边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究
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[4－ 5]
2
预应力锚固系统的失效机制分析
2.1 工程概况 济南绕城高速公路南线工程 K23+990～K24+ 180 段路堑边坡位于济南市南部山区，山体海拔高 度在 460 m 以上，最大开挖深度达 80 多米。为保 证边坡的稳定性，采用了 30～45 m 预应力锚索、 抗滑桩、系统锚杆和挂网喷浆等技术措施予以加固
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岩
土
力
学
2010 年
区” 。 在锚垫板下方有水泥浆或砂浆保护， 此段初始 5～10 cm 范围内，仍有较为严重的腐蚀现象存在， 而其余部位未有显著腐蚀现象发生，出现了间隔性 的“ 无腐蚀区”，其后油脂、波纹管保护段为“轻微腐 蚀区”。 2.2.4 预应力锚固系统的失效机制分析 由以上监测数据可知，锚索的轴力呈现出一定 范围的交变过程，容易引起疲劳破坏。其原因一般 认为是材料内部（金属内部组织的不同）或有外部 缺陷（表面缺陷、刀痕、锈蚀等）点产生应力集中， 使其产生裂纹，疲劳破坏时的强度随应力变化的幅 度（ ）和循环次数而变[9]。 岩土预应力锚固系统的杆体材料多为金属材 料，它虽然具有强度高、刚度大等特点，但易生锈 腐蚀是其一个致命的缺陷 [10
－ 11]
的扩散效应，会对周围围岩产生推挤作用，造成邻 近锚索拉力增大。
卸载锚 墩(0#)
图 5 现场锚索布置图 Fig.5 Photo of cables arrangement on site
。因锚索长期处于
1# 15.2 m 0# 7.2 m 2
#
潮湿或存在腐蚀介质的环境中及高拉应力状态下， 对腐蚀十分敏感，易产生应力腐蚀。应力腐蚀表现 为杆体材料在腐蚀介质和拉应力共同作用下产生较 大的断面损失，致使杆体材料应力水平增大和局部 应力集中，可能在无任何先兆的情况下导致杆体材 料断裂破坏。 另外，锚索失效数量与边坡稳定性的相关性， 关系到边坡补锚加固的合理时机，有必要对预应力 锚索在边坡加固中的单锚及群锚失效效应进行深入 研究，为边坡后期加固处理提供科学的决策标准。
3:36 7:12 10:48 14:24 18:00 21:36 1:12 时间/h
对现场卸载剥露的 2 根预应力锚索(已使用 51 个月) 的实际腐蚀情况分析后，具有如下特点： ①经检测，锚头部位局部腐蚀坑最深处为 1.26 mm，平均腐蚀速率为 0.28 mm/a，单位长度腐蚀量 为 0.26 g/cm，占单位长度总质量的 17 %，腐蚀坑 最浅处也有 0.26 mm。
620
锚索拉力/kN
图 3 雨季期间锚索预应力的变化规律 Fig.3 Prestress variation of cables during rain season
600 580 560 5m 0:00
2.2.3 环境腐蚀作用的影响 预应力锚索长期埋置于潮湿的地层环境中，并 持续承受高拉应力作用，环境腐蚀作用不可忽视。
锚索预应力值/kN
ML7 ML5
650 600 550 500 450 400 2005-7-7 2005-9-25 2005-12-14 2006-3-4 2006-5-23 监测日期/年-月-日
图2 季节温度变化对锚索拉力值的影响 Fig.2 Prestress variation of cables in one year
图 6 预应力锚索现场卸荷试验 Fig.6 Unloading test of prestressed cable on site
3.2 监测数据分析 由表 1 可知，2#锚索的拉力值增长较大，增幅 达到 12.3 %，但 1#锚索的反应并不显著，这与其所 处的地质条件及锚索间距有一定关系。2#锚索处于 主滑坡区域中，承担的下滑力较大。并且表明，锚 墩间距对群锚效应具有显著影响，拉力增量与间距 呈非线性关系。另一方面，锚索失效后，在一段时 间内坡体内部应力将处于动态调整过程中，周围锚 索拉力也在不断变化，变化幅度如表 2 所列。这表 明，单锚失效后，周围锚索瞬间拉力增量最大，但 随着时间的延长，坡体内部达到新的力学平衡状 态，拉力值逐渐降低。
900 850 800 750 700 650 600 550 500 2002-4-4 2002-5-24 2002-7-13 2002-9-1 2002-10-21 观测日期/年-月-日 ML2 ML3 ML4 ML5 ML7 ML8
（1）昼夜温度的影响 随机选取锚索进行了现场实测，测试时环境温 度昼夜温差 5～6 ℃，12：00 左右温度最高，24：00 左右温度最低。图 1 表明，锚索拉力值的变化规律 与温度变化是相符合的，表现为先增大后减小，变 化幅度约为 24 kN，占锚索应力值的 4.2 %，表现出 一种较小幅度的循环加载特征。
Research on failure mechanism and effects of prestressed anchor cables for reinforcing slopes
