岩质边坡锚杆应力影响因素分析
黄清保
（福建省电力勘测设计院，福建福州350003）
【摘要】铺杆应力包含看对各种影响因素的响应，除受边坡开挖导致的各种变形及破坏影响外，还受湿度波动、地 下水位变化等因素影响.结合工程监测实例，系统地分析了键杆应力的影响因素，分别介绍这些因素的影响方式、表现规律及作用机理，并对这些因素造成的应力响应量进行定性及定量分析，以有效利用监测结果来评价边坡的健康状况，优化设计，预防地质灾害发生.
[中图分类号】TU472；U418.5[文献标识码]A[文章编号]1002-8498（2013）23-0059-04 [关键词]公路工程：监测：辅杆应力：边坡稳定性：岩质边坡
Influence FactorsAnalysis ofBolt Stress in Rock Slope
Huang Qingbao
(Fsjians Elecaric Power Sumey & Design fnstinae Fasbhos Fajian 350003 China)
influence of all kinds of rock mass deformation and damage in slope excavation the temperaturefluctuations and changes of water table also cause some influence. Combined with monitoring results of the project the factors that affect the bolt stress are systematically analyzed. The impact way representation and mechanism of the factors are respectively described with qualitative and quantitativeanalysis which has great value to the evaluation of slope stability optimization and prevention ofgeological disasters.
Key words; road construction;monitoring: bolt stress; slope stability; rock slope
岩质边坡常采用大爆破、大开挖，易产生卸荷系统总结了岩质边坡锚杆应力影响因素，并对这些
回弹、螺动变形及局部失稳破坏，加上地表强烈的因素的影响方式、表现规律及作用机理进行分别闹湿度波动与降而等环境因素，导致锚杆应力受众多述，定性分析与定量分析并行，对有效利用监测结因素影响.为了有效解译监测结果，通过应力的变果评价边坡健康状况、优化设计以及预防地质灾害 化特征来寻找边坡的控稳因素，有必要对各影响因发生具有现实意义.素的应力响应进行定性及定量分析.
1工程概况
连云港东疏港高速公路采用明挖方式横穿中云台山，从面在高速公路两侧形成高陡岩质路蟹边坡.其中，东侧为逆向坡，山体陡峻，最大坡高 200多m，属一级边坡工程.东侧边坡分20级开挖，每级坡高10m，单级坡角55°，总体坡角为43°，采用喷锚支护，铺杆为全长黏结无预应力型，采用425螺纹钢筋，长度一般为8m.为保证施工及运 营期的安全，该边坡布有涉透压力计、锚杆应力合连云港东疏港高速公路超高岩质边坡安全监测，测的错杆共72根，每根锚杆在5.5m深处布置1个振弦式钢筋应变计.边坡总体形态及传感器分布如图1所示，其中边坡南侧（图中B区）原为来石场，存在多处陡崖，岩体破碎，该区城锚杆应力
文献[1]通过对三峡永久船闸一期高边坡运行期监测错杆的应力状态和受力原因的分析，建立了错杆应力测值统计模型；文献[2]描述了锚杆应力与温度的关系；文献[3]定性分析了降雨对锚杆应 力的影响：文献[4]利用数值模拟的方法分析了地震作用下锚杆应力的动态响应.上述研究通常仅涉及单一因素，且多为定性分析或是对应力变化规律的描述，缺少对作用机理的深人研究，在利用监
表1锚杆应力实测结果影响因素Table 1Influence factors of measured
特征明显异于边坡北侧（图中A区），因此将研究区域分为A，B两块.
results of bolt stress影响 因素 影响 方式 作用机理 应力变 化规律温度波动引起仅器率定 相关性、可仪器 精皮 系数的变化 修正各介质 钢线胀系数大于黏结 负相关、循环温度波动 变形 的温度 砂浆及周围岩体，温度变 化引起的错杆伸缩变形（昼夜温差 与年温差） 受到约束 温度变化引起的结构面结构面 的开闭 活动，岩体稳定性发生 变化 上开 正相关、震腐岩体 长期的温度波动造成的 缓慢的、不破坏 岩体破坏 可逆岩体饱和，岩体重度增加 地下水渗流引起的动水滑动 压力 与水位正棚力的 增大 后缘张裂面的静水压力 底滑面的扬压力上升或 美、可进有效应力降低，摩擦力 降低降雨 对结构面、滑动面的润滑（地下水 位变化） 作用，摩擦角（）减小抗滑 对岩石的浸池、软化、泥 化、溶解作用，岩石强度 与水位正相 关、不可递力的 降低 降低对结构面的侵蚀、软化、抗剪强度（c）降低 泥化、溶解作用，结构面开挖使岩体受到找动、临岩体 变形 空条件增强、皱角增大， 岩体发生卸荷回弹、蟠动 渐变、 不可逆变形、倾倒变形岩体 开挖使岩体受到扰动、边 突变、开挖 边坡 破坏 界条件发生变化，最终导 致岩体失稳破坏 不可造爆破使得岩体松动或大型机械 爆破成 山体的振动使得错杆应 破坏 波动、的报动 力产生波动 握动直接影响仅器测量 可进精度
图1锚杆应力监测点分布示意
Fig. 1Distribution of stress monitoring polnts of bolt
2锚杆应力影响因素
锚杆应力实测结果中包含对各种影响因素的因素引起的应力响应，边坡开挖引起的应力响应. 响应，大致将其分解为3部分：仪器误差，自然环境对于不同的应力响应，关注度及处理方法也不同，如对仪器误差应该尽可能减小与修正；对于自然环境变化引起的应力，主要关心它的变化是单调的还是循环可逆的；而边坡开挖引起的应力则是最应引起关注的，这部分应力通常是单调变化的，与边坡 的稳定性最为密切，关系到边坡设计的合理性及支护效果.不同因素引起的锚杆应力响应具有各自的变化规律，对这些因素的影响方式、作用机理、应力响应规律的分析研究，有助于对监测结果进行恰价边坡健康状况以及预防地质灾害发生.锚杆应 当分解，根据其变化规律来寻找边坡控稳因素、评力实测结果影响因素如表1所示.
