锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探

【摘要】：锚杆(索)是一种应用广泛的岩土体工程加固措施。上世纪60年代以来,我国在各类岩土工程中使用了大量锚杆,70年代以后使用了许多锚索,90年代以来使用了更多的土钉,其总数当以亿记。在举世瞩目的长江三峡水利工程中,为保证永久船闸高边坡的稳定性,共安装了4204束预应力锚索对边坡岩体进行加固。这些锚固结构的技术先进性和经济性无人怀疑,但问题是其使用寿命究竟有多长?事实上,由于锚杆(索)工作环境中存在侵蚀性介质、杂散电流及双金属作用,因此在这样的工作环境和长期使用条件下会逐渐老化、损伤甚至破坏,再加上自身防护系统不完善等内在因素,导致了锚杆(索)耐久性不足的现象时有发生,世界各地均发生过由于耐久性不足而导致锚固失效的工程实例。恶劣的地下腐蚀环境和锚固结构较强的隐蔽性对岩土预应力锚杆(索)的耐久性提出了更加严格的要求,耐久性是锚固工程安全度的一项重要指标。 统计资料表明,锈蚀是导致锚固结构耐久性不足的主要原因,它对锚固体承载力的影响表现为横向和纵向两个方面,横向影响表现为砂浆保护层的锈胀开裂;纵向影响表现为锚杆与砂浆的粘结性能的下降。本文主要从这两个方面着手,以理论研究、结构试验和数值分析为主要研究手段,对锈蚀锚固体的力学性能进行了研究,并在此基础上提出了锈蚀锚固体的耐久性评估方法。本文主要开展了以下研究工作: 1)本文建立了更加符合工程实际情况的锚杆不均匀锈蚀的动态轮廓线模型,由此模型得到锚杆表面任意一点的虚拟锈胀位移。将得到的锈胀位移作用到锚杆孔洞边缘,通过调节锈胀位移公式中的锈层厚度系数来进行砂浆保护层的锈胀开裂过程的数值模拟,并给出了锚杆临界锈蚀量的预测公式。通过此方法预测结果与试验结果的比较,证明是合理可行的。并通过算例比较了锈蚀量相等的条件下,锚杆均匀锈蚀和不均匀锈蚀的差异,结果表明,杆体不均匀锈蚀对砂浆保护层的破坏作用更为严重,提出了均匀锈蚀假设应慎用的观点。 2)建立锈蚀锚固体的弹性空间解析模型,研究了锚固体在锚固力,围压和锈胀力作用下的三维应力场,给出了锚固体空间问题各应力分量的解析解答。该模型的适用条件为砂浆保护层锈蚀胀裂前,锚固体材料的受力均处于弹性阶段,并且在锚固长度上全长粘结有效。通过算例分析表明:①锚杆轴向应力的分布呈指数衰减函数的形式;②在任意锚长平面上,砂浆保护层内的径向应力均由拉应力过渡为压应力,近锚杆边砂浆内的径向拉应力最大;③整个锚固长度上,锚固端砂浆内的环向压应力最大,而在任意锚长平面上,近锚杆边砂浆内的环向压应力最大;④锚杆与砂浆间的剪应力呈线性分布。大部分锚杆表面的剪应力为负,与锚固力方向相反,并且锚固端的剪应力最大。剪应力在由负号过渡到正号时,