一種大尺度讓壓錨桿特性分析及其應(yīng)用研究

楊喻聲

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

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一種大尺度讓壓錨桿特性分析及其應(yīng)用研究

楊喻聲1, 2

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

隨著眾多深、大、長(zhǎng)隧道的建設(shè)，軟巖擠壓性大變形問(wèn)題日益突出。讓壓錨桿是一種治理大變形問(wèn)題的有效手段。介紹大尺度讓壓錨桿的結(jié)構(gòu)及支護(hù)過(guò)程，并采用ANSYS軟件驗(yàn)證大尺度讓壓錨桿彈性變形、滑動(dòng)讓壓、桿體受拉3階段的工作特性。采用基于Hoek隧洞擠壓預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式的概率分析方法和ABAQUS軟件分別對(duì)讓壓錨桿的讓壓力和讓壓量研究，結(jié)果表明： 1)錨桿讓壓力存在下限值，巖體抗壓強(qiáng)度越高，下限值越低； 2)讓壓量增大到一定程度后，再增加相同的讓壓量，二次襯砌壓力降幅減小。利用大尺度讓壓錨桿的受拉階段，實(shí)現(xiàn)“邊支邊讓?zhuān)热岷髣偂保捎行Э刂茋鷰r大變形，提高隧洞的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

大尺度讓壓錨桿； 軟巖大變形； Hoek經(jīng)驗(yàn)公式； 讓壓力； 讓壓量

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道工程建設(shè)不斷向更深更復(fù)雜的地層發(fā)展，原巖應(yīng)力不斷增加。高地應(yīng)力會(huì)使軟巖地下硐室、隧道發(fā)生擠壓性大變形，是一種危害程度大、整治費(fèi)用高的地質(zhì)災(zāi)害[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，提出了一些解決方案，諸如超前管棚支護(hù)[2]，可伸縮鋼拱架[3-4]，主動(dòng)松動(dòng)卸壓[5]，超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)合擴(kuò)挖、復(fù)挖[6]等方法。允許圍巖發(fā)生一定程度的變形，在變形過(guò)程中施加一定的支護(hù)壓力，即“邊支邊讓”[1]已經(jīng)成為治理軟巖大變形問(wèn)題的共識(shí)。

可適應(yīng)較大變形的高強(qiáng)讓壓錨桿是一種能夠有效治理軟巖擠壓性大變形問(wèn)題的手段。何亞男[7]闡述了讓壓錨桿設(shè)計(jì)的基本原理，主要分2種： 1)采用塑性好的鋼材制作桿體，利用桿體較大的延伸率實(shí)現(xiàn)讓壓，如圖1(a)所示； 2)設(shè)置某種機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)的摩擦滑移特性實(shí)現(xiàn)讓壓，如圖1(b)所示。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了多種新型讓壓錨桿，如改進(jìn)型Cone錨桿[8]、新型耗能錨桿[9]、拉壓耦合大變形錨桿[10]、讓壓管錨桿[11]、Garford錨桿[12]、Yield-Lok錨桿[13]、D錨桿[14]、NPR錨桿[15]等，其原理都是利用桿體塑性或機(jī)械結(jié)構(gòu)的滑移特性。利用桿體鋼材塑性的讓壓錨桿讓壓量受材料性能限制，理想狀態(tài)下伸長(zhǎng)率最大不超過(guò)20%，讓壓量有限。利用機(jī)械結(jié)構(gòu)滑移原理設(shè)計(jì)的讓壓錨桿在工程實(shí)踐中逐漸得到推廣應(yīng)用[15-16]，但讓壓錨桿讓壓力的大小和讓壓量的控制等關(guān)鍵問(wèn)題尚未解決。

(a) 利用桿體塑性

(b) 利用機(jī)械結(jié)構(gòu)滑移

針對(duì)軟巖擠壓性大變形問(wèn)題，孫鈞先生近年與圖強(qiáng)工程材料公司合作，研發(fā)了采用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大尺度讓壓錨桿[1,17]。郭永建等[18]對(duì)大尺度讓壓錨桿進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了讓壓錨桿的讓壓特性。但對(duì)此種大尺度讓壓錨桿的定量分析以及機(jī)制研究較少。本文以大尺度讓壓錨桿為基礎(chǔ)，采用ANSYS軟件分析讓壓錨桿的受力特性及機(jī)制，基于Hoek經(jīng)驗(yàn)擠壓預(yù)測(cè)公式，采用概率分析法討論讓壓力對(duì)隧洞變形的影響，并結(jié)合實(shí)際工程參數(shù)，利用ABAQUS軟件分析讓壓量對(duì)二次襯砌壓力的影響。

