预应力扩体锚索锚固结构变形的简化分析方法与流程
本发明涉及土木工程岩土锚固技术领域，更具体地讲，涉及一种预应力扩体锚索锚固结构变形的简化分析方法。
背景技术：
岩土工程锚固技术以其能较充分地调用和提高岩土体自身强度和自稳能力，减小结构体积和自重，节约材料和劳动力成本，有利于施工安全等优点而广泛用于深大基坑支护工程、地下空间抗浮工程等领域。随着工程界对高承载力锚杆需求增加，近年来国内外大力开发各类锚固新技术，增大锚固端直径的扩体锚索就是其中之一。
扩体锚索是一种摩擦端承型锚索，具有承载力高、变形小、安全性高等优点。近年工程应用逐渐增多，相关标准规范的推出进一步规范其设计和施工，如《高压喷射扩大头锚杆技术规范》JGJ/T 282、《岩土锚杆(索)技术规程》CECS22等。当常规拉力型锚索存在抗拔承载力不足，场地地下空间有限而无法满足施工条件和变形控制要求，或是场地存在大量膨胀土、软黏土等蠕变显著地层时，宜采用扩体锚索。
为了严格控制锚固结构、地层及周边环境的变形和沉降时，还需采用预应力扩体锚索。预应力扩体锚索锚固结构变形评估的意义体现在：1)考虑锚索蠕变及应力松弛效应时，确定锚固结构物，如边坡、基坑、地下结构等，在设计使用年限内变形是否满足设计要求；2)确定锚索设计参数，如抗拔承载力、预应力张拉锁定值、自由段长度等是否合理；3)确定预应力扩体锚索的适应性；4)目前预应力锚索相关的技术标准、规范，如《高压喷射扩大头锚杆技术规范》JGJ/T 282、《岩土锚杆(索)技术规程》CECS22等，尚无确切的锚固结构的变形分析评估方法。基于以上四个方面，提出有效的预应力扩体锚索锚固结构的变形评估方法十分必要。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种考虑了蠕变及应力松弛效应并且能够评估在设计使用周期内锚固结构物的变形是否满足使用要求的预应力扩体锚索锚固结构变形的简化分析方法。
本发明提供了一种预应力扩体锚索锚固结构变形的简化分析方法，所述变形分析方法包括以下步骤：
A、对锚索进行循环荷载下的极限抗拔试验，获取锚索的荷载-位移循环曲线并整理得到荷载-位移曲线；
B、对锚索进行设计抗拔承载力下的蠕变试验，获取锚索的蠕变-时间关系曲线及蠕变率关系式，并确定锚索达到设计使用年限时的蠕变量；
C、利用锚索的设计抗拔承载力和所述设计使用年限时的蠕变量在荷载-位移曲线中确定锚索的预应力损失值；
D、利用锚索的设计预应力张拉锁定值和所述预应力损失值确定锚索达设计使用年限时的预应力；
E、利用锚索的设计抗拔承载力、所述达设计使用年限时的预应力以及锚索和锚固结构的设计参数计算锚索达设计使用年限时的锚索总变形；
F、利用所述达设计使用年限时的锚索总变形和锚索与锚固结构面之间的夹角确定锚固结构位移，将所述锚固结构位移与锚固结构允许位移进行对比后评估预应力扩体锚索锚固结构的变形能否满足使用要求，
其中，所述锚索为预应力扩体锚索，所述锚固结构为与预应力扩体锚索锚固连接以提供拉力、减小锚固结构位移并保证结构安全的结构，如基坑支护桩、边坡抗滑桩、地下室抗浮底板等与锚索锚固连接的结构。
与现有技术相比，本发明提供了一种考虑蠕变及应力松弛的预应力扩体锚索是否满足使用要求的变形评估方法，对验证设计参数、评估预应力扩体锚索的有效性及锚固结构安全具有重要意义，能够评估在设计使用周期内锚固结构物的变形是否满足使用要求。
附图说明
图1示出了本发明中预应力扩体锚索的结构示意图。
图2示出了本发明实施例中预应力扩体锚索结合抗滑桩(即锚固结构)进行支护的结构示意图。
图3示出了本发明实施例中锚索在循环荷载下极限抗拔试验中得到的荷载-位移循环曲线。
