CN107657124A - 一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法 - Google Patents
一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法，以边坡锚固工程的坡体和锚索体力学特征作为参数，基于锚固力损失与高边坡岩体时效变形的耦合效应，将模拟锚索体和西原岩土体流变模型并联建立了锚索锚固力损失的计算模型，并根据锚固力损失预测模型的本构方程，推导出预应力锚索锚固力随时间长期损失的计算公式。本发明考虑了高边坡锚固工程中边坡卸荷状态的变化，根据边坡卸荷作用的时间效应，引入模型公式转化时间，从而能计算出边坡强卸荷作用影响下的锚固力损失过程。本发明可对高边坡锚索锚固力时效损失进行预测，判断锚索锚固力变化是否异常，对高边坡锚固工程的监测预警和长期安全运营有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于地质工程技术领域，具体涉及一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法的设计。
背景技术
岩质高边坡是水电、矿山和交通等重大工程建设中的主要地质环境和工程承载体，预应力锚索已经成为该类高边坡加固的主要措施。但受区域构造作用或峡谷深切等因素的影响，岩质高边坡具有开挖后强卸荷的特点，边坡开挖后会在短时间内出现强烈的卸荷现象，强卸荷作用导致锚索锚固力在工程初期快速损失。当锚索锚固力损失超过一定限值时，会导致整个锚固工程失效。
因此，高边坡锚索锚固力损失的预测计算对于锚固工程的长期安全稳定十分重要，但目前已提出的预应力锚索锚固力损失计算公式大多为经验公式，或者理论模型建立过程中，以未考虑高边坡强卸荷作用的广义开尔文理论或伯格斯理论为基础建立，所以应用于开挖强卸荷作用显著的高边坡锚固工程时，计算结果误差较大：采用基于广义开尔文理论的计算模型来计算锚索锚固力长期损失时，计算的锚固力损失偏小；采用基于伯格斯理论的计算模型计算锚索锚固力长期损失时，计算的锚固力损失又偏大。因此，在实际应用过程中，以往的预应力锚索锚固力损失计算方法具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的预应力锚索锚固力损失计算方法具有一定的局限性的问题，提出了一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法。
本发明的技术方案为：一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法，包括以下步骤：
S1、建立预应力锚索锚固力损失计算模型，并确定模型参数。
S2、确定计算模型的转化时间N。
S3、根据计算模型计算当时间t<N时，锚索锚固力F1的损失情况。
S4、根据计算模型计算当时间t>N时，锚索锚固力F2的损失情况。
S5、根据F1和F2的损失情况得到预应力锚索整体锚固力F随时间t变化的曲线。
S6、对比步骤S5计算得到的曲线与监测值拟合曲线，对锚索锚固力损失异常现象进行监测预警并指导锚索锚固力补偿时间，从而保障高边坡锚固工程的长期安全运营。
本发明的有益效果是：本发明在以往锚固力损失预测模型的基础上考虑了高边坡强卸荷作用，能计算出高边坡锚索锚固力的损失预测曲线，改善了以往预应力锚索锚固力变化模型采用单一线性流变模型模拟岩土体，应用于高边坡锚固工程时计算结果与实际偏差过大的情况。本发明可对高边坡锚索锚固力时效损失进行预测，判断锚索锚固力变化是否异常，对高边坡锚固工程的监测预警和长期安全运营有重要意义。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法流程图。
图2所示为本发明实施例提供的预应力锚索锚固力损失计算模型示意图。
图3所示为本发明实施例提供的预应力锚索整体锚固力F随时间t变化的曲线图。
图4所示为本发明实施例提供的锚索锚固力计算曲线与监测值拟合曲线对比图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法，如图1所示，包括以下步骤S1-S6：
S1、建立预应力锚索锚固力损失计算模型，并确定模型参数。
建立预应力锚索锚固力损失计算模型，如图2所示，制备模拟锚固岩体试件，通过岩体蠕变试验曲线，确定模型参数：模拟岩土体的瞬时弹性模量EB，粘弹性模量EK，黏滞性系数ηK、ηB，锚索体初始应变量ε0，岩体长期强度σs，锚索等效弹模EM，锚索体初始应力σ0，锚固范围内岩体面积Ar。
其中，制备模拟锚固岩体试件的方法为：
按照高边坡岩体节理裂隙特征，将模拟填充物嵌入岩样，并基于锚杆与岩土体相似配比特性，沿试件层理面垂直方向放置相似比例的对拉模拟锚杆，得到模拟锚固岩体试件。
岩体蠕变试验曲线的确定方法为：
进行岩体试件的加卸荷载试验，先按照静水应力条件将试件的轴向应力σ1、围压σ3升至预设值(本发明实施例中为20MPa、30MPa、40MPa)，然后分级对试件进行加卸荷载，每级轴向应力σ1增加，增幅根据岩体极限抗压强度σc确定，取σc的5％～8％，每级围压σ3降低，降幅取预设值的5％～10％，每次加卸荷载后暂停一段时间，当岩体蠕变基本稳定后再继续下一级加卸荷载，直至试件破坏时停止，得到岩体蠕变试验曲线。
岩体长期强度σs的确定方法为：
