壓力分散型錨索承載板合理間距的數(shù)值模擬研究

汪 浩 洪 亮

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230011)

壓力分散型錨索承載板合理間距的數(shù)值模擬研究

汪 浩 洪 亮

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230011)

采用數(shù)值模擬和理論分析方法，對(duì)壓力分散型錨索的承載板的合理間距進(jìn)行了研究，基于數(shù)值分析成果，給出了不同圍巖中承載板合理間距的推薦值，研究成果對(duì)壓力分散型錨索的設(shè)計(jì)具有較好的參考意義。

壓力分散型錨索，數(shù)值分析，錨固機(jī)理，承載板合理間距

0 引言

在近代巖土工程領(lǐng)域中，巖土錨固技術(shù)已經(jīng)成為提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜巖土工程問題最經(jīng)濟(jì)最有效的方法之一[1]。對(duì)于穩(wěn)定狀況較差的巖土體，工程上大多采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。與其他支護(hù)體系相比，預(yù)應(yīng)力錨索加固體系具有對(duì)圍巖擾動(dòng)小、能夠增強(qiáng)圍巖的力學(xué)特性、改善邊坡巖土體的應(yīng)力分布、提高邊坡穩(wěn)定性的特征；并且可根據(jù)需要及時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的作用位置、方向、結(jié)構(gòu)參數(shù)、布置密度以及張拉時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以便獲得最佳的支護(hù)效果，設(shè)計(jì)施工安全可靠[1]。

壓力分散型錨索，作為一種新型的巖土工程加固技術(shù)，已被廣泛運(yùn)用于實(shí)際工程中[3-5]。但是理論研究仍然落后于工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)計(jì)算方法還不成熟，規(guī)范中往往只有少量籠統(tǒng)的參考性的規(guī)定，從而給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大不便[6]。承載板間距是壓力分散型錨索設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，承載板布置太密，承載單元可能各自破壞而引起總失效，承載板間距太大，會(huì)造成浪費(fèi)，更可能加重鋼絞線應(yīng)力不均勻[7]。在實(shí)際應(yīng)用中，最為合理的承載體設(shè)置間距應(yīng)該是在確保單元錨固區(qū)段的抗滑阻力能平衡該區(qū)段承受的壓力荷載的前提下,還留有適當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備。本文利用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)三種圍巖中承載板的合理間距的取值進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 承載板合理間距的確定標(biāo)準(zhǔn)

1.1 基于安全標(biāo)準(zhǔn)確定最小間距

壓力分散型錨索承載板的間距應(yīng)能保證各單元錨固段不發(fā)生破壞而引起總失效。在現(xiàn)階段的一些規(guī)范和設(shè)計(jì)中，一般假定錨固段剪應(yīng)力是均勻分布的，使用平均強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，這與工程實(shí)際往往不符；本文確定承載板合理間距下限值的方法是采用應(yīng)力疊加判別法，根據(jù)周德培[8]的研究，應(yīng)力疊加現(xiàn)象發(fā)生的條件是單元錨固段漿巖界面的抗剪強(qiáng)度不足以消除注漿體上的軸向應(yīng)力傳遞，此時(shí)作用于各錨固單元上的壓力將向壓力作用方向即孔口方向傳遞，近端錨固單元的軸壓應(yīng)力和剪應(yīng)力將有所增加，可能最先造成該錨索單元注漿體破壞或失穩(wěn)。如果保證近端錨固單元未發(fā)生破壞或失穩(wěn)，則整個(gè)錨固體就是安全的。因此，本文取近端錨固單元軸壓應(yīng)力峰值剛超過遠(yuǎn)端的軸壓應(yīng)力峰值時(shí)承載板的間距作為合理間距的下限值。這時(shí)各承載板處注漿體的軸向拉應(yīng)力均較小，對(duì)錨固體系防腐有利。

1.2 基于經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定最大間距

當(dāng)壓應(yīng)力和剪應(yīng)力減小至零或較小值時(shí)，可以認(rèn)為錨索向巖體的傳力過程已完成，我們稱這個(gè)長(zhǎng)度為有效傳力長(zhǎng)度。有效傳力長(zhǎng)度可以作為壓力分散型錨索承載板間距設(shè)置的重要依據(jù)[9]。為避免承載板間距太大而造成浪費(fèi)，本文將剪應(yīng)力有效傳遞長(zhǎng)度作為確定承載板合理間距的上限值。

2 承載板合理間距的數(shù)值模擬研究

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)邊坡加固中常用的壓力分散型錨索使用情況，概化出如圖1a)所示的幾何模型。以錨索為中心，在垂直于錨索的平面上取半徑為5 m的圓，錨索自由段長(zhǎng)度取為10 m，錨索錨固段鉆孔直徑為150 mm，承載體個(gè)數(shù)取為3個(gè)，等間距布置在注漿體中(取不同間距以尋找合理間距)。計(jì)算模型坐標(biāo)系規(guī)定為：錨索拉力方向?yàn)閅軸正向，錨固體外表面法向方向?yàn)閄軸正向。模型邊界條件為:除錨頭所在的巖體表面為自由面外，其他各面均施加法向約束。

