每隔一单元预设时间段Δt_b，从现场暴露试验场地中挖出若干个第二组锚固单元体试样，对第二组锚固单元体试样开展拉拔测试，分析现场暴露环境中不同试验时间t_b的锚-土界面各个力学性能参数，选用与S3相同的回归模型和回归分析方法，分别对锚-土界面各个力学性能参数与现场暴露试验时间t_b关系曲线进行拟合，得到回归模型参数，建立现场暴露环境下锚-土界面各个力学性能参数的自然退化模型；

S6：结合室内人工加速退化环境下的锚-土界面各个力学性能参数加速退化模型和现场暴露环境下锚-土界面各个力学性能参数自然退化模型，计算出锚-土界面各个力学性能参数在现场暴露环境和室内人工加速环境下的第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…,λ^a _n)^T，其中λ^a _i为第i个锚-土界面力学性能参数对应的第一退化时间相似关系；

S7：选取已服役了不同年限t_n的既有岩土锚固结构，获取不同服役年限t_n下的锚杆拉拔荷载P- 位移s曲线；

S8：对不同服役年限t_n下的锚杆拉拔荷载P-位移s曲线进行反演分析，得到现场服役条件下锚- 土界面各个力学性能参数，分别计算得到现场服役和室内人工加速环境条件下锚-土界面各个力学性能参数的第二退化时间相似关系λ^b＝(λ^b ₁,λ^b ₂,…,λ^b _i,…,λ^b _n)^T；

S9：分别对锚-土界面各个力学性能参数对应的第二退化时间相似关系λ^b与第一退化时间相似关系λ^a进行统计分析，取λ^b与λ^a的平均值，得到修正后的各个力学性能参数的第三退化时间相似关系λ^c＝(λ^c ₁, λ^c ₂,…,λ^c _i,…,λ^c _n)^T；

S10：将不同锚-土界面力学性能参数对应的第三退化时间相似关系λ^c代入到S3中建立的室内人工加速退化环境下锚-土界面力学性能参数的加速退化模型中，获得服役岩土锚固结构锚-土界面各个力学性能参数自然退化模型。

进一步的改进，所述服役岩土锚固结构锚-土界面各个力学性能参数自然退化模型可应用于预测服役条件下岩土锚固结构的锚-土界面力学性能退化规律和岩土锚固结构承载性能退化规律，分析评价服役条件下岩土锚固工程的耐久性。

进一步的改进，所述力学性能参数包括剪切刚度k₀、极限剪切强度τ_f、极限位移s_f和残余剪切强度τ_r；所述室内人工加速退化试验的荷载循环、温度循环和干湿循环的幅值和频率均高于服役岩土锚固结构的实际服役环境条件。

进一步的改进，所述S4中的现场暴露试验场地和不同服役年限tn的既有岩土锚固结构位于相同区域，现场暴露试验场地和服役岩土锚固工程的水文条件基本相同、土壤环境条件相同或土/岩质分类相同、环境温度的偏差不超过5℃、环境湿度的偏差不超过10％rh。

进一步的改进，根据权利要求1所述的一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，其特征在于，所述单元预设时间段Δt_b的范围为3～6个月；所述获得第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…, λ^a _n)^T的方法如下：

当锚-土界面力学性能参数在室内人工加速环境和现场暴露环境中都退化到相同预设值时，对应的试验时间分别为t_a和t_b，则力学性能参数在两种环境下的第一退化时间相似关系λ^a为：

λ^a＝t_b/t_a (1)

得到锚-土界面各个力学性能参数在室内人工加速环境和现场暴露环境下的第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…,λ^a _n)^T；

其中λ^a _i是指对第i个锚-土界面力学性能参数的不同预设值对应的第一退化时间相似关系的平均值。

进一步的改进，根据权利要求1所述的一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，其特征在于，所述获得第二退化时间相似关系λ^b的方法如下：

步骤a：依据第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…,λ^a _n)^T，在区间(0.5λ^a,1.5λ^a)内随机生成m 个样本向量λ^d,j(j＝1,2,…,m)；

