预应力锚索的长度与预应力值对其加固效果的影响_陈安敏

岩体模拟材料主要采用人工碎石(石灰岩)，最
大粒径 D 分别是 2，4，10 cm。试验材料分 2 种： (1) 纯粹碎石，称之为无粘结力材料；(2) 碎石 加少量黄土并洒上一定水分使碎石间有一定的粘结 力，称其为弱粘结力材料。有弱粘结力的碎石材料 抗压强度 Rc = 0.117 MPa，抗拉强度 Rt = 0.015 MPa， 粘聚力为 0.021 MPa，内摩擦角为 53°。
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2002)06-0848-05
1前 言
自然界中的岩体大多数是不完整的，往往被 大量的层理、节理甚至断层等不连续面切割成大小 不一的碎裂块体，即“块状岩体”，它是工程上常见 的一种岩体。因而开展预应力锚索对块状岩体的加 固效应研究更具有工程上的普遍意义[1～4]。本文 通过模型试验探讨了预应力锚索对块状岩体的加固 效果及其主要影响因素，重点分析了锚索长度及预 应力值大小对其加固效果的影响，为进一步分析预 锚加固机理和探讨设计方法提供依据。
曹金刚
(豫西地区黄河河务局 洛阳 471000)
摘 要 根据模型试验结果，重点分析了块状岩体中锚索长度及预应力值大小对其加固效果的影响，并给出了影响
范围及特征，为进一步分析预锚加固作用机理和探讨预锚加固设计方法提供了基础性依据。
关键词 块状岩体，预应力锚索长度，预应力值，加固效果，模型试验
分类号 TU 355+.9
是锚固区左、右两边倒锥角的平均值。无 量 纲 预 应
力σP /Rc 与β 的关系曲线如图 4 所示。从图中可以看 到β 值随预应力的增加略有增加，但增加速率不大， 说明锚固区范围随预应力的增大而有所增加。
图 3 锚索预应力与岩体塌落拱高度关系曲线 Fig.3 Prestress of anchor cable versus the depth of
•·第242•1·卷 第 6 期
陈安敏等. 预应力岩锚石索力的学长与度工与程预学应报力值对其加固效果的影响
2•008251年•
表 2 预应力大小对单根锚索加固效果的影响 Table 2 The impact of prestress value on the reinforcement effect with single anchor cable in blocky rockmass
垫墩尺寸 B/cm
σp Rc
锚固半径 R/cm
塌落拱跨度 W/cm
塌落体高度 H/cm
倒锥角 β /(°)
模型序号.
0.26
26.5
24.0×2
23.5
24.5
23#
5×5
0.41
18.0
15.5×2
17.3
33.0
20#
0.89
12.5
10.0×2
11.0
43.5
19#
0.08
20.8
15.8×2
预应力 大小
P/N
锚索 类型
10#
2
12#
2
13#
2
有
3
有
3
有
3
4
20
50
90
*
自由
4
20
20～50
90
200
自由
4
20
20～50
90
200
自由
14#
2
有
3
4
20
20～50
90
18#
2
有
1
1
50
50
90
19#
2
有
1
1
50
70
90
20#
2
有
1
1
50
70
90
21#
2
有
1
1
50
70
90
22#
2
有
1
1
50
70
从表中看到，无论是哪一种垫墩尺寸，锚固区 的底面半径和塌落体的高度都是随着预应力的增加 逐渐减小，而倒锥角却逐渐增大。这说明随着预应 力的增加，锚索周围岩体的塌落深度和半径都随之 减少。这是因为预应力的增加使锚索周围的岩体得 到了更大的加固和支撑作用，从而使锚固区周围的 岩层脱落深度减小，也造成锚固区的底面半径和塌 落体高度减小。
试验锚索用φ 6 mm 的钢筋，锚固段用摩阻片， 即在锚固段部位间隔 5 cm 放置 3 个 5 cm×5 cm、 厚度为 3 mm 的钢板，通过钢板与周围介质的相 互作用为模拟锚索提供拉拔阻力。锚索锚固段长 15 cm，自由段长不等，总长为 20～70 cm，外设垫 墩和测力环，通过测力环来施加和监测锚索预应 力。垫墩材料为 1∶0.65(石膏∶水)的石膏，垫 墩底部(正方形)边长分别为：4，5，10，15 cm，厚 度为 2～2.5 cm。
= 24°～47°，R = (0.6～2.4)B，H≈W。锚索的加固 效果与垫墩尺寸、锚索间距、锚索长度、预应力大 小及岩体块度等多种因素有关。本文仅介绍预应力 大小及锚索长度对锚索加固效果的影响。 3.2 预应力大小对锚固效果的影响
