岩土锚固工程的长期性能与安全评价.pdf

岩土锚固工程的长期性能与安全评价岩土锚固工程的长期性能与安全评价 中冶集团建筑研究总院程良奎中冶集团建筑研究总院程良奎 1、岩土锚固的长期性能、岩土锚固的长期性能 岩土锚固的长期性能是指工作两年 以上的岩土锚固工程的力学稳定性与化 学稳定性。 岩土锚固的长期性能是指工作两年 以上的岩土锚固工程的力学稳定性与化 学稳定性。 世界各国世界各国17项监测和检测岩土锚固 工程的长期性能见下表 项监测和检测岩土锚固 工程的长期性能见下表 所调查的工程实例类型和所属国家及地区所调查的工程实例类型和所属国家及地区 国家国家 阿尔及利亚、法国、南非、英国、 德国、美国、中国、瑞士、香港 阿尔及利亚、法国、南非、英国、 德国、美国、中国、瑞士、香港 工程类型工程类型 混凝土坝、挡土墙、边坡、高架 桥、钢板桩、地下工程、基坑、码头、 结构抗浮 混凝土坝、挡土墙、边坡、高架 桥、钢板桩、地下工程、基坑、码头、 结构抗浮 国内外国内外17项项锚固工程长期性能结果表明锚固工程长期性能结果表明 长期性能长期性能工程项目工程项目所占比重所占比重 良好良好741.2％％ 基本良好、局 部出现病害 基本良好、局 部出现病害 529.4％％ 恶化、出现严 重工程病害 恶化、出现严 重工程病害 529.4％％ 具有良好的长期性能的锚固工 程的基本条件 具有良好的长期性能的锚固工 程的基本条件 足够的设计安全度足够的设计安全度 全面有效的防腐措施全面有效的防腐措施 严格规范的锚杆（索）验收试验严格规范的锚杆（索）验收试验 锚杆承载力显著下降；锚杆承载力显著下降； 被锚固地层与结构物变形急剧发展；被锚固地层与结构物变形急剧发展； 筋体与锚具锈蚀，筋体截面减小乃至断裂等筋体与锚具锈蚀，筋体截面减小乃至断裂等 反之，则会引发长期性能恶化与工程危害反之，则会引发长期性能恶化与工程危害 世界上第一座采用锚固技术的重力坝 －阿尔及利亚舍尔法坝 世界上第一座采用锚固技术的重力坝 －阿尔及利亚舍尔法坝 1－锚杆，－锚杆，10MN；； 2－－1967年安装的锚杆，年安装的锚杆，2MN；； 3－排水孔－排水孔 该坝用该坝用10MN的预应力锚杆加固的预应力锚杆加固20年后， 锚杆预应力损失达 年后， 锚杆预应力损失达6％，％，30年后锚杆预应力又 损失 年后锚杆预应力又 损失3％，共计损失达％，共计损失达9％，后用％，后用20余根余根 2.0MN的锚杆至今，使用状况良好。的锚杆至今，使用状况良好。 南非某立交桥边坡南非某立交桥边坡 .使用使用2a后边坡位 移严重，测力计显示，锚杆荷载超过锁 定荷载的 后边坡位 移严重，测力计显示，锚杆荷载超过锁 定荷载的60％，将所有锚杆的工作荷载 降低到原设计值的 ％，将所有锚杆的工作荷载 降低到原设计值的30％，并重新安装了％，并重新安装了 150根锚杆，确保安全系数大于根锚杆，确保安全系数大于1.5，此后 又经历 ，此后 又经历11a，情况良好。，情况良好。 英国普利茅斯皇家造船厂核潜艇修理，兴建一 综合码头，需对原船坞墙加固，共需安装 英国普利茅斯皇家造船厂核潜艇修理，兴建一 综合码头，需对原船坞墙加固，共需安装 331 根根 包括原包括原 220 根）锚索。根）锚索。 对原对原 220 根在海水中工作根在海水中工作 22 年锚索进行了腐 蚀和极限承载能力的测试，局部锚杆的现有承载力 的仅为原有锚杆承载力的 年锚索进行了腐 蚀和极限承载能力的测试，局部锚杆的现有承载力 的仅为原有锚杆承载力的 39。临近锚头自由段 钢绞线出现了严重腐蚀。 。临近锚头自由段 钢绞线出现了严重腐蚀。 锚头钢绞线典型断面图以及腐蚀分级锚头钢绞线典型断面图以及腐蚀分级 英国泰晤士河某锚拉挡土墙工程英国泰晤士河某锚拉挡土墙工程 工作工作21a后，因锚杆断裂出现钢板桩倒塌。后，因锚杆断裂出现钢板桩倒塌。 