LI Ying-yong1, 2，ZHANG Ding-li1，ZHANG Hong-bo3，SONG Xiu-guang3
（1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Highway Bureau of Shandong Provincial Department of Communications, Jinan 250002, China;3. School of Civil and Hydraulic Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China）
Abstract: Although prestressed anchor cables have been used to reinforce slopes widely, they can happen to fail at some time because they have bear high-tension stress in moist environment and been influenced greatly by many external factors. In order to make sure of failure effects of anchorage system well, failure mechanisms are put forward firstly according to monitor data of an actual slope engineering. Then, unloading test of a cable at site was performed to get the influence on tension-force of neighboring cables. By adopting the numerical simulation, the influence on anchorage force of neighboring cables and stability of slope because of cable failure is analyzed in detail. Finally, failure criterion for part slope is put forward. Key words: prestressed anchor cables; failure mechanism; failure effects; failure criterion
收稿日期：2008-06-05 第一作者简介：李英勇，男，1970 年生，研究员，主要从事公路路基边坡稳定和预应力加固系统耐久性方面的研究。E-mail: leeyyong@163.com
第1期
李英勇等：边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究
ML3 750 700
锚索拉应力值/kN
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处理。为了确保工程施工和运行的安全，现场布设 了锚索测力计监测锚索预应力的长期变化规律。 2.2 预应力锚固系统长期稳定性的影响因素分析 预应力锚索的耐久性，包括锚索的疲劳强度及 锚索防蚀保护，关系到工程的长期稳定性，应满足 设计期限的工作要求和安全度[5]。因此，在工程应 用中，应将预应力锚索的长期稳定性作为一项重要 内容进行考虑。 2.2.1 环境温度对锚索锚固力的影响 岩石及坡体内注进的水泥砂浆都是热导体，具 有热胀性，当温度升高时，组成岩石的颗粒及混凝 土体积都会产生膨胀，引起预应力的增加[7]。
1
引
言wk.baidu.com
据和为前置性处理边坡地质灾害提供理论参考。 本文结合实体工程，根据锚索预应力长期监测 数据及锚索腐蚀的现场试验情况，对预应力锚固系 统稳定性的影响因素进行了较为全面的分析，分析 了锚索失效机制，同时基于现场试验及数值模拟， 对锚索的失效效应进行深入地分析研究。
预应力锚固技术具有对岩土体扰动小、施工 快、安全、经济等优点，在边坡加固工程中得到广 － 泛应用，并取得了显著的经济和社会效益[1 3]，其 中预应力锚索锚固力大，可长距离穿越岩土体，已 成为大型工程预应力锚固技术的首选。预应力锚索 施加张拉力后将长期埋置于潮湿的岩层或土体中， 并持续承受高拉应力作用，其使用寿命将取决于锚 索的耐久性 。在工程实践中，锚固边坡失稳的 [5－ 6] 事故时有发生 。预应力锚索失效后，将无法保 证边坡的稳定性和安全性，因此有必要对岩土预应 力锚固系统稳定性的影响因素及失效效应进行研 究，为边坡的设计、施工和养护工作提供科学的依
严重腐蚀区 锚垫板 锚具 无腐蚀区 轻微腐蚀区
图 1 锚索预应力昼夜变化 Fig.1 Prestress variation of cables in 24 h