图4示出了本发明实施例中锚索循环荷载下极限抗拔试验中得到的荷载-位移曲线。
图5示出了本发明实施例中锚索在蠕变试验中得到的位移-时间对数曲线。
附图标记说明：
1-自由段、2-非扩体锚固段、3-扩体锚固段、4-钢绞线、5-对中支架、6-套管、7-抗滑桩、8-地面、9-锚头、10-边坡。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
扩体锚索是一种摩擦端承型锚索，具有承载力高、变形小、安全性高等优点。当常规拉力型锚索存在抗拔承载力不足，场地地下空间有限而无法满足施工条件和变形控制要求，或是场地存在大量膨胀土、软黏土等蠕变显著地层时，宜采用扩体锚索。
图1示出了本发明中预应力扩体锚索的结构示意图。如图1所示，本发明中的预应力扩体锚索包括自由段1和由非扩体锚固段2和扩体锚固段3组成的锚固段，在组成上，预应力扩体锚索包括位于中心的钢绞线4、用于实现钢绞线对中的对中支架5以及位于对中支架5外圈的套管6。上述结构为预应力扩体锚索的常规结构，本发明不对此进行具体限制。
本发明提供了一种考虑蠕变及应力松弛效应的预应力扩体锚索锚固结构变形的简化分析方法，该方法可评估在设计使用周期内锚固结构物的变形是否满足使用要求。根据本发明的示例性实施例，所述预应力扩体锚索锚固结构变形的简化分析方法通过以下多个步骤来实现的。其中，所涉及的锚索为预应力扩体锚索，所涉及的锚固结构为与预应力扩体锚索锚固连接以提供拉力、减小锚固结构位移并保证结构安全的结构，如基坑支护桩、边坡抗滑桩、地下室抗浮底板等与锚索锚固连接的结构。
步骤A：
对锚索进行循环荷载下的极限抗拔试验，获取锚索的荷载-位移循环曲线并整理得到荷载-位移曲线。
本步骤中，极限抗拔试验是采用分级加荷并卸荷的增量试验方法并且通过记录每次加荷并卸荷时锚索的位移和载荷得到锚索的荷载-位移循环曲线。并且，根据荷载-位移循环曲线和极限抗拔试验中每级荷载下锚索的总位移即可转化得到荷载-位移曲线。
步骤B：
随后，对锚索进行设计抗拔承载力下的蠕变试验，获取锚索的蠕变-时间关系曲线及蠕变率关系式，并确定锚索达到设计使用年限时的蠕变量。
本步骤中，蠕变试验是确定锚索在恒定荷载下的位移随时间变化的试验方法，本发明具体利用了锚索的设计抗拔承载力作为试验恒定载荷进行蠕变试验。
其中，蠕变率关系式为下式1：
其中，S、S1分别为锚索在t、t1时刻的蠕变量；Ke为蠕变率。由此，则可以利用蠕变-时间关系曲线和上述蠕变率关系式计算得到蠕变率和蠕变量。
根据本发明，根据蠕变率关系式并利用锚索的设计使用年限计算得到达到设计使用年限时的蠕变量。
步骤C：
利用锚索的设计抗拔承载力和步骤B获得的设计使用年限时的蠕变量在荷载-位移曲线中确定锚索的预应力损失值。
本步骤中，锚索的预应力损失值是通过先在步骤A获得的荷载-位移曲线上确定设计抗拔承载力所对应的A点，再利用A点对应的位移值与达到设计使用年限时的蠕变量的差值在荷载-位移曲线上确定B点，最后利用A点对应的荷载值与B点对应的荷载值之差计算得到。
步骤D：
利用锚索的设计预应力张拉锁定值和预应力损失值确定锚索达设计使用年限时的预应力。
在本步骤中，达设计使用年限时的预应力是由锚索的设计预应力张拉锁定值减去步骤C获得的预应力损失值计算得到。
步骤E：
利用锚索的设计抗拔承载力、所述达设计使用年限时的预应力以及锚索和锚固结构的设计参数计算锚索达设计使用年限时的锚索总变形。
在本步骤中，锚索达设计使用年限时的锚索总变形由下式2计算得到：
Δl＝Δl1+Δl2+Δl3——式2，