国内西南某大型边坡因锚头的保护层 过薄出现了腐蚀 国内西南某大型边坡因锚头的保护层 过薄出现了腐蚀 锚头保护层龟裂锚头保护层龟裂 凿开后锚具及钢绞线的锈蚀凿开后锚具及钢绞线的锈蚀 锚索使用锚索使用 10 年后锚头防护油脂漏光年后锚头防护油脂漏光 出现工程病害的原因出现工程病害的原因 锚杆设计安全度不足，导致被锚固的结 构物变形急剧发展，而地层裂隙断开， 又为裂隙水的侵蚀提供了契机； 锚杆设计安全度不足，导致被锚固的结 构物变形急剧发展，而地层裂隙断开， 又为裂隙水的侵蚀提供了契机； 局部锚杆失效，使邻近锚杆超载而引发 大面积破坏； 局部锚杆失效，使邻近锚杆超载而引发 大面积破坏； 锚杆控制应力（锁定荷载）大于抗拉强 度标准值的 锚杆控制应力（锁定荷载）大于抗拉强 度标准值的60％，引发钢绞线应力腐 蚀； ％，引发钢绞线应力腐 蚀； 临近锚头的自由锻筋体裸露，封孔灌浆不 到位； 临近锚头的自由锻筋体裸露，封孔灌浆不 到位； 长期工作在海水或酸性水侵蚀环境中，且 锚杆自由段筋体无套管防护； 长期工作在海水或酸性水侵蚀环境中，且 锚杆自由段筋体无套管防护； 锚杆工作范围遭受杂散电流；锚杆工作范围遭受杂散电流； 锚头保护层厚度不足而开裂，大气水入渗 而腐蚀。 锚头保护层厚度不足而开裂，大气水入渗 而腐蚀。 2、提高岩土锚固性能的途径和方法、提高岩土锚固性能的途径和方法 （（1）锚杆设计应有足够的安全度）锚杆设计应有足够的安全度 安全系数；安全系数； 自由段长度（永久自由）；自由段长度（永久自由）； 传力结构与基底岩土体的承载力相适应；传力结构与基底岩土体的承载力相适应； 正确评价作用于结构物的极端荷载；正确评价作用于结构物的极端荷载； （（2）建立有效的锚杆（索）防护体系）建立有效的锚杆（索）防护体系 准确诊别工作环境的腐蚀程度准确诊别工作环境的腐蚀程度 双层防护双层防护 自由段永久自由，确保荷载传递给锚固自由段永久自由，确保荷载传递给锚固 段地层段地层 锁定后务必进行密封灌浆锁定后务必进行密封灌浆 钻头保护层厚不小于钻头保护层厚不小于5cm 采用环氧涂层钢绞线采用环氧涂层钢绞线 电绝缘性能测试锚杆防护体系质量电绝缘性能测试锚杆防护体系质量 电绝缘性能测定法用于测定锚杆防护 系统的完善性 电绝缘性能测定法用于测定锚杆防护 系统的完善性 （已收入瑞士和欧洲锚杆规范）（已收入瑞士和欧洲锚杆规范） 锚杆杆体与地层之 间的电阻值 锚杆杆体与地层之 间的电阻值 0.1RM Ι ≥Ω 锚头与承载板间的电阻锚头与承载板间的电阻100RM ΙΙ ≥Ω （（3）发展能改善力学与化学稳定性的锚固 结构 ）发展能改善力学与化学稳定性的锚固 结构 复杂岩或土层中的锚固复杂岩或土层中的锚固 推行剪应力分布均匀、蠕变变形小的 压力分散型锚杆 推行剪应力分布均匀、蠕变变形小的 压力分散型锚杆 在节理裂隙严重发育或溶蚀性岩层中工作在节理裂隙严重发育或溶蚀性岩层中工作 发展袋式挤压型锚杆发展袋式挤压型锚杆 在变异荷载条件下工作在变异荷载条件下工作 发展扩体型锚杆，以抑制附加位移发展扩体型锚杆，以抑制附加位移 在海水或强腐蚀性地层中工作在海水或强腐蚀性地层中工作 可考虑采用环氧涂层钢绞线、纤维增强 塑料等筋体材料 可考虑采用环氧涂层钢绞线、纤维增强 塑料等筋体材料 （（4）认真履行锚杆的验收试验）认真履行锚杆的验收试验 锚杆验收合格的条件锚杆验收合格的条件 验收试验荷载验收试验荷载 永久1.5N永久1.5NT T 临时1.2N临时1.2NT T 蠕变量蠕变量1～～10min≤1.0mm≤1.0mm 6～60min≤2.0mm6～60min≤2.0mm 弹性位移应满足要求弹性位移应满足要求 弹性位移应满足要求弹性位移应满足要求 （（5）建立完整的锚固工程长期监测与维 护管理体系 ）建立完整的锚固工程长期监测与维 护管理体系 对岩土锚固工程建立完整的锚杆长期性 能监测、检测系统，加强对岩土锚固工程的 维护管理与安全评价，切实掌握岩土锚固工 程整个生命周期内的安全工作状态。对少量 或个别安全度不足的锚杆，应及时采取有效 的处理措施。 对岩土锚固工程建立完整的锚杆长期性 能监测、检测系统，加强对岩土锚固工程的 维护管理与安全评价，切实掌握岩土锚固工 程整个生命周期内的安全工作状态。对少量 或个别安全度不足的锚杆，应及时采取有效 的处理措施。 