步骤b：将产生的样本向量λ^d,j(j＝1,2,…,m)和已知既有岩土锚固结构服役时间t_n，代入λ＝t_n/t_a，其中λ＝λ^d,j；计算出室内加速退化试验对应的时间t_a，将t_a代入室内人工加速环境下的加速退化模型，得到既有岩土锚固结构的现时锚-土界面各力学性能参数值；

步骤c：将既有岩土锚固结构的现时锚-土界面各力学性能参数值代入界面剪切模型，确定界面剪切模型参数，建立既有岩土锚固结构现时锚-土界面剪切模型；

步骤d：基于荷载传递法或数值分析方法，利用建立的现时锚-土界面剪切模型，计算得到既有岩土锚固结构锚杆拉拔荷载P-位移s预测曲线；

步骤e：基于不同服役期t_n锚杆拉拔荷载P-位移s预测曲线与实测曲线贴合度最佳原则，分析获得最准确的样本向量λ^d，λ^d即为第二退化时间相似关系λ^b。

本发明的有益效果为：

1、利用可控制荷载循环、温度循环和干湿循环等环境条件的锚-土界面性能室内加速退化试验装置开展室内加速退化试验，结合现场暴露环境下锚固工程参照物自然退化试验，建立现场暴露环境与室内人工加速环境下锚-土界面各力学性能参数退化时间相似关系，为服役岩土锚固结构长期性能评估和承载力预测提供了有效、准确的方法。

2、本发明克服了岩土工程中不同年限下的锚固支护结构界面剪切力学参数无法直接通过现场监测或现场试验获得的问题，结合反演分析方法，来获取不同年限下的锚固支护结构界面剪切力学参数，然后，再根据回归分析和统计分析理论，提出修正方法，进一步提高了服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施流程

图2为本发明锚-土界面力学性能室内人工加速退化试验装置

图3为本发明压力室结构图

图4为本发明锚固界面单元体试样结构图

图5为本发明顶板与通气件连接图

图6为本发明通气件三维图

图7为本发明工程参照物示意图

图8为本发明基于锚-土界面剪切τ-s曲线辨识力学性能参数

图9为本发明室内人工加速退化环境下锚-土界面极限剪切强度τ_f加速退化模型

图10为本发明现场暴露环境下锚-土界面极限剪切强度τ_f自然退化模型

图11为本发明现场与室内人工加速环境下锚-土界面极限剪切强度τ_f退化曲线对比

图中标号名称为：

锚固单元体试样：101-锚固单元体试样；101a-岩/土坯；101b-锚固体；101c-杆体；102-上透水石；103-下透水石；104-带孔钢片；105-硅胶片；106-柔性隔水层；107-橡皮圈。

围压系统：201-压力室；202-底盘；202a-围压进水口、202b-抽气口、202c-饱和口和202d-加载通孔；203-套筒；204-顶板；204a-排气阀；204b-进水口；204c-出水口；205-隔热层；206-螺杆；207- 围压水筒；208-通气件；208a-出气孔；208b-进气孔；208c-出线孔；208d-环形槽；208e-螺纹；208f-密封圆板；209-空压机；210-上旋塞；211-下旋塞；212-垫板；213-螺母。

加速退化环境模拟系统：301-反力架；302-空心液压缸；303-连接头；304-连接杆；305-反力螺母；306-恒温水循环仪；307-不锈钢盘管；308-抽气机；309-饱和水筒；310-第一阀门；311-第二阀门； 312-第三阀门；313-第四阀门；314-第五阀门。

控制与测试系统：401-控制仪；402-位移计；403-力传感器；404-第一温度探头；405-第二温度探头；406-第一含水率传感器；407-第一调压阀；408-第一压力表；409-第二调压阀；410-第二压力表。

工程参照物：501-填料；502-路堤/边坡；503-土压力盒；504-第二含水率传感器；505-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。