1 讓壓錨桿的結(jié)構(gòu)及支護(hù)過(guò)程

1.1 讓壓錨桿的結(jié)構(gòu)

同普通錨桿類(lèi)似，大尺度讓壓錨桿由鉆頭、桿體和墊板等組成，在錨桿的端部設(shè)置具有讓壓功能的機(jī)構(gòu)[19]?？紤]到發(fā)生擠壓性大變形的硐室或隧道地層條件較差，錨桿受力復(fù)雜，所以大尺度讓壓錨桿采用外讓壓方式，讓壓機(jī)構(gòu)設(shè)置在墊板外側(cè)，以保證讓壓效果。讓壓機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由擠壓套管、空心桿體、墊板和螺母組成。擠壓套管通過(guò)擠壓機(jī)擠壓成型，向內(nèi)擠壓空心桿體，使桿體外徑縮小，增大其與擠壓套管之間的壓力，進(jìn)而增大兩者之間的摩擦力。讓壓時(shí)，墊板受到圍巖荷載作用，推動(dòng)擠壓套管沿桿體向洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)，空心桿體受到擠壓，收縮滑動(dòng)。擠壓套管與空心桿體之間的滑動(dòng)摩擦力即為讓壓力，一般低于桿體屈服荷載，保證讓壓過(guò)程桿體材料處于彈性變形階段。由于讓壓段桿體徑向收縮量較小，對(duì)桿體損傷很小，桿體受拉性能基本不受影響，讓壓結(jié)束后可繼續(xù)承載。

圖2 大尺度讓壓錨桿

1.2 讓壓錨桿支護(hù)過(guò)程

圍巖受隧道或硐室開(kāi)挖擾動(dòng)，產(chǎn)生變形。圍巖變形初期，荷載大； 隨著變形的發(fā)展，圍巖荷載逐漸減小，直至最后穩(wěn)定。讓壓錨桿在圍巖變形穩(wěn)定的過(guò)程中提供支護(hù)，邊支邊讓?zhuān)刂茋鷰r變形，保證隧道或硐室的穩(wěn)定。根據(jù)圖強(qiáng)工程材料公司提供的讓壓錨桿典型特征變形曲線(如圖3所示)，大尺度讓壓錨桿的支護(hù)過(guò)程大致分為4個(gè)階段： 1)OA階段。錨桿受力較小，低于擠壓套管和空心桿體之間的最大靜摩擦力，桿體與套管之間保持相對(duì)靜止，桿體受拉，發(fā)生彈性變形，如圖4(a)所示； 2)AB階段。錨桿受力超過(guò)擠壓套管與空心桿體之間的最大靜摩擦力，套管沿桿體發(fā)生滑移，提供恒定的讓壓支護(hù)力，等于套管與桿體之間的滑動(dòng)摩擦力，讓壓量可以根據(jù)工程需要設(shè)定，如圖4(b)所示； 3)BC階段。在B點(diǎn)，擠壓套管與桿體端部的螺母接觸，桿體被鎖定，擠壓套管與桿體再次保持相對(duì)靜止，桿體受力增加。由于桿體鋼材塑性好，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)16%及以上，桿體受力超過(guò)屈服荷載后，進(jìn)入屈服強(qiáng)化階段，繼續(xù)支護(hù)，如圖4(c)所示。在C點(diǎn)，達(dá)到錨桿極限讓壓量。此階段讓壓錨桿桿體受拉提供支護(hù)力，遠(yuǎn)大于AB階段的讓壓力，在工程設(shè)計(jì)時(shí)一般不利用； 4)CD階段。桿體鋼材進(jìn)入頸縮階段，發(fā)生斷裂，讓壓錨桿失效。

2 讓壓錨桿有限元分析

相比于室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，有限元模擬高效易行，可為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)選取提供參考，且便捷的參數(shù)優(yōu)化功能也可對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)。所以，有限元分析對(duì)大尺度讓壓錨桿特性的驗(yàn)證以及進(jìn)一步優(yōu)化具有不可替代的作用。下文采用ANSYS軟件對(duì)大尺度讓壓錨桿的工作特性進(jìn)行分析。

圖3 大尺度讓壓錨桿變形曲線

Fig. 3 Deformation curve of yielding anchor bolt with large allowable deformation

(a) OA階段

(b) AB階段

(c) BC階段

Fig. 4 Support deformation of yielding anchor bolt with large allowable deformation

