全长黏结型预应力锚杆受力特性研究

接扩散至潜在破裂面的效果和作用有限；④大多锚 固工程失事案例发生在锚头或张拉段（自由段）近 端，从而易产生突发性破坏[1－2]。
为了解决当前在岩土工程中使用的锚固工程结 构存在的问题和不足，本文着重研究一种新型全长 黏结型预应力锚杆。其结构上由锚杆体、端锚部件、 注液口、固定套管和承载层组成（如图 1）。
因此，全长黏结性预应力锚杆所施加的压力如
果过大，不仅对承载层材料要求很高，而且在界面
抗剪切能力反而减小，因此，应尽量小于岩土体的
抗压强度。
岩体结构面表面粗糙轮廓线具有统计自仿射
分形特征，根据这一特征，国内外许多学者经过对
JRC 值标准轮廓线进行了分析研究，得出了 JRC 值和 分维值 D 的关系式[5－6]：
D值 1.000 5 1.001 7 1.002 8 1.004 0 1.004 4
JRC 值 10～12 12～14 14～16 16～18 18～20
D值 1.005 6 1.007 1 1.008 1 1.009 6 1.013 4
取一个波长的凹凸体为隔离体（见图 3(d)），假
设锚杆作用力 R 由左向右，凸凹面近似水平情况，
增刊 1
文志杰等：全长黏结型预应力锚杆受力特性研究
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表 1 Barton 标准轮廓线的 JRC 值和分维值 Table 1 JRC values and fractal dimension values
of Barton standard contours
JRC 值 0～2 2～4 4～6 6～8 8～10
1前言
目前，在岩土工程中通常使用的锚固结构主要 包括非预应力锚杆和预应力锚杆。非预应力锚杆一 般采用全长黏结型，常用有砂浆锚杆结构，但这种 全长黏结型锚杆一般不能施加预应力，安装后不能 及时或主动提供锚固力。预应力锚杆结构一般是由 锚固段、张拉段（自由段）和锚头组成，这种预应 力锚杆存在以下主要问题：①由于岩土持荷蠕变产 生明显预应力损失，若因承压结构基础屈服变形或 冲蚀坍塌等破坏，则其预应力损失更为显著；②张 拉段（自由段）存在防腐缺陷与困难；③预应力直
岩（土）体界面 ABC 或者岩体凹凸剪切面 BC 发生 剪切破坏，导致锚杆失效。下面针对这两种失效方
式进行具体分析。
锚杆失效前，结构面单元平衡，对其受力分析
如下：
∑X =0
⎧τ ⎪⎨τ
3 3
= τ1 cosαi + τ 2 = σ3 tanφb + c
cosαi
=
2τ
cosαi
⎪⎩τ = σ n tan[φb + JRC lg(JCS /σ n )]
(a) 砂岩
(b) 石灰岩图 2 来自壁形态图 Fig.2 Shapes of hole walls
岩体
砂岩 石灰岩
表 1 试验段孔壁起伏形态统计数据 Table 1 Statistic data about undulation
of hole wall in test section
测量段长度 最大起伏差 起伏差平均值 平均波长
178
岩土力学
2010 年
损失。
图 1 全长黏结型预应力锚杆的基本结构 Fig.1 The structure of fully grouted prestressed anchor
2 锚杆作用力产生机制
为研究加载锚杆与锚固岩（土）体界面相互作 用的机制，首先要建立比较合理的力学模型和数学 模型。由于锚固力经由锚固承载层传递至锚固岩 （土）体，因此，锚固承载层与锚固岩（土）体的 界面性质应重点研究。 2.1 锚固岩（土）体界面几何性质
（5）
为了便于计算，认为凸凹体角度αi = α ，解得 σ3 tanφb + c = 2 cosα tan[φb + JRC lg(JCS /σ n )] （6）
解得
σn =
J CS
arctan
λγ
H 2
tan φb cosα
+
C
−φb
=
f1(D,C,φb ,α )
10
J RC
（7）
对于已知条件， f1(D,C,φb ,α ) 为定值，设为 q， 则：
( Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China )
