锚拉结构自保护装置在工程中的应用

摘　要：本文对锚拉结构自保护装置的基本原理进行了阐述，给出自保护装置的工程应用方法，然后以某工程为实例详细阐述了该方法的工程应用，给出了详细的数据分析。

关键词：锚拉结构；自保护装置；工程勘察；岩土
1.锚拉结构自保护概念的提出
　　由于自然环境、地质条件的复杂性，边坡的变形、应力分布不均匀，使预应力锚固结构受力不均匀，经常有局部结构实际受力大于设计强度的情况发生，突发灾害（如滑坡、泥石流、地震等）的出现也会使结构出现短时超载，导致工程失效，引发工程事故（这种事故经常发生）或灾害破坏。
　　近年来，人们一直在寻求一种既能保证安全、有抗灾变能力，又经济合理的锚固技术。在这种情况下，需要采用支护能力大、有足够安全保障的预应力锚固结构体系。基于此及相关的研究成果，重庆大学的叶晓明教授叫提出结构的自保护、自适应的概念。他认为“自保护、自适应”就是指自己保护自己，是带有智能性的自行调节，避免一些不利因素或对一些不利因素有一定的抵抗能力。在此基础之上，他还提出了一种自保护装置一塑性变形发生器，将其用于预应力锚杆的自保护，并做了大量试验，证明该装置是可行的。
　　重庆交通大学的许锡宾教授等进一步提出了自保护、自协调的锚拉结构体系，认为传统结构是一个固定的结构，没有或很少有结构自动能力，自保护、自协调锚拉结构体系的自保护、自协调能力实际上给结构注入了生命力，使其成为一种活结构，或者称之为智能结构。
2.自保护装置介绍
　　自保护装置是一个塑性变形发生器，为自保护提供必需的变形就是由该装置来实现的，共设计了摩擦型和剪切型两种类型。
　　摩擦型的由一个柱体和一个筒体组成，柱体的直径稍稍大于筒体的内径（见图1）。其中图（a）为正视图，图（b）为俯视图，图（c）为图（a）中的A-A剖面图。结构受力前，柱体进入筒体，当荷载等于设计荷载时，柱体在筒体内克服摩擦力滑动，摩擦力按荷载设计要求来设计。这种类型的装置要求加工准确精致，使摩擦力刚好等于设计荷载。这种装置具有很好的变形连续性，但受环境温度的影响较大，不适于温差大的环境。

1.锚头，2.锚帽，3.套筒，4.底座
图1摩擦型自保护装置
3.自保护装置的工程应用
　　岩土工程在勘察、设计及施工等各个环节都存在着不确定性，这可能在边坡工程中形成局部应力集中，导致结构的局部破坏。本节选择一个预应力锚杆加固工程的实例进行计算，假设局部应力不均，使其中2根锚杆的应力超过设计荷载。考虑两种状况：
　　1）锚杆上安装自保护装置，锚杆应力超出设计荷载后并不破坏，计算锚杆的应力变化。
　　2）锚杆超过设计荷载而被拉断，计算锚杆的应力变化。
　　对计算结果进行对比分析，说明自保护锚拉结构的优越性。
4.工程概况
　　本工程边坡长约220米，处在风化剥蚀斜地及沟谷地带，整个边坡岩体呈碎裂结构，整体稳定性差，在施工过程中曾多次发生崩塌，边坡的平面示意图如图2所示。

图2边坡加固区平面示意图
　　4.1边坡稳定性分析
　　①边坡病害成因分析
　　本工程为施工建筑边坡，为顺向坡，边坡节理裂隙较发育，对边坡岩体有切割作用，同时边坡中还存在一压缩断裂带，这是产生该段边坡稳定性差的最直接的内因。其具体成因分析如下：
　　1）地质原因
　　边坡区由于溪流河床基岩裸露，地表坡角在20-35°左右，地表水、地下水直接排泄，山坡脚的残坡积层均被带走或滑入溪流中，边坡总体是稳定的。但是，开挖会形成陡坡，导致边坡应力的重新分布，应力向陡边坡面集中，对节理裂隙发育的岩质边坡而言，容易产生崩塌失稳。同时，由于工程区岩层倾向几乎垂直于边坡走向，再加倾向南东的挤压，节理的切割，对边坡安全构成威胁。该组挤压节理发育较深，延伸较长，垂直切割岩层，在形成陡坡后，导致岩层沿着节理倾向位移。
　　2）水文及气候原因
　　由于该边坡坡顶线形状呈“M”形，坡项凹槽部分容易积水，在降雨时将有雨水向此集中，这对边坡的稳定性极为不利。当地气候4-9月份为雨季，而开挖施工及施工后边坡暴露正逢此时，边坡在强烈日照及降雨天气交替变化条件下岩石结构面抗剪强度将减弱，其安全系数会大大降低。
　　3）施工原因
　　施工时开挖土石方量大，对边坡岩体震动大，加上开挖后临空面的出现所造成的应力释放，节理裂隙张开，而施工区内没有排水系统，边坡暴露的时间又长，这些都大大的增加了边坡整体失稳的可能性。
　　总之，由于边坡本身的地质原因、水流的影响及施工破坏了原来的地貌，边坡变陡，应力集中释放，使得原本就不十分稳定的边坡，存在着很大的安全隐患。
　　②设计原则
　　由于该工程横坡陡峻，常规的挡墙和边坡设计无法解决，若采用桥梁通过，基桩施工难度大，安全可靠性差，工程造价高，施工工期长。本着节约工程投资、缩短施工工期、减少工程隐患、增加工程安全性等方面因素的考虑，设计中采用预应力锚杆的加固形式，由预应力锚杆与周围地层的锚固力形成平衡。
　　③工程措施
　　对边坡清方后，工程采用系统锚杆加固、挂网植草护坡、坡脚修筑矮脚墙的方案。边坡采用锚杆加锚墩式加固，锚杆排距为3聊，相邻两排错开1.5m，每排相邻锚杆间距3所，整体上呈梅花形布置；锚杆采用中15.24mml860级钢绞线，成孔直径1l0mm，俯角为20°。边坡平台以上锚杆设计长12m，平台以下设计长6m（见图3）。在坡面上布置排水孔，孔内放置980软式排水管，排水孔间距5.0×5.0m，孔深3.0m。
　　根据边坡开挖后的自稳情况，在结合岩层产状与发育裂隙的组合形式，经分析认为边坡岩体的主要破坏形式为岩体岩层面下滑。结合边坡区工程地质勘察资料，本区边坡的相关参数如下：
　　岩石密度：26KN／m3；
　　岩层倾角：30°；
　　层面剪切摩擦角：20°；
　　层面粘聚力C：12K砌。