2.2 模型的單元類型及參數(shù)選取

本項(xiàng)研究以單錨為研究對(duì)象，且荷載為軸心荷載，單個(gè)承載體上施加的張拉荷載為300 kN。因此該問題可概化為一軸對(duì)稱問題，采用軸對(duì)稱單元CAX4R進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在錨索方向的網(wǎng)格尺寸：錨固體段單元尺寸取為0.1 m，其余區(qū)段尺寸為0.2 m；垂直于錨索方向的單元尺寸按由密到疏漸變劃分，即越靠近錨索網(wǎng)格越密，以滿足應(yīng)力計(jì)算精度的要求。

圖1為計(jì)算模型圖，圖1b)給出了軸對(duì)稱平面模型旋轉(zhuǎn)180°后的三維效果圖。

巖土體及注漿體采用彈塑性材料模擬，均服從摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則?？紤]3種巖土體材料，即碎裂巖體、風(fēng)化軟巖和砂粘土，各材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析(以碎裂巖體為例)

在碎裂圍巖中錨固段承載板間距分別取為1 m，1.5 m，2 m，3 m，4 m，其錨固段的應(yīng)力，位移及剪應(yīng)力分布如圖2～圖4所示。

1)由圖2可以看出，當(dāng)承載板間距取1 m和1.5 m時(shí)，注漿體軸向應(yīng)力峰值由遠(yuǎn)端向近端呈上升分布，這表明各錨固單元間產(chǎn)生了應(yīng)力疊加效應(yīng)，且間距較小時(shí)疊加效應(yīng)越明顯；當(dāng)承載板間距取2 m，3 m和4 m時(shí)，注漿體軸向應(yīng)力最大峰值出現(xiàn)在遠(yuǎn)端承載板處，這表明各錨固單元間未產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)。

2)由圖3可以看出，注漿體的軸向位移峰值隨著承載板間距的增大而減小，當(dāng)承載板間距為1 m，1.5 m，2 m，3 m，4 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大軸向位移值分別為8.0 mm，1.9 mm，0.8 mm，0.5 mm，0.5 mm；可見當(dāng)承載板間距小于1.5 m時(shí)，位移將發(fā)生陡增。

3)由圖4可以看出，就單個(gè)承載體而言，其剪應(yīng)力的分布是不均勻的，剪應(yīng)力在承載板附近最大，隨著距離的增大逐漸減小，其不均勻程度主要受承載板的間距控制。如對(duì)于承載板間距為3 m的情況，距離承載板位置約1.5 m處，單個(gè)承載體范圍剪應(yīng)力由峰值551 kPa降至48 kPa，表明該錨固單元大部分并未起到承載作用，即設(shè)計(jì)長(zhǎng)度過長(zhǎng)；而對(duì)于承載板間距為1.5 m的情況，剪應(yīng)力峰值約586 kPa，最小值約301 kPa，其均勻程度較間距為3 m的情況要好得多，表明剪應(yīng)力沿整個(gè)錨固段分布較為均勻，可以較為充分地發(fā)揮整個(gè)錨固段的承載能力。

綜合考慮不同間距布置下錨固段軸向應(yīng)力分布規(guī)律、軸向位移分布規(guī)律及剪應(yīng)力分布規(guī)律，建議碎裂巖體中壓力分散型錨索的承載板間距取為1.5 m～2.0 m(單個(gè)承載體加載300 kN)。同理，單元錨固力為300 kN時(shí)，風(fēng)化軟巖中壓力分散型錨索的承載板間距取為2.5 m～3.0 m，建議砂粘土中壓力分散型錨索的承載板間距取為5 m～5.5 m。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值分析方法研究了壓力分散型錨索在碎裂巖體、風(fēng)化軟巖以及砂粘土等三種類型圍巖中承載板合理間距的取值問題，提出了承載板合理間距的確定標(biāo)準(zhǔn)，并給出了不同圍巖中承載板間距的取值范圍，對(duì)壓力分散型錨索的設(shè)計(jì)和施工均有一定的參考意義。

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Research on numeric simulation of pressuredispersive anchoring bearing plate reasonable distance

WANG Hao HONG Liang

(AnhuiCommunicationPlanningDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230011,China)

The paper adopts numeric simulation and theoretic analysis method, researches the reasonable distance of pressure dispersive anchoring bearing plate, provides the recommended value of the reasonable distance in various surrounding rock based on the data analysis result, and the result is meaningful for the design of the pressure dispersive anchoring.

pressure dispersive anchoring, numeric analysis, anchoring mechanism, reasonable distance of bearing plate

2014-07-17

汪 浩(1982- )，男，工程師; 洪 亮(1988- )，男，助理工程師

1009-6825(2014)27-0065-02

TU452

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