2.1 有限元模型

選用三維20節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID186模擬讓壓錨桿，對(duì)應(yīng)的8節(jié)點(diǎn)接觸單元TARGET170和CONTACT174建立擠壓套管內(nèi)表面與空心桿體外表面、螺母與擠壓套管之間的接觸關(guān)系。接觸面初始間隙設(shè)為0.1 mm，參照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，摩擦因數(shù)取0.4。預(yù)設(shè)錨桿讓壓量100 mm。利用對(duì)稱性，取1/4模型分析，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖5所示，模型參數(shù)如表1所示。桿體采用塑性好，延伸率大的軟鋼，材料本構(gòu)選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，以2條直線段描述鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，切線模量取790 MPa，材料參數(shù)如表2所示。有限元模型側(cè)面施加對(duì)稱位移約束，擠壓套管施加軸向位移約束。采用位移加載方式，空心桿體前端施加120 mm位移荷載。

圖5 有限元模型

Fig. 5 FEM model of yielding anchor bolt with large allow-able deformation

表1 模型參數(shù)

注： 接觸面和目標(biāo)面只計(jì)入擠壓套管與空心桿體之間接觸對(duì)。

表2 材料參數(shù)

分析過(guò)程共2個(gè)荷載步： 1)建立擠壓套管與空心桿體之間接觸壓力。設(shè)置ANSYS接觸模型的初始間隙參數(shù)，求解兩者之間的接觸壓力； 2)支護(hù)過(guò)程模擬?？招臈U體位移加載，分析讓壓錨桿的工作過(guò)程。

2.2 有限元結(jié)果分析

2.2.1 支護(hù)力-位移關(guān)系

讓壓錨桿支護(hù)力-位移曲線如圖6所示。由圖可知讓壓錨桿3階段工作特性明顯： 1)彈性變形階段。支護(hù)力與位移呈線性關(guān)系； 2)滑動(dòng)讓壓階段。荷載超過(guò)最大靜摩擦力后，擠壓套管與空心桿體發(fā)生相對(duì)滑移，支護(hù)力由最大靜摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力，略有降低，此后，支護(hù)力保持恒定； 3)受拉階段。當(dāng)空心桿體端部螺母與擠壓套管接觸后，桿體受力增加，支護(hù)力提高?；瑒?dòng)讓壓力一般低于桿體屈服荷載，在初期短暫的彈性變形后，進(jìn)入屈服強(qiáng)化階段，直至最終斷裂破壞。

圖6 讓壓錨桿支護(hù)力-位移曲線

Fig. 6 Support pressures vs. deformation of yielding anchor bolt with large allowable deformation

2.2.2 工作階段性態(tài)

位移加載至80 mm和110 mm時(shí)，讓壓錨桿分別處于滑動(dòng)讓壓階段和桿體受拉階段(見(jiàn)圖6中E點(diǎn)和F點(diǎn))，讓壓錨桿軸向彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變對(duì)比分別如圖7和圖8所示。由圖可知： 位移等于80 mm時(shí)，讓壓錨桿處于讓壓階段，桿體以彈性應(yīng)變?yōu)橹?，塑性?yīng)變很小； 位移等于110 mm時(shí)，讓壓錨桿處于桿體受拉階段，桿體彈性應(yīng)變基本保持不變，但塑性應(yīng)變急劇增加。桿體在讓壓階段僅傳遞讓壓力，處于彈性階段。桿體受拉階段類(lèi)似于普通錨桿發(fā)生屈服強(qiáng)化，直至最終斷裂破壞。2階段桿體工作性態(tài)不同，塑性發(fā)展水平有顯著差異。

3 讓壓力大小

3.1 Hoek擠壓預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式

E. Hoek等[20]基于靜水壓力場(chǎng)中圓形隧洞解析解，利用Monte Carlo方法，建立了巖體強(qiáng)度應(yīng)力比(巖體抗壓強(qiáng)度和最大地應(yīng)力比值)與隧洞變形之間的關(guān)系(見(jiàn)式(1))，并在此基礎(chǔ)上，提出了隧洞擠壓程度分類(lèi)方法，得到了廣泛認(rèn)可。

ε=(0.2-0.25pi/p0)(σcm/p0)2.4pi/p0-2。

(1)

式中： ε為洞室收斂比，表示洞室內(nèi)壁變形量與洞室直徑的比值； pi為支護(hù)壓力，當(dāng)pi=0時(shí)，即為無(wú)支護(hù)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式； p0為豎向地應(yīng)力和水平地應(yīng)力的較大值； σcm為巖體抗壓強(qiáng)度，由Hoek-Brown準(zhǔn)則中相關(guān)參數(shù)計(jì)算。

(a) 位移=80 mm(E點(diǎn))

(b) 位移=110 mm(F點(diǎn))

Fig. 7Elasticstrainsofyieldinganchorboltwithlargeallowabledeformation

(a) 位移=80 mm(E點(diǎn))

(b) 位移=110 mm(F點(diǎn))

