冻融循环影响下边坡锚固结构的受力分析

毕全超++王学蕾++董捷

摘要：为探究冻融循环对边坡锚固结构受力的影响，本文对现有分析方法进行了分类汇总，结果表明：冻融循环对边坡锚固结构具有较大的危害，但相关研究方法并不多见，由于制约因素繁多且相互关联导致评价体系尚未形成。现在亟需建立完整的岩体锚固系统概念和整体评价机制，因为这样可以充分发挥锚固系统中各有利要素的长处，削弱不利要素的危害，以使系统达到最佳工作状态。

关键词：冻融循环；边坡；锚固结构；受力分析

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

Abstract： In order to find out the effect of freeze-thaw cycle on the stress of the anchoring structure of slope， the existing analysis methods are classified and summarized， the results show： The Cycle of Freezing and Thawing has great harm to the anchoring structure of slope， but the relevant research literature is rare， the evaluation system has not been formed because of the restrictive factors and interrelated factors. now it is urgent to establish a complete concept and overall evaluation mechanism of rock anchorage system， because it can give full play to the advantage of the advantages of the anchoring system， weaken the harmful elements of harm， so that the system to achieve the best working condition.

Keywords： freeze-thaw cycles； slope； anchoring structure； stress analysis

0 前言

錨固技术通过锚杆（索）对岩土体进行加固，能提高岩土体自身稳定性，被广泛应用于加固工程中。从理论上讲，力的传递方式均由锚杆传递到注浆体，再由注浆体传递到岩土体。因此，锚杆体和注浆体之间的黏结作用、注浆体和岩土体间的黏结作用是决定锚固系统极限承载力的主要因素，一旦黏结作用失效，整个锚固系统就会被破坏。

在寒冷地区，影响锚固工程耐久性的因素较多，一个不容忽视的因素就是冻融循环。外界温度周期性正负交替，支护工程体系的材料性能经过周期性冻融循环作用后可能劣化，发生锚杆（索）松弛和灌注砂浆损伤的情况，多种因素耦合作用会造成锚固体承载能力降低，从而诱发滑坡崩塌等地质灾害。

1 锚杆的轴力分析

杨双锁等[1]提出了锚固体第1、第2临界变形的概念并且揭示了锚杆轴向锚固力随锚固体变形而变化的三阶段特征--锚固力强化变形阶段、锚固力保持恒定变形阶段及锚固力弱化变形阶段，并且详细介绍了三种锚固力随变形量变化规律的特点。雒亿平等[2]运用FLAC3D对锚固体整体进行了系统的数值模拟研究，证实了上述结论，虽说法不同，但是其本质是相同的。谢代兴等[3]结合实际工程，推导出斜拉状态下不同角度的岩体锚件轴向拔力的基本式并采用预设参数的方法进行基本式的验算和模拟斜拉状态下岩体锚件的抗拔试验。

当锚固段采用压力注浆时可以显著提高锚固体界面的黏结强度，促使锚杆的极限抗拔力不断增加；增大锚固长度在一定范围内也可以提高其极限抗拔力，但超过极限锚固长度时，锚杆的抗拔承载力并不能提高。锚杆杆体过长是不必要，反而会对工程费用、施锚时机、施工效率和整体锚固工程带来很多负面影响。除了增加锚固长度外，采用图1中所示的单孔复合锚固法（a）、后高压注浆锚固法（b）、扩体扩头锚固法（c）也能提高软弱或复杂岩土层中锚杆的抗拔力，同时还可增大锚固体周边岩土体的抗剪强度，提高边坡整体稳定性[4]。

2 锚杆-砂浆界面的剪应力分析

微观的皱曲存在于锚杆体表面，它对锚固力起着十分重要的作用。在锚杆体与注浆材料之间，黏结力是传递力的主要方式，但是如果继续加大拉拔力，锚杆体与注浆材料之间必将产生位移从而破坏了黏结力，两者间力传递的主要形式为摩阻力[5-6]。

S.H.E.Phillips[7]假设锚固段的剪应力按指数分布。张季如等[8]假设界面剪应力和剪切位移呈线性增加关系，采用局部变形理论建立了锚杆荷载传递双曲函数模型。曹国金等[9]以Mindlin问题位移解为基础推导出拉力型锚杆受力的弹性解。张健超等[10]基于Kelvin位移解推导出锚固段剪应力和轴向应力分布的理论解。