其中，Δl为锚索总变形；Δl1为锚索自由段的弹性变形；Δl2为锚固段与土体间的切向位移；Δl3为锚索钢绞线与锚固段之间的切向位移。其中，锚索锚固段的弹性变形相对总变形来说可以忽略不计，故在此不考虑。
具体地，锚索自由段的弹性变形Δl1由下式3计算得到：
其中，F为锚索所受拉力；F0为对锚索施加的预应力张拉锁定值；Fξ为预应力损失值；LS为锚索自由段的长度；ES为锚索钢绞线的弹性模量；AS为锚索钢绞线的横截面面积。
锚固段与土体间的切向位移Δl2由锚固段的弹性变形和土体对锚固段的摩阻力引起的变形组成并且由下式4计算得到：
其中，La为锚索非扩体锚固段的长度；La1为锚索扩体锚固段的长度；L′a为摩阻力在非扩体段上的荷载分布长度，且L′a满足当取L′a＝La，当取L′a1为摩阻力在扩体段上的荷载分布长度，且L′a1满足当取L′a1＝La1，当取Ea为锚索非扩体锚固段的等效弹性模量，可表示为Ec为注浆体弹性模量，Es为锚索钢绞线的弹性模量，λ为锚索非扩体锚固段钢绞线的有效截面积与锚固段的截面积之比；Ea1为锚索扩体锚固段的等效弹性模量，可表示为λ1为锚索扩体锚固段钢绞线的有效截面积与锚固段的截面积之比；Aa为锚索非扩体锚固段的横截面面积；Aa1为锚索扩体锚固段的横截面面积；qsk为锚索非扩体锚固段的注浆体与土层间的极限摩阻强度标准值，qsk1为锚索扩体锚固段的注浆体与土层间的极限摩阻强度标准值，层状地基下则采用分层求和的方式计算；Da、Da1分别为锚索非扩体锚固段的直径和锚索扩体锚固段的直径。
锚索钢绞线与锚固段之间的切向位移Δl3由锚索在荷载作用下的变形和锚索钢绞线因注浆体的握裹力而引起的变形组成并且由下式5计算得到：
其中，fmS为锚索钢绞线与注浆体的极限粘结强度标准值；ζ为锚索与注浆体的粘结强度工作条件系数，临时性锚杆取0.67，永久性锚杆取0.45；DS为锚索钢绞线的直径。L″a为摩阻力在非扩体段钢绞线上的荷载分布长度，且L″a满足当取L″a＝La，当取L″a1为摩阻力在扩体段钢绞线上的荷载分布长度，且L″a1满足当取L″a1＝La1，当取
步骤F：
利用步骤E获得的达设计使用年限时的锚索总变形和锚索与锚固结构面之间的夹角确定锚固结构位移，将锚固结构位移与锚固结构允许位移进行对比后评估预应力扩体锚索锚固结构的变形能否满足使用要求。
在本步骤中，锚固结构位移由下式6计算得到：
m＝Δlcosθ——式6，
其中，m为锚固结构位移；Δl为锚索总变形；θ为锚索与锚固结构面之间的夹角。
在变形分析时，当锚固结构位移m与锚固结构允许位移n间的关系满足m≤n时，则预应力扩体锚索锚固结构的变形满足使用要求；同理，若m＞n，则预应力扩体锚索锚固结构的变形不满足使用要求。
下面结合具体实施例对上述预应力扩体锚索锚固结构变形的简化分析方法进行具体说明。
实施例：
图2示出了本发明实施例中预应力扩体锚索结合抗滑桩(即锚固结构)进行支护的结构示意图。如图2所示，该边坡支护工程中的地层从上至下依次为杂填土、素填土、黏土、砂岩，边坡10采用抗滑桩7加预应力扩体锚索支护的方式。抗滑桩1的桩径1m、桩长18m且桩出露段3m，桩底嵌入强风化砂岩2m。锚索长21m，其中自由段1长度12m，非扩体锚固段2长度6m，直径0.1m，扩体锚固段3长度3m，直径0.25m，锚索与水平地面8的夹角为30度，锚索的非扩体锚固段2和扩体锚固段3均位于可塑状粘土中，其与锚索水泥砂浆的粘结强度为50kPa，锚索的锚头9与抗滑桩7的桩出露段连接。锚索的设计抗拔承载力为520kN，设计预应力张拉锁定值为520kN。锚索采用Φ15.24的1860钢绞线，钢绞线直径15.24mm，由7根直径5mm的钢丝编制而成，截面积为139mm2且弹性模量为1.95×105N/mm2，钢绞线与水泥砂浆的极限粘结力为0.5N·mm2。该边坡支护工程的设计使用年限为2年，设计要求抗滑桩的桩顶水平位移不超过30mm。