（2）季节温度的影响 如图 2 所示，锚索拉力随季节的不同而有较大 幅度的变化，自 2005 年 7 月至 2006 年 5 月，季节 温差约为 35～40 ℃，锚索应力值呈现出明显的周 期变化规律，在冬季预应力值较低，而在夏季预应 力值较高，其中 ML3 和 ML5 变化幅度约 40 kN， ML7 变化幅度约 70 kN。 2.2.2 降雨的影响 如图 3 所示，二级坡上的 ML2、ML3 及一级 坡上的 ML7 都处于滑带中心位置，降雨前后锚索 拉力值增量约为 60～100 kN，最大增幅为 18.2 %， 其余几个监测点的锚索拉力值的增量都介于 30～ 50 kN。 这种由于降雨而产生的预应力波动变化频率 较低， 一般每年 3～8 次， 表现出一种较大幅度的循 环加载特征 。
第 31 卷第 1 期 2010 年 1 月
文章编号： 1000－7598 (2010) 01－0144－08
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.31 No. 1 Jan. 2010
边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究
李英勇 1, 2，张顶立 1，张宏博 3，宋修广 3
（1. 北京交通大学 土建学院，北京 100044；2. 山东省交通厅公路局，济南 250002；3. 山东大学 土建与水利学院，济南 250061）
摘 要：预应力锚索已广泛应用于边坡加固工程中，由于其承受高拉应力作用，并长期埋置于潮湿的岩土环境中，在综合因 素的作用下存在失效的可能性。 结合实体工程中的大量监测数据， 对预应力锚固系统长期稳定性的影响因素进行了深入分析， 提出了预应力锚固系统的失效机制；为了分析锚索失效效应，确定合理的处理时机，分别进行了现场卸载试验及数值模拟， 研究了单锚及群锚失效效应，提出了边坡局部失稳的判据，其结果可为类似工程提供借鉴。 关 键 词：预应力锚固系统；失效机制；失效效应；失稳判据 中图分类号：TU 443 文献标识码：A
[8]
油脂、波纹管及 无防护 砂浆防护 砂浆防护
图 4 锚索腐蚀的“三段式”表现 Fig.4 Three different corrosion forms along cable
②现场检测表明，索体在腐蚀介质作用下，由 于沿轴向存在不同的防护措施，一般将发生“ 三段 式”的腐蚀现象（图 4） ，即从锚头至锚垫板下无任 何防护措施的一段距离内腐蚀量最大， 为“严重腐蚀
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预应力锚固系统的失效机制分析
2.1 工程概况 济南绕城高速公路南线工程 K23+990～K24+ 180 段路堑边坡位于济南市南部山区，山体海拔高 度在 460 m 以上，最大开挖深度达 80 多米。为保 证边坡的稳定性，采用了 30～45 m 预应力锚索、 抗滑桩、系统锚杆和挂网喷浆等技术措施予以加固
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岩
土
力
学
2010 年
区” 。 在锚垫板下方有水泥浆或砂浆保护， 此段初始 5～10 cm 范围内，仍有较为严重的腐蚀现象存在， 而其余部位未有显著腐蚀现象发生，出现了间隔性 的“ 无腐蚀区”，其后油脂、波纹管保护段为“轻微腐 蚀区”。 2.2.4 预应力锚固系统的失效机制分析 由以上监测数据可知，锚索的轴力呈现出一定 范围的交变过程，容易引起疲劳破坏。其原因一般 认为是材料内部（金属内部组织的不同）或有外部 缺陷（表面缺陷、刀痕、锈蚀等）点产生应力集中， 使其产生裂纹，疲劳破坏时的强度随应力变化的幅 度（ ）和循环次数而变[9]。 岩土预应力锚固系统的杆体材料多为金属材 料，它虽然具有强度高、刚度大等特点，但易生锈 腐蚀是其一个致命的缺陷 [10
－ 11]
的扩散效应，会对周围围岩产生推挤作用，造成邻 近锚索拉力增大。
卸载锚 墩(0#)
图 5 现场锚索布置图 Fig.5 Photo of cables arrangement on site
。因锚索长期处于
1# 15.2 m 0# 7.2 m 2
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潮湿或存在腐蚀介质的环境中及高拉应力状态下， 对腐蚀十分敏感，易产生应力腐蚀。应力腐蚀表现 为杆体材料在腐蚀介质和拉应力共同作用下产生较 大的断面损失，致使杆体材料应力水平增大和局部 应力集中，可能在无任何先兆的情况下导致杆体材 料断裂破坏。 另外，锚索失效数量与边坡稳定性的相关性， 关系到边坡补锚加固的合理时机，有必要对预应力 锚索在边坡加固中的单锚及群锚失效效应进行深入 研究，为边坡后期加固处理提供科学的决策标准。
3:36 7:12 10:48 14:24 18:00 21:36 1:12 时间/h
对现场卸载剥露的 2 根预应力锚索(已使用 51 个月) 的实际腐蚀情况分析后，具有如下特点： ①经检测，锚头部位局部腐蚀坑最深处为 1.26 mm，平均腐蚀速率为 0.28 mm/a，单位长度腐蚀量 为 0.26 g/cm，占单位长度总质量的 17 %，腐蚀坑 最浅处也有 0.26 mm。