上述研究表明最大剪应力都处于张拉端，但很多试验研究成果[11-14]表明剪应力分布不是一成不变的，它随着拉拔力的增大而逐渐变化。当拉拔力较小--锚固界面处于弹性黏结状态时，锚杆-灌浆材料界面的剪应力在端部最大，且向里逐渐减小，其形状大致按双曲函数或指数函数分布；随着拉拔力的继续增加，锚杆-灌浆材料界面的剪应力在端部减小且它的最大值向下部移动，处于中间大、两端小的分布状态。当拉拔力继续增大，锚固体的端部界面发生破坏，端部界面的力主要是锚杆与灌浆材料之间的摩阻力，界面的剪应力最大值继续向深处传递为锚固体稳定提供所需的抗拔力。随着拉拔力的再次增大，锚杆-灌浆材料界面处最大剪应力仍向锚固体深处传递，直至锚杆-灌浆材料界面全部被破坏。

N.K.Kim等[15]和F.F.Ren等[16]分别假设锚固界面剪应力与剪切位移呈理想弹塑性和三段线性关系，采用张季如和唐保付[8]的分析方法获得了弹性、弹塑性以及塑性工作状态下锚杆锚固段的剪应力及轴力的解析解，由于他们所采用假设的局限性，不能很好地考虑到锚杆锚固段荷载传递的全历程中錨固界面剪应力与剪切位移关系的非线性特性。

考虑到锚固界面剪应力与剪切位移关系的非线性特性，张培胜等[14]建立了锚固界面的复合指数–双曲线非线性剪切滑移模型，由于建立的模型中公式内容较为复杂，造成不能得到锚杆荷载传递的解析解的结果，不能为工程应用服务。黄明华等[17]建立了锚杆锚固段的双指数曲线剪切滑移模型及其拉拔荷载传递解答并指出锚杆锚固段荷载传递全过程依次经历加载和滑移破坏。吴延峰等[18]提出在偶应力理论下，拉力型锚杆锚固段界面的剪应力和剪应变有所减小，特别是峰值处的剪应力减少明显；界面处的剪应力不再连续；界面附近的剪应变突变有所改善。

3 砂浆-岩土界面的剪应力分析

一般认为，锚固体与孔壁间的摩阻力决定了有效的锚固长度[19]，平均表面摩阻力随着锚杆长度的增加而减小。伍国军等[20]通过开展锚固系统界面力学特性的剪切流变试验，提出一种基于经验的非线性剪切流变模型且在剪切流变的影响因素中考虑到了法向应力，为了能很好地描述剪切流变的初期、稳态和加速流变整个变化过程，他将流变模型参数定义成为剪应力水平的函数。

当锚固体上作用竖向拉拔力时，锚固体与周围岩土体在其接触界面上产生了摩阻力，由于摩阻力是由锚固体上端向底端逐渐发展的，不同锚固深度处的摩阻力不同。锚固体上端最先达到极限值，当拉拔力大于摩阻力极值时，锚固体与周围岩土体界面发生软化，进入部分滑移状态。随着拉拔力的继续增加，锚固体与周围岩土体界面的软化现象将向锚固体底部发展，直至锚固体与周围岩土体界面全部进入滑移状态，锚固结构破坏[21，22]，破坏过程如图2所示。

4 砂浆周围岩土体的受力分析

当锚杆受拉拔力作用而发生变形时，在周围岩土体的约束作用下，锚固体与岩土体之间的界面以及岩土体内部将产生剪切作用。因此随着拉拔力的增大，锚固体周围岩土体所受到的剪应力的范围也将进一步扩大；当拉拔力超过锚固体与周围岩土体界面临界滑移荷载时，周围岩土体所受剪应力作用范围迅速增大。

朱训国等[23]利用Mohr-Coulomb、Hoek-Brown以及Duncan-Chang理论分别分析了锚固后块状和碎块状岩体的物理效应，发现岩体锚固后可以有效地提高岩体的凝聚力和软弱结构面的抗剪强度，增强岩体的弹性模量，改善岩体的力学性质。付宏渊等[24]利用相似材料做模型试验，在单轴压缩情况下，发现垂直加锚试件和水平加锚试件的峰值强度得到不同程度提高。