实施例1

一种室内人工环境下锚-土界面性能加速退化试验装置主要包括围压系统、加速退化环境模拟系统和控制与测试系统。

如图2～图4所示，压力室201内安装不锈钢盘管307，不锈钢盘管307与恒温水循环仪306连通，以此控制试样的温度循环条件；底盘202设置围压进水口202a、抽气口202b、饱和口202c和加载通孔202d；套筒203外周设置隔热层205，防止压力室201内的热量外散；顶板204安装有第一温度探头404，用来监测压力室201内的温度，顶板204顶部与上旋塞210螺纹连接，用以密封；锚固单元体试样101外周安装第一含水率传感器406，用来监锚固单元体试样的含水率，进而计算出岩/土坯101c的饱和度；锚固单元体试样101外周包裹有柔性隔水层106和橡皮圈107，用以密封；锚固单元体试样101顶部依次布置有硅胶片105、带孔钢片104、上透水石102和通气件208；锚固体101b内安装有第二温度探头405，用以监测锚-土界面的温度；杆体101c穿过加载通孔202d和下旋塞211与连接头303、连接杆304以及反力螺母305依次连接；反力螺母305与空心液压缸302之间设置有力传感器403；位移计402用以监测杆体101c 的拉拔位移；通气件208用螺母213固定在顶板204顶部，螺母213与上旋塞210之间设置有垫板212。

如图5～图6所示，通气件208剖面呈“T”形，下部的密封圆板208f的外径与锚固单元体试样 101的外径相等，配合柔性隔水层106和橡皮圈107实现试样密封；通气件208上部设置有能与螺母213 配合的螺纹208e，由此可将其固定在顶板204上，确保加速试验过程中岩/土坯101a的竖向变形恒定，岩 /土坯101a处于平面应变状态；通气件208底部设置有深度2～4mm的环形槽208d，可加快通气干燥的速率。

一种利用室内人工环境下锚-土界面性能加速退化试验装置开展锚-土界面性能室内加速退化试验的方法，步骤如下：

S1:试样制作。岩/土坯101a的材料可选用原状土体或岩体，本实施例选用原状软岩；试样高度为 100mm，外径200mm，锚孔直径30mm；注浆材料可选用水泥砂浆、水泥净浆或树脂等，本实施例选用水泥砂浆，水泥砂浆的水、砂、水泥的质量之比为：m_水：m_砂：m_水泥＝0.42：1：1；杆体101c可选用钢筋或 FRP筋等，本实施例选用直径12mm的带肋钢筋；试样密封养护28d，确保锚固体101b具有足够大的强度。

S2:试样安装。将锚固单元体试样101安装在压力室201中心，试样外周包裹柔性隔水层106和橡皮圈107，用以密封，第二温度探头405和第一含水率传感器406的导线由出线孔208c引出；试样下面依次设置下透水石103、带孔钢片104和硅胶片105，试样上面依次设置上透水石102、带孔钢片104和硅胶片105；杆体101c穿过下透水石103、带孔钢片104、硅胶片105和加载通孔202d与连接头303连接。

S3:施加围压(模拟地层压力)。启动空压机209，将压力室201注满水，关闭排气阀204a，利用第一调压阀407将压力室201的压力调节稳定至设定围压σ_v，本实施例设定围压σ_v＝200kPa。

S4:控制人工加速退化环境。

S4-1:控制干湿循环：对试样进行干燥时，打开抽气机308、第二阀门311和第四阀门313，关闭第一阀门310和第三阀门312，将岩/土坯101a中的水分吸出和蒸发，待试样饱和度S_r达到设定的下限值 S_rm-ΔS_r时，即完成干燥处理；对试样进行饱和时，关闭第二阀门311和第四阀门313，打开第一阀门310 和第二阀门311，并将空压机208的压力调整至5～10kPa，使饱和水筒309中的水经试样底部流入试样内部，打开抽气机308，在试样顶面抽真空，加速饱和，待试样饱和度S_r达到设定的上限值S_rm+ΔS_r时，即完成饱和处理；本实施例中，设置干湿循环的试样饱和度水平均值、幅值和周期分别为：50％、40％和48h。

S4-2:控制温度循环：恒温水循环仪306中的恒温水经进水口204b流入不锈钢盘管307，再由出水口204c流出，由此形成循环水流；设定恒温水循环仪306中的温度为上限值T_m+ΔT，使压力室201与试样的温度逐渐由平均水平值T_m升高至上限值T_m+ΔT，开始进行温度循环；将温度T设定为循环温度的下限值T_m-ΔT，保持一定时间后，设定至上限值T_m+ΔT，再保持一定时间。本实施例中，温度循环的水平均值、幅值和周期分别为50℃、20℃和24h。