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锚索拉力/kN
图 3 雨季期间锚索预应力的变化规律 Fig.3 Prestress variation of cables during rain season
600 580 560 5m 0:00
2.2.3 环境腐蚀作用的影响 预应力锚索长期埋置于潮湿的地层环境中，并 持续承受高拉应力作用，环境腐蚀作用不可忽视。
锚索预应力值/kN
ML7 ML5
650 600 550 500 450 400 2005-7-7 2005-9-25 2005-12-14 2006-3-4 2006-5-23 监测日期/年-月-日
图2 季节温度变化对锚索拉力值的影响 Fig.2 Prestress variation of cables in one year
图 6 预应力锚索现场卸荷试验 Fig.6 Unloading test of prestressed cable on site
3.2 监测数据分析 由表 1 可知，2#锚索的拉力值增长较大，增幅 达到 12.3 %，但 1#锚索的反应并不显著，这与其所 处的地质条件及锚索间距有一定关系。2#锚索处于 主滑坡区域中，承担的下滑力较大。并且表明，锚 墩间距对群锚效应具有显著影响，拉力增量与间距 呈非线性关系。另一方面，锚索失效后，在一段时 间内坡体内部应力将处于动态调整过程中，周围锚 索拉力也在不断变化，变化幅度如表 2 所列。这表 明，单锚失效后，周围锚索瞬间拉力增量最大，但 随着时间的延长，坡体内部达到新的力学平衡状 态，拉力值逐渐降低。
900 850 800 750 700 650 600 550 500 2002-4-4 2002-5-24 2002-7-13 2002-9-1 2002-10-21 观测日期/年-月-日 ML2 ML3 ML4 ML5 ML7 ML8
（1）昼夜温度的影响 随机选取锚索进行了现场实测，测试时环境温 度昼夜温差 5～6 ℃，12：00 左右温度最高，24：00 左右温度最低。图 1 表明，锚索拉力值的变化规律 与温度变化是相符合的，表现为先增大后减小，变 化幅度约为 24 kN，占锚索应力值的 4.2 %，表现出 一种较小幅度的循环加载特征。
Research on failure mechanism and effects of prestressed anchor cables for reinforcing slopes
LI Ying-yong1, 2，ZHANG Ding-li1，ZHANG Hong-bo3，SONG Xiu-guang3
（1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Highway Bureau of Shandong Provincial Department of Communications, Jinan 250002, China;3. School of Civil and Hydraulic Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China）
Abstract: Although prestressed anchor cables have been used to reinforce slopes widely, they can happen to fail at some time because they have bear high-tension stress in moist environment and been influenced greatly by many external factors. In order to make sure of failure effects of anchorage system well, failure mechanisms are put forward firstly according to monitor data of an actual slope engineering. Then, unloading test of a cable at site was performed to get the influence on tension-force of neighboring cables. By adopting the numerical simulation, the influence on anchorage force of neighboring cables and stability of slope because of cable failure is analyzed in detail. Finally, failure criterion for part slope is put forward. Key words: prestressed anchor cables; failure mechanism; failure effects; failure criterion