3、建立岩土锚固工程的安全评估体系、建立岩土锚固工程的安全评估体系 （（1）安全评价模式）安全评价模式 岩土锚固工程安全评价 岩土锚固工程 危险性识别 岩土锚固工程 危险度评价 危险源识别（调查 观察检测） 1、新的危险源 2、危险源变化 计算风险率（评 定） 1、事故发生概率 2、后果严重 危险性控制（确认） 锚固工程病害的处治方 法与安全措施 1、消除危险 2、降低危险 安全指标（设 定） 公认的安全临 界指标 （（2）锚固工程危险源识别）锚固工程危险源识别 防排水设施的完好程度防排水设施的完好程度 腐蚀介质或杂散电流腐蚀介质或杂散电流 暴雨及临近处开挖、爆破暴雨及临近处开挖、爆破 地震可能引起的砂、土液化地震可能引起的砂、土液化 锚杆及周边处结构物是否有异常变形 迹象 锚杆及周边处结构物是否有异常变形 迹象 （（3）锚固长期性能的监测与检测）锚固长期性能的监测与检测 现有的锚杆极限承载力现有的锚杆极限承载力 锚杆初始预应力变化锚杆初始预应力变化 锚头位移及被锚固结构物的变位锚头位移及被锚固结构物的变位 腐蚀情况腐蚀情况 边坡锚杆锚头、坡面及坡体内的位移观测图边坡锚杆锚头、坡面及坡体内的位移观测图 1－锚杆；－锚杆；2－地中多点位移计；－地中多点位移计；3－多点位移计测点；－多点位移计测点； 4－光波测距仪；－光波测距仪；5－锚头位移测点；－锚头位移测点；6－水准测量测点－水准测量测点 边坡位移监测边坡位移监测 锚杆的拉力监测锚杆的拉力监测 丹东前阳工程测试仪器厂生产的锚杆拉力测力计丹东前阳工程测试仪器厂生产的锚杆拉力测力计 英国普利茅斯皇家造船厂核潜艇修理，兴 建一综合码头，需对原船坞墙加固，共需安 装 英国普利茅斯皇家造船厂核潜艇修理，兴 建一综合码头，需对原船坞墙加固，共需安 装 331 根根包括原包括原 220 根）锚索。根）锚索。 对原对原 220 根在海水中工作根在海水中工作 22 年锚索进行测 试 年锚索进行测 试 检查锚头上部、下部的腐蚀状况检查锚头上部、下部的腐蚀状况 确定钢绞线现有承载力的拉拔试验确定钢绞线现有承载力的拉拔试验 自由段长的循环加载试验自由段长的循环加载试验 对锚头上下钢绞线进行金相分析及环境 勘测 对锚头上下钢绞线进行金相分析及环境 勘测 安全评价结论安全评价结论 15 号船坞，目前各锚杆平均可接受的工作 荷载为 号船坞，目前各锚杆平均可接受的工作 荷载为 1243 kN 。。 14 号船坞各锚杆平均可接受的工作荷载为号船坞各锚杆平均可接受的工作荷载为 781 kN ，仅为原有承载力的，仅为原有承载力的 39 ，这是 由于钢绞线的机械损伤较为严重。 ，这是 由于钢绞线的机械损伤较为严重。 2 股钢绞线已不能工作。股钢绞线已不能工作。 自由段钢绞线使用了聚乙烯护套，其所受 腐蚀可忽略不计。 自由段钢绞线使用了聚乙烯护套，其所受 腐蚀可忽略不计。 裸露在海洋环境下工作裸露在海洋环境下工作 22 年的钢绞线，能 继续承受较大的但在下降的剩余荷载。 年的钢绞线，能 继续承受较大的但在下降的剩余荷载。 （（4）工程安全临界技术指标的建议）工程安全临界技术指标的建议 永久性岩土锚固工程安全临界技术指标（建议值）永久性岩土锚固工程安全临界技术指标（建议值） Tabel2 the safety critical index for permanent ground anchorages suggestion 项目项目安全指标安全指标 锚杆极限抗拔力锚杆极限抗拔力 降低率≤降低率≤10 锚杆初始预应力（锁定荷载）锚杆初始预应力（锁定荷载） 变化幅度≤ 变化幅度≤ 10 锚杆锚头或锚固结构的位移速 率与位移量 锚杆锚头或锚固结构的位移速 率与位移量 位移速率≤位移速率≤0.02mm/d 且趋于收敛且趋于收敛 锚杆的腐蚀状况锚杆的腐蚀状况 筋体锈蚀引起的筋体锈蚀引起的 横截面减少率≤横截面减少率≤10 （（5）岩土锚固工程病害处治）岩土锚固工程病害处治 一般性处治一般性处治 增设锚杆增设锚杆 完善或全新建立完整的长期性能监 测系统 完善或全新建立完整的长期性能监 测系统 谢谢谢谢