在计算锚固边坡的抗滑稳定性时，运用刚体极限平衡法会出现虽采用较多单锚承载力较高的预应力锚杆，计算出的结果却显示所得锚杆对边坡稳定的贡献不大的情况，这与锚固边坡实际所处的安全稳定状态明显不符。这是由于在计算过程中锚杆可以增大岩土体弹性模量以及忽略边坡破坏面处黏聚力的作用，且在计算中也低估锚杆的锚固力在破坏面处产生的切向抗力作用。

5 冻融循环对边坡锚固结构受力的影响

当水浸透岩体及支护结构内部后，受外界温度变化的影响，水在岩体及支护结构内部的状态在固态和液态间的相互转变，结构内部裂隙和孔隙大小随着水体积的变化而变化，使锚固结构应力状态被改变，产生冻胀或融沉现象。当岩体结构受到冻胀作用时，结构体内部会产生冻胀变形，使结构体内部裂隙和孔隙进一步发展。而在岩体结构体受温度升高发生融化过程中，冻胀作用引发的变形得不到完全恢复。岩体结构体受到外界温度作用反复发生冻胀或融沉现象，因岩体及支护结构受冻融作用的影响机理不同，受到的影响程度也不尽相同，故会在岩体及支护结构相互作用面上会发生应力分布的改变，由此诱发的相互作用面开裂、错动甚至脱落现象严重影响了边坡防护工程的安全[25，26]。

在-20～-70℃范围内，混凝土先膨胀再收缩，而钢筋则一直收缩，两者的线膨胀系数差别较大致使钢筋与混凝土在黏结处出现较大的微滑移，并且在黏结面产生大量微裂缝和缺陷，导致黏结强度降低[27]。项伟等[28]在统计损伤理论的基础上，推导出冻融前后组合试样损伤软化统计本构模型，并进行了SEM微观扫描分析，指出冻融破坏的根本原因是由于不同材料胶结面在冻融循环作用下发生温度应力集中。

安玉科和佴磊[29]在岩石冻融损伤劣化规律的研究基础上，从理论角度出发，分析了节理岩体锚固系统在冻融循环作用的损伤劣化机制及其影响因素。张伟丽等[30]通过冻融循环试验，研究发现砂浆弹性模量和强度受冻融循环作用的影响而明显降低，加载端砂浆提前遭到破坏，荷载向锚杆深处的传递速度加快，锚杆深处的应力及锚杆与砂浆交结面的剪应力受冻融循环作用的影响增大。

6 讨论

有些试验中用混凝土作为天然岩石的替代品，作为复合材料的混凝土，它与天然岩石的冻融损伤机制和破坏程度不同；有些试验中直接将锚杆浇筑在混凝土或者砂浆中其荷载传递机制与钻孔注浆锚杆不同。

目前我国规范[31-33]中锚杆设计计算公式所包含要素，没有体现出锚杆受力不均、弯曲变形及锚固段中锚杆轴力向深处逐渐衰减的特点，规范中假定剪应力均分布也不符合锚杆工作时的实际受力状况。

条分法分析边坡稳定性时因岩土体刚体假设无法考虑锚固结构与岩土体共同作用的本质，存在低估锚固效应的问题。传统由极限平衡原理推导出的最优锚杆倾角公式未考虑锚固长度，但最优锚杆倾角受锚固长度的影响；布设锚杆时若其倾角过大，锚杆将处于受剪为主的状态，致使其达不到加固岩体的效果。

为提高锚固工程耐久性，应加强对耐水、耐冻融锚固剂和非金属锚杆的研发，并积极推行预制钢筋混凝土传力构件应用于边坡锚固工程中。

7 总结

为探究冻融循环对边坡锚固结构受力的影响，本文对现有分析方法进行了分类汇总，结果表明：国内外研究锚固结构的理论成果颇多，但从总体上看，锚固技术的研究大多以研究锚杆方面为主，并没有把锚固技术上升到将其看作一个系统来做整体研究。冻融循环对边坡锚固结构具有极大的危害，但相关研究并不多见，由于制约因素太多且相互关联导致理论体系尚未形成。现在亟需建立完整的巖体锚固系统概念和整体评价机制，因为这样可以充分发挥锚固系统中各有利要素的功能，削弱不利要素的危害，以使系统达到最佳工作状态。

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