收稿日期：2008-06-05 第一作者简介：李英勇，男，1970 年生，研究员，主要从事公路路基边坡稳定和预应力加固系统耐久性方面的研究。E-mail: leeyyong@163.com
第1期
李英勇等：边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究
ML3 750 700
锚索拉应力值/kN
145
处理。为了确保工程施工和运行的安全，现场布设 了锚索测力计监测锚索预应力的长期变化规律。 2.2 预应力锚固系统长期稳定性的影响因素分析 预应力锚索的耐久性，包括锚索的疲劳强度及 锚索防蚀保护，关系到工程的长期稳定性，应满足 设计期限的工作要求和安全度[5]。因此，在工程应 用中，应将预应力锚索的长期稳定性作为一项重要 内容进行考虑。 2.2.1 环境温度对锚索锚固力的影响 岩石及坡体内注进的水泥砂浆都是热导体，具 有热胀性，当温度升高时，组成岩石的颗粒及混凝 土体积都会产生膨胀，引起预应力的增加[7]。
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言wk.baidu.com
据和为前置性处理边坡地质灾害提供理论参考。 本文结合实体工程，根据锚索预应力长期监测 数据及锚索腐蚀的现场试验情况，对预应力锚固系 统稳定性的影响因素进行了较为全面的分析，分析 了锚索失效机制，同时基于现场试验及数值模拟， 对锚索的失效效应进行深入地分析研究。
预应力锚固技术具有对岩土体扰动小、施工 快、安全、经济等优点，在边坡加固工程中得到广 － 泛应用，并取得了显著的经济和社会效益[1 3]，其 中预应力锚索锚固力大，可长距离穿越岩土体，已 成为大型工程预应力锚固技术的首选。预应力锚索 施加张拉力后将长期埋置于潮湿的岩层或土体中， 并持续承受高拉应力作用，其使用寿命将取决于锚 索的耐久性 。在工程实践中，锚固边坡失稳的 [5－ 6] 事故时有发生 。预应力锚索失效后，将无法保 证边坡的稳定性和安全性，因此有必要对岩土预应 力锚固系统稳定性的影响因素及失效效应进行研 究，为边坡的设计、施工和养护工作提供科学的依
严重腐蚀区 锚垫板 锚具 无腐蚀区 轻微腐蚀区
图 1 锚索预应力昼夜变化 Fig.1 Prestress variation of cables in 24 h
（2）季节温度的影响 如图 2 所示，锚索拉力随季节的不同而有较大 幅度的变化，自 2005 年 7 月至 2006 年 5 月，季节 温差约为 35～40 ℃，锚索应力值呈现出明显的周 期变化规律，在冬季预应力值较低，而在夏季预应 力值较高，其中 ML3 和 ML5 变化幅度约 40 kN， ML7 变化幅度约 70 kN。 2.2.2 降雨的影响 如图 3 所示，二级坡上的 ML2、ML3 及一级 坡上的 ML7 都处于滑带中心位置，降雨前后锚索 拉力值增量约为 60～100 kN，最大增幅为 18.2 %， 其余几个监测点的锚索拉力值的增量都介于 30～ 50 kN。 这种由于降雨而产生的预应力波动变化频率 较低， 一般每年 3～8 次， 表现出一种较大幅度的循 环加载特征 。
第 31 卷第 1 期 2010 年 1 月
文章编号： 1000－7598 (2010) 01－0144－08
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.31 No. 1 Jan. 2010
边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究
李英勇 1, 2，张顶立 1，张宏博 3，宋修广 3
（1. 北京交通大学 土建学院，北京 100044；2. 山东省交通厅公路局，济南 250002；3. 山东大学 土建与水利学院，济南 250061）
摘 要：预应力锚索已广泛应用于边坡加固工程中，由于其承受高拉应力作用，并长期埋置于潮湿的岩土环境中，在综合因 素的作用下存在失效的可能性。 结合实体工程中的大量监测数据， 对预应力锚固系统长期稳定性的影响因素进行了深入分析， 提出了预应力锚固系统的失效机制；为了分析锚索失效效应，确定合理的处理时机，分别进行了现场卸载试验及数值模拟， 研究了单锚及群锚失效效应，提出了边坡局部失稳的判据，其结果可为类似工程提供借鉴。 关 键 词：预应力锚固系统；失效机制；失效效应；失稳判据 中图分类号：TU 443 文献标识码：A
[8]
油脂、波纹管及 无防护 砂浆防护 砂浆防护
图 4 锚索腐蚀的“三段式”表现 Fig.4 Three different corrosion forms along cable
②现场检测表明，索体在腐蚀介质作用下，由 于沿轴向存在不同的防护措施，一般将发生“ 三段 式”的腐蚀现象（图 4） ，即从锚头至锚垫板下无任 何防护措施的一段距离内腐蚀量最大， 为“严重腐蚀