根据岩体蠕变试验结果，若岩体试件加卸荷载到第i级，暂停加卸荷载后试件的侧向应变与竖向应变的比值变化ε3/ε1出现不收敛的趋势，则岩体长期强度σs为第i级加卸荷载下施加的偏应力，即轴向应力与围压之差(σs＝σ1i-σ3i)。
黏滞性系数ηK、ηB的计算公式为：
其中r1、r2为常数，本发明实施例中r1＝-0.00178、r2＝-0.0077765。
根据上述方法，本发明实施例中各模型参数设置如表1所示。
表1
S2、确定计算模型的转化时间N。
在高边坡上进行预应力锚索的预张拉试验，并在锚索锚固段埋置多点位移计进行位移监测，得到坡***移-时间曲线；试验初期边坡受到锚固力挤压，坡***移方向为负，随着边坡卸荷回弹，坡体开始向外位移，当位移方向由负变正时，对应的时间即为计算模型的转化时间N。本发明实施例中，通过坡***移-时间曲线得到计算模型的转化时间N＝40。
S3、根据计算模型计算当时间t<N时，锚索锚固力F1的损失情况，计算公式为：
S4、根据计算模型计算当时间t>N时，锚索锚固力F2的损失情况，计算公式为：
S5、根据F1和F2的损失情况得到预应力锚索整体锚固力F随时间t变化的曲线，如图3所示。
S6、对比步骤S5计算得到的曲线与监测值拟合曲线，对比结果如图4所示，对锚索锚固力损失异常现象进行监测预警并指导锚索锚固力补偿时间，从而保障高边坡锚固工程的长期安全运营。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种考虑高边坡强卸荷的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立预应力锚索锚固力损失计算模型，并确定模型参数；
S2、确定计算模型的转化时间N；
S3、根据计算模型计算当时间t<N时，锚索锚固力F1的损失情况；
S4、根据计算模型计算当时间t>N时，锚索锚固力F2的损失情况；
S5、根据F1和F2的损失情况得到预应力锚索整体锚固力F随时间t变化的曲线；
S6、对比步骤S5计算得到的曲线与监测值拟合曲线，对锚索锚固力损失异常现象进行监测预警并指导锚索锚固力补偿时间，从而保障高边坡锚固工程的长期安全运营。
2.根据权利要求1所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
建立预应力锚索锚固力损失计算模型，制备模拟锚固岩体试件，通过岩体蠕变试验曲线，确定模型参数：模拟岩土体的瞬时弹性模量EB，粘弹性模量EK，黏滞性系数ηK、ηB，锚索体初始应变量ε0，岩体长期强度σs，锚索等效弹模EM，锚索体初始应力σ0，锚固范围内岩体面积Ar。
3.根据权利要求2所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述制备模拟锚固岩体试件的方法为：
按照高边坡岩体节理裂隙特征，将模拟填充物嵌入岩样，并基于锚杆与岩土体相似配比特性，沿试件层理面垂直方向放置相似比例的对拉模拟锚杆，得到模拟锚固岩体试件。
4.根据权利要求2所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述岩体蠕变试验曲线的确定方法为：
进行岩体试件的加卸荷载试验，先按照静水应力条件将试件的轴向应力σ1、围压σ3升至预设值，然后分级对试件进行加卸荷载，每级轴向应力σ1增加，增幅根据岩体极限抗压强度σc确定，取σc的5％～8％，每级围压σ3降低，降幅取预设值的5％～10％，每次加卸荷载后暂停一段时间，当岩体蠕变基本稳定后再继续下一级加卸荷载，直至试件破坏时停止，得到岩体蠕变试验曲线。
5.根据权利要求4所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述岩体长期强度σs的确定方法为：
根据岩体蠕变试验结果，若岩体试件加卸荷载到第i级，暂停加卸荷载后试件的侧向应变与竖向应变的比值变化ε3/ε1出现不收敛的趋势，则岩体长期强度σs为第i级加卸荷载下施加的偏应力，即轴向应力与围压之差。
6.根据权利要求2所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述黏滞性系数ηK、ηB的计算公式为：
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其中r1、r2为常数。
7.根据权利要求1所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
在高边坡上进行预应力锚索的预张拉试验，并在锚索锚固段埋置多点位移计进行位移监测，得到坡***移-时间曲线；试验初期边坡受到锚固力挤压，坡***移方向为负，随着边坡卸荷回弹，坡体开始向外位移，当位移方向由负变正时，对应的时间即为计算模型的转化时间N。
8.根据权利要求2所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述步骤S3中锚索锚固力F1的损失情况的计算公式为：
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9.根据权利要求2所述的预应力锚索锚固力损失计算方法，其特征在于，所述步骤S4中锚索锚固力F2的损失情况的计算公式为：
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