S4-3:荷载循环控制：利用控制仪401，控制空心液压缸302，对杆体101c施加设定幅值ΔP和周期T_P的循环拉拔荷载。本实施例中，设定荷载循环的水平均值、幅值和周期分别为200N、50N和2s。

S5:拉拔测试。锚固单元体试样101在室内人工加速退化环境中达到试验设计的时间后，本实施例选为4d，利用控制仪401，控制空心液压缸302，对杆体101c按力控制加载，本实施例中选取加载速率为 10N/s，测取试样的界面剪应力τ-剪切位移s曲线。

一种利用室内人工环境下锚-土界面性能加速退化试验装置及方法开展服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法步骤如下：

S1:调研分析影响岩土锚固结构力学性能的现场环境因素，包括，大气环境和土壤环境中温度、湿度等自然环境因素随季节和昼夜交替变化(温度循环和干湿循环)的幅值和频率等特征，交通荷载、地层应力、地震荷载等荷载环境因素(荷载循环)的大小和作用形式等特征；

S2:制作若干组锚固单元体试样101，本实施例制作8组；试样制作完成后，将其安装到室内人工加速退化试验装置中，设置围压，本实施例设置围压为200kPa；室内人工加速退化试验的荷载循环、温度循环和干湿循环的幅值和频率都要高于服役岩土锚固结构的实际服役条件，本实施例设定荷载循环的均值、幅值和周期分别为200N、50N和2s，温度循环的均值、幅值和周期分别为50℃、20℃和24h，干湿循环的试样饱和度均值、幅值和周期分别为：50％、40％和48h；本实施例对8组试样开展时间t_a分别为 10d，20d，……，80d的室内加速退化试验。

S3:室内加速退化试验达到设定时间t_a后，对锚固单元体试样101开展拉拔测试，以此获得锚-土界面剪切τ-s曲线，进一步分析出室内加速退化环境下不同试验时间t_a的锚-土界面各力学性能参数，其中，如图8，剪切刚度k₀为τ-s曲线初始点的斜率，极限剪切强度τ_f为τ-s曲线的峰值强度，极限位移s_f为极限剪切强度τ_f对应的界面剪切位移，残余剪切强度τ_r为τ-s曲线的残余强度。

S4:绘制出锚-土界面各力学性能参数(k₀、τ_f、s_f和τ_r)与室内加速退化试验时间t_a的关系曲线，基于最小二乘法等回归分析方法，以指数函数、有理式函数或幂函数等为回归模型，分别对锚-土界面各个力学性能参数与室内加速退化试验时间关系曲线进行拟合，得到回归模型参数，由此建立室内人工加速退化环境下锚-土界面各个力学性能参数的加速退化模型。本实例以建立极限剪切强度τ_f的加速退化模型为例进行介绍，绘制极限剪切强度τ_f与加速退化试验时间t_a关系曲线，如图9，选用最小二乘法为回归分析方法，以式(1)所示指数函数为回归模型：

式中，α、β和ξ为待定的回归模型参数。

对参数τ_f与加速退化试验时间t_a关系曲线进行拟合，得到回归模型参数α＝35.3、β＝0.0534和ξ＝15.1，由此建立室内人工加速退化环境下锚-土界面极限剪切强度τ_f的加速退化模型为

S5:选取现场暴露试验场地，现场暴露试验场与服役岩土锚固工程位于相同区域，确保现场暴露试验场和服役岩土锚固工程的水文条件基本相同、土壤环境条件相同或土/岩质分类相同、环境温度的偏差不超过5℃、环境湿度的偏差不超过10％rh；制作若干组锚固单元体试样101，本实例制作8组，并将其分层埋置到现场暴露试验场，由此构建出锚固工程参照物，如图7，本实施例锚固工程参照物深4m、宽6m。锚固工程参照物中，沿着深度方向均匀地布置若干个土压力盒503、第二含水率传感器504和温度传感器 505，用以监测现场环境的荷载、土壤含水率和温度变化情况。

