腐蚀介质作用下预应力锚固结构耐久性研究现状

腐蚀介质作用下预应力锚固结构耐久性研究现状

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5、山东建筑大学交通工程学院山东济南250101

摘要：岩土锚固技术是用来加固处治岩土工程问题的一种常用方法。采用预应力锚固技术对岩土工程中的结构物进行加固，能达到提高承载力、保持整体稳固的良好效果。但是预应力锚固结构在使用期间一直承受拉应力作用，并且所处的环境十分复杂，容易受到腐蚀介质作用，从而影响结构总体强度，这种因外部腐蚀介质作用而导致的耐久性降低并最终失效的现象已引起人们的逐渐重视。因此，非常有必要对预应力锚固结构的腐蚀耐久性开展相关研究。

关键词：预应力锚固结构，腐蚀，耐久性

前言

近年来，岩土锚固技术及其工程应用发展迅速。将锚固技术应用于岩土体工程，可以提高岩土体的稳定性。岩土锚固技术在加固岩土结构、解决岩土工程复杂问题上具有非常明显的优势和效果[1，2]。20世纪60年代以来，锚杆在我国的各类岩土工程中得到了广泛应用，70年代以后锚索开始发展，从最初引入应用到如今，锚固结构的数量已经数以亿计[3]。随着锚固结构使用数量的不断增多，其引发的安全问题也愈加明显。在已经完成的工程项目中，出现了大量的结构未达到设计年限就已失效的案例[4]。

1研究意义

由于国情的需要和政策的支持，近些年我国的基础设施建设蓬勃发展，随着西部大开发等国策不断实行，各地区兴建了大量的工程，如山区公路、超高建筑、地铁，这些都需要大量的高边坡加固和基坑加固。岩土工程的发展促进了高填深挖工程的普及，高填深挖工程的普及又给岩土工程领域带来了新的课题。而预应力锚固方案是我国占主导地位的工程加固、支护方法，往往应用于安全度比较高的大工程中。因此，对锚固结构耐久性的研究具有较高的经济价值，同时也关系到人民生命财产安全和国家安全。

2研究现状

国外对于耐久性的研究已经进行了很多年，把耐久性研究放在了岩土锚固中的一个重要位置。在上世纪六七十年代，法国、德国等就先后颁布了有关锚杆的技术规范与锚索技术条例；八九十年代又制定了土钉技术指南。这些技术标准对锚固结构的设计和施工均有规范要求，充分考虑了锚固类结构在外界腐蚀环境中的防护问题。而国内的研究则兴起较晚，早期开展的研究少，首先开始于对水泥混凝土的研究。我国对耐久性方面的安全问题比较重视，但对于锚固结构长期性能的设计和评价标准还不够完善[5]。一般锚固结构所处的环境比较复杂，其耐久性受多种因素影响。钢筋锈蚀是预应力锚固结构普遍存在的一种老化现象，它破坏钢筋原有的表面纹理，降低钢筋的承载性能，产生的锈蚀产物发生膨胀，进一步破坏了锚杆与注浆体界面的粘结，导致结构使用时间降低。目前有的锚索预应力已超过千吨，并且还有向更高吨位发展的趋势。当外部荷载接近其承载极限时，其锈蚀速率也会逐渐增大[6]。对钢筋锈蚀的研究是分析锚固结构耐久性能的基础，也是预估结构使用寿命的前提。

2.1锈蚀钢筋耐久性研究现状

2000年5月8~10日，在香港召开的“边坡灾害及其防治研讨会”上，重庆建筑大学郭映忠教授提出：在用作永久支护的无数工程中，锚杆使用的寿命能有多久？是否有一天会突然破坏，成为工程中的“定时炸弹”，使工程毁于一旦？问题一提出，即引起与会专家、学者的强烈反响[7]。

曾宪明等[3]表示目前我国的锚固结构耐久性问题已十分严重，介绍了国外的研究状况，对耐久性问题失效案例进行了深入分析，指出国外的锚固技术具有一定借鉴性，但是不能全部照搬，并探讨了研究锚固结构的耐久与防护对策的方法。

赵健等[8]挖掘出了1986年埋设于河南焦东煤矿的一批缩尺锚杆，研究了应力作用与化学腐蚀下锚杆的变化特征，从锚杆表面腐蚀程度和腐蚀速率等方面进行了分析和测试，并得出了实际工程中应用锚杆腐蚀程度的规律。

2.2钢筋锈胀研究现状

金伟良等[9]对钢筋混凝土中锈蚀的原因进行了研究，基于理论知识展开分析，提出了钢筋在外界环境下发生锈蚀时有关钢筋锈胀力的计算公式，并分析了不同因素对锈胀力的影响，得到了有关钢筋锈蚀率、混凝土等级、钢筋直径对钢筋锈胀力的影响程度。