3温度变化对锚杆应力的影响
温度波动造成的错杆应力可以分为2种类型：由线胀系数差异引起温度负相关性，由结构面的开闭引起温度正相关性.
3.1线胀系数差异引起的应力
锚固体中锚杆、黏结砂浆、岩体相互作用，当温度上升时三者均发生膨胀，各自的线胀系数如下：钢筋为12~13μe/℃，混凝土为10μe/℃，花岗岩为7.9μe/℃，板岩为10.4μe/℃，石灰岩为8μe/℃. 由于锚杆线胀系数最大，而变形又要相互协调，导致锚杆膨胀受到约束而产生压应力].同理，当温度下降时，错杆因收缩受到约束而产生拉应力.当温度上升或下降1℃时，钢筋受到4-6ue应变约束.锚杆温度应力由下式确定：
应力与温度呈负相关性，其中60%相关系数绝对值如表2所示，其中温度应力为应力增量与温度增量 >0.9.A区域5个典型的温度-应力负相关性锚杆的比值，由于二者具有高度负相关性（见图2a），可以认为应力完全来自于温度变化，5个传感器实测年温度变化平均为10.3℃，实测年应力变化平均为9.5MPa，平均温度应力为0.92MPa/C，接近上述 1MPa/℃C的理论值.
(1)
式中：钢筋弹性模量E取200GPa；钢筋所受应变约束取5ue/℃.当温度上升1°℃时，钢筋将产生1MPa压应力；反之，当温度下降1C时，将产生1MPa拉应力.
本项目中A区域（岩体坚硬完整）80%的锚杆
表2锚杆温度应力及二者相关系数Table 2Temperature stress and relatedcoefficient of bolt
下：受历史时期的构造运动及现代工程活动的影响，边坡岩体中存在各种产状的结构面，在强烈的太阳辐射及温度波动下，这些结构面张开或闭合，结构面的活动直接影响坡面岩体的稳定性，加上边坡陡、岩体碎裂，这种影响被进一步放大，坡面岩 体发生位移，并将部分下滑力通过锚杆传递至深部岩体，导致锚杆应力发生变化.
温度应力/（MPs-℃-）1.080.980.810.900.830.92 铺杆测点编号 平均温度与应力相关系数-0.96-0.96-1.00-0.99-1.00-0.98
当边坡陡、岩体碎裂时，该形式的铺杆应力占统治地位.由于该类型的锚杆应力较大，且有逐年上升的趋势，因此成为边坡安全监测中重点关注 的对象.
4降雨对锚杆应力的影响
降雨会使得岩体的稳定性降低而使锚杆应力上升，这种影响可以分为滑动力增加与抗滑力降低两部分，可通过抗滑安全系数K来描述该影响.
表达： 取脱离体（见图3），抗滑安全系数K可以下式
(2)
1 H.-.
图2MG742和MG1042锚杆温度-应力过程线Fig.2 Duration curves of temperature-stress measured by MG742 and MG1042
响，夏季埋设的错杆多呈波动受拉型，面冬季埋设 本类型的锚杆应力状态主要受埋设时间的影的错杆多呈波动受压型.尤其当边坡处于稳定状态、地下水贫乏时，锚杆应力主要受温度影响，应力与温度之间有着高度的负相关性，但这部分应力仅的稳定性发生变化面引起，因此在对监测结果进行分析时，这部分轴力应进行剥离.
图3岩体稳定性分析示意Fig. 3 Analysis of rock mass stability
产生于两种材料的线胀系数差异，并不是由于岩体增加、重度（G）增大；②地下水在后缘拉裂面富集而 1）滑动力增加①降雨人渗使得岩体含水率产生静水压力（F），对边坡岩体施加推动力：③地 下水渗流对岩体施加动水压力.这3种影响都能快速响应地下水位的变化，影响能随着地下水位的排泄而降低，在监测结果上表现为错杆应力与地下水位的正相关性.