S6:设定单元预设时间段Δt_b的范围为3～6个月，本实施例选为6个月，挖出1组预先埋置于现场暴露试验场中的锚固单元体试样101，用以开展拉拔测试，根据测试结果，分析出现场暴露环境下不同试验时间t_b的锚-土界面各个力学性能参数，选用与S4相同的回归模型和回归分析方法，分别对锚-土界面各个力学性能参数与现场暴露试验时间t_b关系曲线进行拟合，得到回归模型参数，由此建立现场暴露环境下锚-土界面各个力学性能参数的自然退化模型。本实例以建立极限剪切强度τ_f的自然退化模型为例进行介绍，绘制参数τ_f与现场暴露试验时间t_b关系曲线，如图10，选用最小二乘法为回归分析方法，以式(1)所示指数函数为回归模型，对参数τ_f与现场暴露试验时间t_b关系曲线进行拟合，得到回归模型参数α＝34.9、β＝0.00273和ξ＝14.3，由此建立现场暴露环境下极限剪切强度τ_f的自然退化模型为

S7:利用上述获得的锚-土界面各力学性能参数室内加速退化模型和现场暴露自然退化模型，计算当锚-土界面各个力学性能参数在室内人工加速环境和现场暴露环境中都退化到相同预设值时，对应的试验时间t_a和t_b，如图11，则各个力学性能参数在上述两种环境下的第一退化时间相似关系λ^a为：

λ^a＝t_b/t_a (2)

分别计算锚-土界面各个力学性能参数的不同预设值对应的第一退化时间相似关系的平均值，得到锚-土界面各个力学性能参数在室内人工加速环境和现场暴露环境中的退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…, λ^a _i,…,λ^a _n)^T。本实施例以参数τ_f在两种环境下第一退化时间相似关系

为例进行介绍，利用S4和S6建立的室内加速退化模型和现场暴露自然退化模型，计算出τ_f＝45kPa时，对应的t_a和t_b分别为3.1d和47.0d，则

类似地，可计算出τ_f＝15,20,…,40kPa时的

根据退化时间相似关系不随时间变化的原则，统计分析出不同τ_f值对应的

的平均值为16.5，即得到参数τ_f在室内人工加速环境和现场暴露环境中的退化时间相似关系。由此可计算出其他力学性能参数(k₀、s_f和τ_r)在现场暴露环境和室内人工加速环境下的第一退化时间相似关系。

S8:选取已服役了不同年限t_n的岩土锚固结构，这些工程位于相同区域，确保其水文条件基本相同、土壤环境条件相同或土/岩质分类相同、环境温度的偏差不超过5℃、环境湿度的偏差不超过10％rh，收集已有的现场试验资料，或开展锚杆现场拉拔试验，获取不同年限t_n下的锚杆拉拔荷载P-位移s曲线，本实施例选取服役年限t_n为5年、8年和10年。

S9:依据S7建立的现场暴露环境和室内人工加速环境下第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…, λ^a _i,…,λ^a _n)^T，在区间(0.5λ^a,1.5λ^a)内随机生成m个样本向量λ^d,j(j＝1,2,…,m)，本实施例中，m取为100；将产生的样本向量λ^d,j(j＝1,2,…,m)和已知岩土锚固结构服役时间t_n，代入λ＝t_n/t_a，其中λ＝λ^d,j，计算出室内加速退化试验对应的时间t_a，将t_a代入S4建立的室内人工环境下加速退化模型，得到服役岩土锚固结构的现时锚 -土界面各个力学性能参数值；本实施例以j＝1时参数τ_f的计算为例进行介绍，假设j＝1时

进一步计算得到t_n＝5年时，室内加速退化试验对应的时间

将t_a＝100代入S4建立的室内人工环境下加速退化模型中，得到既有服役岩土锚固结构的现时(t_n＝5年)锚-土界面极限剪切强度τ_f＝15.3kPa，类似地，得到k₀＝3412kPa/m、s_f＝9.2mm 和t_r＝12.1kPa，其他服役年限t_n及样本向量λ^d,j(j＝2,…,100)的既有岩土锚固结构现时锚-土界面各个力学性能参数也能以这种方法计算得到。