为研究预应力大小对加固效果的影响，做了 2 类试验：(1) 在同一块模型上对长度相等、间距相 同的不同锚索施加不等的预应力，观察其加固效果 的异同；(2) 在 9 块模型上进行，按垫墩尺寸不同 分为 3 组，每 3 块模型为 1 组，每 1 组中除锚索预 应力不同外，其他条件都相同。每块模型在正中心 仅设一根锚索，观察其加固效果。下面分别对这 2 类试验进行描述和分析。
(1) 在间距相等、长度相同的同一类介质中安 装的锚索，当锚索预应力不同时(5#～8# 锚索 P0 依 次为：171，220，84 和 40 N)，形成的塌落拱高度 不同。锚索预应力较小的塌落拱高度较大，如图 2。
图 1 锚固区典型特征 Fig.1 Typical characteristics of anchored part in rockmass
为了使试验成果便于在工程中应用，将上述关 系用无量纲形式表示在坐标图上，见图 6～8。由图 可见：锚固区半径和塌落体高度随预应力的增加而
图 5 不同预应力下岩体塌落状态 Fig.5 The collapsed shape of rockmass under various presress of anchor cable
图 2 10# 模型岩体塌落状态 Fig.2 Shape of collapsed blocky rockmass of model 10#
•• 285•0 •
岩石力学与工程学报
2002 年
如果取塌落拱两边的锚索预应力平均值作为锚索预 应力 P0，则塌落拱相对高度与锚索预应力值之间的 对应关系为：P0 = 62，152，196 N；H/W = 0.83， 0.42，0.46。二者的无量纲关系见图 3。
自由
垫墩尺寸 B / cm
4×4 4×4 4×4 4×4 15×15 5×5 5×5 10×10 15×15 5×5 10×10 10×10 15×15
垫墩 材料
石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏 石膏
3 试验成果与分析
3.1 预应力锚索对块状岩体的加固效果概述 大量的模型试验结果表明：在块状岩体内设置
2 试验概况
试验中不计岩体材料变形的时间效应，同时也 不考虑锚索结构细部构造的影响，如锚固段的细部 构造、钢绞线成股扭转等因素的影响。
试验所需主要设备有模型箱、旋转支架、起吊 装置以及加载测量工具等。模型箱是一个上面开 口的长方体箱子，内部净尺寸与模型大小相同，长 100 cm，高 70 cm，上底宽 60 cm，下底宽 70 cm。 旋转支架用来支撑模型和箱体的重量，并且能使箱 体旋转任意角度，操作简便、安全，满足试验要求。
90
23#
2
有
1
1
50
70
90
24#
2
有
1
1
50
70
90
25#
2
有
1
1
50
70
90
26#
2
有
1
1
50
70
90
注：(1) * 表示该参数为待观测的参数；(2) 模型尺寸为 100 cm×70 cm×30 cm。
200
自由
250
自由
260
自由
120
自由
345
自由
340
自由
75
自由
230
自由
90
自由
435
第 21 卷 第 6 期 2002 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
21(6)：848～852 June，2002
预应力锚索的长度与预应力值 对其加固效果的影响
陈安敏 顾金才 沈 俊
(总参工程兵科研三所 洛阳 471023)
in rockmass and prestress value of anchor cable
一定数量的锚索后，岩体不会产生整体塌落，塌落 部位只在锚索与锚索之间的空隙部分或者在离锚索 体较远的部位，而在锚索周围形成一个倒喇叭口形 的锚固区。在锚固区内的岩石均不发生塌落，锚索 在岩体表面起支撑点的作用，锚固区的典型特征如 图 1 所示。图中β 为倒锥角；W 为塌落拱跨度(亦即 锚索净间距)；H 为塌落拱高度；R 为锚固区半径； 而 L，L0，L1 和 L2 分别为锚索的总长、锚固段长、 自由段长和锚头长。试验表明，在本试验条件下β
2•080429年•
表 1 块状岩体锚固效应试验模型
Table 1 Models for reinforcement effect tests in blocky rockmass