先对锚索进行循环荷载下的极限抗拔试验。如图3所示对锚索进行循环荷载下的极限抗拔试验，获取荷载-位移循环曲线；再根据每级荷载下的位移整理出荷载-位移曲线，如图4所示。
再对锚索进行蠕变试验，试验荷载为设计抗拔承载力值520KN，得到的位移-时间对数曲线如图5所示。图5中位移s与时间的对数lgt呈线性关系，其斜率即为蠕变率，可以通过确定，由线性拟合确定蠕变率Ke为0.82。
然后确定锚索在设计荷载条件下达到设计使用年限时的蠕变量。设计使用时间2年等于1051200分种，则S-S1＝0.82(lgt-lgt1)，其中S1＝0，lgt1＝0，则预计2年后的蠕变量为4.9mm。
根据蠕变量4.9mm及设计抗拔承载力值520kN、设计预应力张拉锁定值520kN，可以从图4中通过荷载-位移曲线确定预应力损失值及达设计使用年限时的预应力，确定方法如图4所示，确定预应力损失值为39.2kN，实际预应力为480.8kN。
接下来利用各参数计算锚索总变形，总变形Δl＝Δl1+Δl2+Δl3＝29mm。
其中，锚索自由段的弹性变形若假定锚索处在设计最大抗拔荷载条件下工作，则F＝520kN，这对计算结果偏安全，对保证工程安全有利；F0＝520kN，Fξ＝39.2kN，Ls＝12m，Es＝1.95×105N/mm2，As＝139mm2，计算Δl1＝17.4mm。
Δl2为锚固体与土体间的切向位移，由作用在锚固体上的轴向拉力与周围土体的切向剪力两部分构成，包括非扩体锚固段和扩体锚固段两部分，可表示为Da＝0.1m，Da1＝0.25m，La＝6m，La1＝3m，qsk＝qsk1＝50kPa，其中Ec＝2×104N/mm2,Es＝1.95×105N/mm2,λ＝0.0139；
λ1＝0.00222；由于
故L′a＝2497mm；
故L′a1＝999mm，由此计算Δl2＝(1.33+0.12)/3-(0.28+0.02)＝0.18mm；
Δl3为锚索钢绞线与锚固段之间的切向位移，由锚索在荷载作用下的变形和锚索钢绞线因注浆体的握裹力而引起的变形这两部分组成，包括非扩体锚固段和扩体锚固段两部分，可表示为：
其中，该锚索使用年限2年，属于临时性工程，ζ取0.67,；fmS＝0.5N/mm2；DS为锚索公称直径15.24mm。由于取L″a＝1638mm；当取L″a1＝1638mm。
根据变形协调原理Δlcosθ＝m，锚索与抗滑桩的桩顶水平位移间夹角为30°，由此求得m＝29cos30°＝25.1mm。
最后判断锚固结构位移是否满足使用要求，设计要求锚索锚固桩顶水平位移不超过30mm，即n＝30mm，则m＝25.1mm<30mm，故可以判断锚固结构位移满足使用要求，锚索的设计参数合理。
综上所述，本发明提供了一种考虑蠕变及应力松弛的预应力扩体锚索是否满足使用要求的变形评估方法，对验证设计参数、评估预应力扩体锚索的有效性及锚固结构安全具有重要意义，能够评估在设计使用周期内锚固结构物的变形是否满足使用要求。在设计阶段可以对设计参数优化设计，既能保证结构安全，同时保证实施成本的经济性；评估结构安全，减少因锚固结构变形过大导致的事故；填补了标准、规程在锚固结构安全评估方面的空白；计算过程不涉及复杂的积分计算，采用Excel即可计算，便于推广应用。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
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