S10:将获得的既有岩土锚固结构现时锚-土界面各力学性能参数值代入折线型或经验型等界面剪切模型中，本实施例选用式(3)所示的一种有理式+指数式的复合界面剪切模型，计算出界面剪切模型参数，建立既有岩土锚固结构现时锚-土界面剪切模型：

式中，a、b、c和d为待定模型参数；n为调节系数，本实施例取n＝4。

本实施例以j＝1时的样本向量建立t_n＝5年的既有岩土锚固结构现时锚-土界面剪切模型为例进行介绍，根据S9得到的现时锚-土界面各力学性能参数，计算出界面剪切模型参数a＝9.8、b＝0.1、c＝12.1和 d＝0.2，将这4个模型参数代入式(3)，得到t_n＝5年的既有岩土锚固结构现时锚-土界面剪切模型为

通过荷载传递法或数值分析方法，本实施例选用荷载传递法，获得既有岩土锚固结构中锚杆的拉拔荷载P-位移s预测曲线，其他服役年限t_n及样本向量λ^d,j(j＝2,…,100)下岩土锚固结构的锚杆拉拔P-s曲线也能以此方法计算得到；基于不同服役年限t_n锚杆拉拔P-s预测曲线与实测曲线贴合度最佳原则，分析获得最准确的样本向量λ^d，λ^d即为第二退化时间相似关系λ^b。

S11:将上述反演得到的锚-土界面各个力学性能参数第二退化时间相似关系λ^b与现场暴露环境和室内人工加速环境下的第一退化时间相似关系λ^a进行统计分析，取λ^a和λ^b的平均值，由此获得修正后的锚- 土界面各个力学性能参数第三退化时间相似关系λ^c。

S12:将第三退化时间相似关系λ^c代入到S4建立的室内人工环境下锚-土界面各力学性能参数加速退化模型中，建立出服役岩土锚固结构锚-土界面各力学性能参数自然退化模型。

Claims (4)

1.一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：制作若干组锚固单元体试样；

S2：选取第一组锚固单元体试样，按设定的荷载循环、温度循环和干湿循环的幅值和周期，对试样开展不同时间t_a的室内人工加速退化试验；

S3：第一组锚固单元体试样在室内人工加速退化环境下退化至设定试验时间t_a后，对第一组锚固单元体试样开展拉拔测试，以此获取室内加速退化试验时间t_a下的岩/土坯-锚固体界面剪应力τ-剪切位移s曲线，进一步分析室内人工加速退化环境下不同试验时间t_a的锚-土界面各个力学性能参数，基于最小二乘法回归分析方法，分别对锚-土界面各个力学性能参数与室内加速退化试验时间t_a关系曲线进行拟合，得到回归模型参数，建立室内人工加速退化环境下锚-土界面各个力学性能参数的加速退化模型；

S4：搭建现场暴露试验场地，选取第二组锚固单元体试样分层埋置到现场暴露试验场中，沿着深度方向依次布置土压力盒、第二含水率传感器和温度传感器，构建锚固工程参照物；

S5：每隔一单元预设时间段Δt_b，从现场暴露试验场地中挖出若干个第二组锚固单元体试样，对第二组锚固单元体试样开展拉拔测试，分析现场暴露环境中不同试验时间t_b的锚-土界面各个力学性能参数，选用与S3相同的回归模型和回归分析方法，分别对锚-土界面各个力学性能参数与现场暴露试验时间t_b关系曲线进行拟合，得到回归模型参数，建立现场暴露环境下锚-土界面各个力学性能参数的自然退化模型；

S6：结合室内人工加速退化环境下的锚-土界面各个力学性能参数加速退化模型和现场暴露环境下锚-土界面各个力学性能参数自然退化模型，计算出锚-土界面各个力学性能参数在现场暴露环境和室内人工加速环境下的第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…,λ^a _n)^T，其中λ^a _i为第i个锚-土界面力学性能参数对应的第一退化时间相似关系；T表示矩阵转置；