Abstract: Fully grouted prestressed anchor is a new kind of structural anchor. Few researches have been carried out on analysis of the influence of anchor shape of borehole wall on its carrying capacity. Rolling shape of anchor borehole wall structural plane has self-affine fractal feature; the relationship among structural plane shear strength, liquid injection pressure, tensile load and structural plane fractal dimension D is analysed in detail; the calculation and analysis methods are established respectively. Generally, the applied liquid injection pressure should be less than compression strength of anchoring surrounding rock mass, and tensile load would increase as fractal dimension D increases; the instability judgment criterion of anchoring bearing strata and rock structural plane is determined; the anchoring performance of fully grouted prestressed anchor is discussed. The analysis gives some help for the structure design, test and appliance to the anchor. Key words: fully grouted; dimensions; rock mass discontinuity; filling pressure; anchoring mechanism
隔离体处于极限平衡时：
τ 3 = σ 3 tanφbi + Cbi σ3 = λγ H
⎫ ⎬ ⎭
（4）
式中：φbi 为凹凸结构切割面内摩擦角（°）；Cbi 为 第 i 个凹凸体岩体内聚力（MPa）； λ 为侧压系数； H 为埋藏深度（m）； γ 为重度（N/m3）。
锚杆作用过程中，有可能在锚固承载层与锚固
τ = σ n tan[φb + JRC lg(JCS /σ n )]
（1）
式中：τ 为结构面抗剪强度（MPa）； JCS 为结构面 两侧岩体的抗压强度（MPa）； σ n 为作用在结构面 上的正应力（MPa）；φb 为岩体的内摩擦角（°）。
设锚固承载层的抗压强度为 JCS1 ，锚固岩（土） 体抗压强度为 JCS2 ，承载层与锚固岩（土）体构成 一个有机整体，其等效抗压强度为
/ mm 150 220
hmax / mm 0.876 0 1.290 6
ADEV / mm 0.576 7 0.752 6
/ mm 74.9 61.3
2.2 锚杆作用力产生机制 2.2.1 锚杆锚固能力分析
（1）锚固岩（土）体结构面抗剪强度确定 岩体结构面抗剪强度与结构面界面性质密切 相关，是表征结构面力学性质的重要指标之一。 Barton 和 Choubey 通过结构面抗剪强度测定模型试 验，提出了计算结构面抗剪强度的经验公式[5]：
第 31 卷增刊 1 2010 年 8 月
文章编号：1000－7598 (2010) 增刊 1－0177－05
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.31 Supp.1 Aug. 2010
全长黏结型预应力锚杆受力特性研究
文志杰，石永奎，崔增娣，王荣超
（山东科技大学 矿山灾害预防与控制重点试验室，山东 青岛 266510）
JCS = min(JCS1，JCS2 )
（2）
锚固承载层刚度较小，即 JCS1 = σ n < JCS2 时， JCS = σ n ， lg(JCS /σ n ) = 0 。
锚固承载层刚度较大，即 JCS1 = σ n > JCS2 时， JCS = JCS2 < σ n ， lg(JCS / σ n ) < 0 。
岩体节理表面轮廓线可以看做一条分形曲线， 这一点已得到许多学者的认同，并作了大量的研究 工作，得出节理表面轮廓线的随机自相似性是可能 存在的，完全可以用分形定量刻画节理粗糙性。学 者顾雷雨等曾经对锚杆孔壁做过专门研究[3－4]，通 过对锚杆孔壁进行摄像，验证出孔壁表面沿轴线上 下起伏类似振动波形。测量方法采用千分表和游标 卡尺系统。测试结果见图 2，两种岩体孔壁波形主 要特征的统计结果见表 1。
摘 要：全长黏结性预应力锚杆是一种结构和锚固机制新颖的全长锚固锚杆，已有的研究缺少锚杆孔壁形态对锚杆承载能力