3.2结构面的张开与闭合
本项目B区部分锚杆应力实测结果（见图2b）达190MPa，约为A区铺杆的10倍.该区域的锚杆 表明，锚杆应力呈季节性变化，但年变化幅度最高应力不与锚杆温度呈负相关性，面是与坡面温度呈正相关性，变化幅度已经超出线胀系数差异的影响范围，不论是应力大小还是与温度的相关性，与上节介绍的原理完全不相符.由于锚杆应力呈季节 性波动，且与坡面温度有较好的正相关性，可以肯定的是应力产生于温度变化.根据观察发现越靠近南侧区域的锚杆这种应力特征越明显，边坡南侧原为采石场，存在多处陡崖，岩体多为碎裂状结构.
2）抗滑力降低①地下水位的上升使得底滑面的扬压力上升（F），有效应力降低；②对结构面、滑动面的润滑作用，使得摩擦角（）降低；③对结构面的侵蚀、软化、泥化、溶解作用，使得结构面的抗剪强度（c）降低：④对岩体的浸泡、软化、泥化、侵方面影响会随着水位的下降，表现为错杆应力与地 蚀、溶解作用，使得岩体强度降低.其中，①，②两下水位的正相关性；③，④两方面影响具有不可递性，表现为锚杆应力随着每次降雨而震荡上升.
间的关系，对该类型的锚杆应力产生机理分析如 根据锚杆应力与坡面温度及岩体结构特征之
在实际监测结果中发现并不是点的锚杆应力都明显受降雨影响，只有在岩体较破碎、地下
水位波动大的区域锚杆应力才在降雨时有明显波动.可以认为岩体较完整、边坡人渗条件差、地下水位波动小的边坡，锚杆应力基本不受降南影响.
对于本工程来说，根据实测结果，仅有边坡94.000~134.000m高程的地下水位明显受降雨影响，也仅有区域的锚杆应力与地下水位有明显相关 性（见图4）.由图中所示，单次降雨使地下水位上升2~4m，对应锚杆应力上升4-8MPa.当降雨量较小时，地下水位波动并不明显，但锚杆应力对每次降雨均产生响应，且响应速度要快于地下水位，这与降雨人渗由表及里而错杆主要加固边坡表层 的岩体相吻合.
图4MG1344铺杆应力与地下水位过程线Fig. 4 Duration curves of stress and water tablemeasured hy MG1344
5边坡开挖对锚杆应力的影响
边坡岩体的变形可以是自然条件下发生的，也可以由边坡开挖等工程活动引起，其中工程活动引起的变形是重点关注的.对于岩质高边坡来说，在大开挖、深开挖过程中，岩体受到扰动、临空条件加强、坡角加大，必然存在一定程度的卸荷回弹变形大，在卸荷回弹过程中必然伴随一定程度的倾倒变 及端动变形.对于陡倾纵向坡，随着开挖深度的增形.如果在边坡内部存在缓倾角的结构面，则倾倒变形可进一步发展为倾滑破坏.岩体的变形必然引起锚杆应力的变化，由边坡开挖引起的形变通常不可逆，表现在监测数据上为错杆应力的单调受拉 或单调受压.
对于稳定区域岩体来说（如本工程区域A区），工程活动引起的变形较小，基本被其他因素所掩盖（见图2）.对于不稳定区域岩体来说（如本工程区域B区），工程活动引起的锚杆应力起绝对主导作 用，如图5所示，MG1242锚杆应力在开挖后的3个月内（2009年12月至2010年2月），随着岩体卸荷回弹及动变形而迅速上升，之后岩体逐渐进行自我调整，变形趋于稳定，锚杆应力也趋于稳定.由于边坡变形有一定的阶段性及时效性，对边坡的支护时间也影响锚杆应力的大小.
6结语
参考文献：
图5MG1242锚杆应力过程线
Fig.5 Duration curves of stress measured by MG1242
下可能发生破坏，开挖爆破就是其中一个重要因 随着边坡岩体变形的增加，在某些因素的诱发素.爆破可能使得岩体发生松动或破坏，使得锚杆应力发生变化.此外，大型机械的振动也可能使得锚杆应力出现变化，特别是大型机械附近的锚杆，机械振动使得岩体处于振动状态，从而使得锚杆应 力出现波动.但由于工程施工中爆破时间相对固定，在爆破时间产生的异常波动或突变易于判别（如图5中突变点）.而机械振动作用距离有限，一般只对附近岩体有影响.
根据以上对岩质边坡中锚杆应力影响因素的分析得出以下结论.
1）错杆应力主要受以下因素影响：温度波动、降雨及地下水位变化、边坡开挖.
差异，理论上温度每变化1C锚杆产生约1MPa温度 2）由于锚杆、黏结砂浆、岩体之间的膨胀系数应力，并在实际工程监测中得到验证.
3）在高陡岩质边坡中，温度波动引起的结构面活动是一项重要的边坡控稳因素，当岩体破碎时这种影响尤为明显.
4）在碎裂岩体中降雨将导致锚杆应力显著变化，且变化节奏要超前于地下水位的变化.
5）在碎裂岩体中边坡开挖引起显著的错杆应力响应，且有一定的阶段性，但稳定区域开挖引起的应力不明显.
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