王显利等[10]通过加速腐蚀试验，比较全面地研究了不同影响因素作用下钢筋的锈胀破裂及其发展规律。发现各因素对开裂时间的影响作用不同，给出了各因素具体影响机理，并提出了提高耐久性能的措施。

何思明等[11]针对锚固结构的普遍锈胀现象，对全灌浆锚固结构的锈胀机制进行了研究，研究了各个因素对钢筋锈胀的影响特点和影响程度。分析了钢筋与注浆体之间的锈胀力、注浆体与围岩体之间的锈胀力与这些因素的关系。

2.3数值模拟研究现状

随着计算机技术的不断发展，有关锚固计算的很多问题都得到了新的解决方案。拉格朗日法、有限差分法、有限单元法及数值流形法是目前岩土锚固工程中常用的模拟方法。

Bouteldja[12]通过数值模拟评估了锚索的剪切刚度，模拟了锚索和岩体的粘结界面，开发了一种新的经验模型，模型中考虑了锚索形状、注浆体强度、岩土体压力等因素的影响。针对锚索的承受荷载，提出了一种新的设计方法，经测试与现场结果表现出良好的一致性。

丁秀丽等[13]采用有限差分法，建立了预应力条件下锚固结构的数值仿真模型，研究了预应力锚索对高陡边坡的加固效果。通过模型得到了一系列有用的数据结果，探索了预应力锚索加固边坡的理论作用机制。结果表明，数值模型可以较好的对预应力锚索的加固效果进行仿真反映。

3.预应力锚固结构发生耐久性失效的原因

预应力锚固结构发生耐久性失效的原因大体可分为以下几点：（1）设计时对耐久性的问题考虑不全面；（2）工作时间长，容易发生疲劳破坏；（3）预应力锚固结构所处的环境复杂，容易受到离子侵蚀；（4）施加预应力后容易发生应力腐蚀；（5）施工质量达不到设计要求；（6）局部锚杆失效，导致周围的锚杆处于超荷状态，进而导致破坏范围增大，引发连锁反应。

预应力锚固结构的耐久性直接决定着锚固结构的寿命，而腐蚀则会影响锚固结构的耐久性。对于钢质材料制作的锚杆，主要是受金属腐蚀的威胁。在自然环境中，大部分金属容易发生氧化腐蚀，是一个普遍存在的现象，也是实际工程中发生腐蚀破坏的原因。锈蚀作用不断侵蚀锚杆，在杆体的表面产生锈坑、锈斑等，膨胀后的铁锈体积增加，使得锚杆产生应力集中现象，从而加速了锚固结构的破坏，对锚固结构危害极大，再加上循环荷载的作用，更会加剧锚杆的锈蚀[14]。

4结语

预应力锚固结构工作环境复杂，其长期耐久性能受多方面因素的影响。预应力锚固结构的耐久性直接关系着工程的安全性，应引起重视。对锚固结构的机理和细观规律提高认识，有针对性的增强其耐久性，有利于锚固技术的发展，亦关系到人民生命财产安全。

参考文献：

[1]程良奎.岩土锚固研究与新进展[J].岩石力学与工程学报.2005（21）

[2]王亚涛.岩土锚固施工技术[J].中华建设，2014，（11）：136-137

[3]曾宪明，陈肇元，王靖涛，等.锚固类结构安全性与耐久性问题探讨[J].岩石力学与工程学报，2004，（13）：2235-2242

[4]张爱华.浅谈我国建筑技术现状与发展策略[J].科技视界，2012，（04）：105-106

[5]张思峰，陈兴吉，韩冰，等.岩土预应力锚索腐蚀损伤演化规律研究[J].山东建筑大学学报，2018，33（6）：1-6

[6]陈庆玉.硫酸盐作用下砂浆锚杆耐久性试验研究[D].重庆大学，2009

[7]曾宪明，雷志梁，张文巾，等.关于锚杆“定时炸弹”问题的讨论——答郭映忠教授[J].岩石力学与工程学报，2002，（01）：143-147

[8]赵健，冀文政，肖玲，等.锚杆耐久性现场试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，（07）：1377-1385

[9]金伟良，赵羽习，鄢飞.钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力的机理研究[J].水利学报，2001，（07）：57-62

[10]王显利，郑建军.钢筋混凝土结构锈胀开裂及裂缝扩展试验研究[J].大连理工大学学报，2009，（02）：246-253

[11]何思明，雷孝章.全长粘结式灌浆锚杆锈胀机制研究[J].四川大学学报（工程科学版），2007，（06）：30-35

[12]BouteldjaM.Designofcableboltsusingnumericalmodeling[D].Canada：McGillUniversity，2002

[13]丁秀丽，盛谦，韩军，等.预应力锚索锚固机理的数值模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报，2002，（07）：980-988

[14]张未林.疲劳荷载与腐蚀耦合作用下岩土预应力锚固结构长期耐久性研究[D].山东建筑大学，2017