S7：选取已服役了不同年限t_n的既有岩土锚固结构，获取不同服役年限t_n下的锚杆拉拔荷载P-位移s曲线；

S8：对不同服役年限t_n下的锚杆拉拔荷载P-位移s曲线进行反演分析，得到现场服役条件下锚-土界面各个力学性能参数，分别计算得到现场服役和室内人工加速环境条件下锚-土界面各个力学性能参数的第二退化时间相似关系λ^b＝(λ^b ₁,λ^b ₂,…,λ^b _i,…,λ^b _n)^T；

S9：分别对锚-土界面各个力学性能参数对应的第二退化时间相似关系λ^b与第一退化时间相似关系λ^a进行统计分析，取λ^b与λ^a的平均值，得到修正后的各个力学性能参数的第三退化时间相似关系λ^c＝(λ^c ₁,λ^c ₂,…,λ^c _i,…,λ^c _n)^T；

S10：将不同锚-土界面力学性能参数对应的第三退化时间相似关系λ^c代入到S3中建立的室内人工加速退化环境下锚-土界面力学性能参数的加速退化模型中，获得服役岩土锚固结构锚-土界面各个力学性能参数自然退化模型；

其中，所述单元预设时间段Δt_b的范围为3～6个月；所述获得第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…,λ^a _n)^T的方法如下：

当锚-土界面力学性能参数在室内人工加速环境和现场暴露环境中都退化到相同预设值时，对应的试验时间分别为t_a和t_b，则力学性能参数在两种环境下的第一退化时间相似关系λ^a为：

λ^a＝t_b/t_a (1)

得到锚-土界面各个力学性能参数在室内人工加速环境和现场暴露环境下的第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…,λ^a _n)^T；其中λ^a _i是指对第i个锚-土界面力学性能参数的不同预设值对应的第一退化时间相似关系的平均值；

其中，所述获得第二退化时间相似关系λ^b的方法如下：

步骤a：依据第一退化时间相似关系λ^a＝(λ^a ₁,λ^a ₂,…,λ^a _i,…,λ^a _n)^T，在区间(0.5λ^a,1.5λ^a)内随机生成m个样本向量λ^d,j(j＝1,2,…,m)；

步骤b：将产生的样本向量λ^d,j(j＝1,2,…,m)和已知既有岩土锚固结构服役时间t_n，代入λ＝t_n/t_a，其中λ＝λ^d,j；计算出室内加速退化试验对应的时间t_a，将t_a代入室内人工加速环境下的加速退化模型，得到既有岩土锚固结构的现时锚-土界面各力学性能参数值；

步骤c：将既有岩土锚固结构的现时锚-土界面各力学性能参数值代入界面剪切模型，确定界面剪切模型参数，建立既有岩土锚固结构现时锚-土界面剪切模型；

步骤d：基于荷载传递法或数值分析方法，利用建立的现时锚-土界面剪切模型，计算得到既有岩土锚固结构锚杆拉拔荷载P-位移s预测曲线；

步骤e：基于不同服役期t_n锚杆拉拔荷载P-位移s预测曲线与实测曲线贴合度最佳原则，分析获得最准确的样本向量λ^d，λ^d即为第二退化时间相似关系λ^b。

2.根据权利要求1所述的一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，其特征在于，所述服役岩土锚固结构锚-土界面各个力学性能参数自然退化模型可应用于预测服役条件下岩土锚固结构的锚-土界面力学性能退化规律和岩土锚固结构承载性能退化规律，分析评价服役条件下岩土锚固工程的耐久性。

3.根据权利要求1所述的一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，其特征在于，所述力学性能参数包括剪切刚度k₀、极限剪切强度τ_f、极限位移s_f和残余剪切强度τ_r；所述室内人工加速退化试验的荷载循环、温度循环和干湿循环的幅值和频率均高于服役岩土锚固结构的实际服役环境条件。

4.根据权利要求1所述的一种服役岩土锚固结构工程性能退化加速试验方法，其特征在于，所述S4中的现场暴露试验场地和不同服役年限t_n的既有岩土锚固结构位于相同区域，现场暴露试验场地和服役岩土锚固工程的水文条件相同、土壤环境条件相同或土/岩质分类相同、环境温度的偏差不超过5℃、环境湿度的偏差不超过10％rh。

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