图3边坡典型支护断面图
　　预应力钢绞线采用一端张拉的方式进行张拉，间距3×3m。每束钢绞线截面积600M，一级边坡锚固长度3mm，二级边坡锚固长度5mm工作荷载设计值为。
　　4.2计算结果分析
　　当锚杆应力达到1860MPa时，对于安装了自保护装置的锚杆将进入塑性变形阶段，其应力保持不变，而应变却持续增加，直到最后锚杆也没有被拉断：但对于未加自保护装置的锚杆，则认为它已经破坏，这时，程序通过生死单元功能 ，将其单元杀死，即此锚杆退出工作，然后重新进行计算。通过对这二种情况的计算结果来做对比分析，以了解自保护装置的作用到底如何。
　　将一、二级边坡的锚杆从上到下编号为1、2、3、4、5、6排，其应力在整个计算过程的变化如图4所示。

图4 自保护锚拉结构锚杆应力曲线

图5普通结构锚杆应力曲线
　　由锚杆应力曲线可知，对于有自保护装置的锚杆.锚杆在达到屈服荷载后，应力保持不变，应变继续增加，直到虽后也没有断裂：但对于没有自保护装置的锚杆，当其应力达到屈服荷载时，既认为破坏而失效。
　　从图4看到，由于第2、5排锚杆屈服后，应力不变，增加的只是应变，多余的应力慢慢向其它的锚杆转移，因此其应力变化曲线平稳增加。而图5就有所不同，由于没有自保护装置的因达到屈服荷载而断裂，它在断裂前所承受的荷载突然向其它的锚杆转移，因此，锚杆应力变化曲线在第2、5排锚杆破坏时有明显的突变。
　　有自保护装置结构的第2、5排锚杆没有破坏，还承担很大的拉力，这就大大地减小了其它锚杆的拉力；而没有自保护装置结构的第2、5排锚杆被拉断，完全失去承载能力。它所承担的荷载完全转移到其它锚杆，这使得其它锚杆承受的荷载大大增加。
　　锚杆最终应力比较及应力增幅如表1所示。
表1锚杆应力对比
锚杆位置
应力值（MPa）
应力增幅（%）

自保护锚拉结构
普通结构

第1排
1510.5
1734.9
14. 86
第2排
1860.0
0（破坏）

第3排
1649.4
1847.8
12.03
第4排
1450.9
1769.2
21.94
第5排
1860.0
0（破坏）

第6排
1375.6
1578.8
14. 77
　　从表中可知，普通锚固结构所承受的荷载较自保护锚拉结构要高很多，第4排的应力增幅达到21.94％。需要特别注意的是，有自保护装置结构的第3排锚杆的最终应力已达到1847.8MPa，达到设计应力99.34％，几乎没有任何安全储备了，要是没有自保护装置，如果受到超载作用，必然会使锚杆破坏，后果可想而知。由于有了自保护装置，锚杆达到极限荷载后产生塑性变形并不会被拉断；而对于没有自保护装置的锚杆，一旦其所承受的荷载由于不确定性因素超过极限荷载时，它就会破坏而失效，这就会使其它锚杆承受的荷载大大增加，并可能引起其它锚杆的超载破坏，最终导致整个锚拉结构的破坏。也就是说，自保护装置不仅能保证锚杆的安全，而且能保证整个锚拉体系的安全。因此，自保护锚拉结构是一种安全、实用、可行的加固技术。
参考文献:
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蒋良潍，黄润秋，蒋忠信.考虑孔壁界面滑移一软化的预应力锚索锚固段侧阻力分布.水文地质与工程地质，2005（6）：61-65.