Fig. 8 Plastic strain of yielding anchor bolt with large allowable deformation

K.K. Panthi等[21]利用Hoek預(yù)測(cè)方法(式(1))分析Kaligandaki引水隧洞的收斂情況，與監(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確性。張傳慶等[22]定義巖石峰值應(yīng)變與巖石峰值應(yīng)變參考值(0.73%)為潛在擠壓比，表征不同巖石的變形能力，修正了Hoek預(yù)測(cè)方法，用于預(yù)測(cè)錦屏二期引水隧洞的擠壓變形，證明Hoek經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法是有效的。下文基于此方法，采用@Risk概率分析軟件探究不同支護(hù)力大小對(duì)隧洞收斂比的影響。

3.2 概率分析模型

@Risk分析軟件采用Monte Carlo方法模擬，在服從指定分布的輸入量一定區(qū)間內(nèi)隨機(jī)取點(diǎn)，進(jìn)行上千次的計(jì)算分析，來(lái)生成可能的結(jié)果分布。Hoek(某隧道)和K.K. Panthi(Kaligandaki引水隧洞)都采用此方法進(jìn)行了隧洞收斂預(yù)測(cè)分析。本文首先采用相同的參數(shù)和輸入分布形式建立概率分析模型，模擬結(jié)果與原文對(duì)比驗(yàn)證后，設(shè)置不同的支護(hù)力，以探究不同支護(hù)力大小對(duì)隧洞收斂的影響。

文獻(xiàn)[20]假設(shè)地應(yīng)力為正態(tài)分布，支護(hù)壓力取定值1 MPa，且?guī)r體抗壓強(qiáng)度由Hoek-Brown準(zhǔn)則中的參數(shù)單軸抗壓強(qiáng)度σci、經(jīng)驗(yàn)常數(shù)mi和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI計(jì)算求得，其概率分析模型(以下簡(jiǎn)稱Hoek模型)輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)值及分布形式如表3所示。文獻(xiàn)[21]認(rèn)為地應(yīng)力越大，發(fā)生擠壓的可能性越高，故假設(shè)地應(yīng)力的倒數(shù)1/p0為指數(shù)分布，同時(shí)假設(shè)支護(hù)壓力為正態(tài)分布，其概率分析模型(以下簡(jiǎn)稱Panthi模型)輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)值及分布形式如表4所示。

表3 Hoek模型輸入變量的統(tǒng)計(jì)值及分布形式

Table 3 Statistical values and distribution modes of input variable of Hoek model

統(tǒng)計(jì)量p0/MPaσci/MPamiGSI最小值2．75513最大值5．94401128平均值4．320820方差1．61225分布形式正態(tài)分布正態(tài)分布正態(tài)分布正態(tài)分布

表4 Panthi模型輸入變量的統(tǒng)計(jì)值及分布形式

Table 4 Statistical values and distribution modes of input variable of Panthi model

統(tǒng)計(jì)量p-10/MPa-1σcm/MPapi/MPa最小值0．062．470．46最大值0．0875．891．27平均值0．0734．050．71方差1．210．3分布形式指數(shù)分布正態(tài)分布正態(tài)分布

假設(shè)支護(hù)壓力服從正態(tài)分布[21]。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，服從正態(tài)分布的參數(shù)取值在平均值3倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的概率為99.7%，為討論不同支護(hù)力對(duì)隧洞收斂的影響，支護(hù)力取0～1.5 MPa，不同支護(hù)力的輸入統(tǒng)計(jì)值如表5所示。

3.3 讓壓力結(jié)果與分析

對(duì)不同支護(hù)力進(jìn)行10 000次模擬迭代，Hoek模型和Panthi模型的累計(jì)概率分布如圖9所示。由圖可知： 支護(hù)力越大，相同的可靠度下，隧洞收斂比越小，即圍巖變形更小，隧洞穩(wěn)定性更好。

表5 不同支護(hù)力的輸入統(tǒng)計(jì)值

(a) Hoek模型

(b) Panthi模型

不同可靠度下，收斂比與支護(hù)力的關(guān)系如圖10所示。由圖可知： 隨著支護(hù)力的增加，不同可靠度下隧洞收斂比差異減小。相同可靠度下，隧洞收斂比降幅隨支護(hù)力增大而逐漸減小，具有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Hoek模型的結(jié)果比Panthi模型趨勢(shì)更明顯，可能與地應(yīng)力分布形式假設(shè)不同有關(guān)。

(a) Hoek模型

(b) Panthi模型

隧洞收斂比降幅隨支護(hù)力增大而逐漸減小，具有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說(shuō)明讓壓力存在下限值?；贖oek經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式，在不同巖體抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力比值下，支護(hù)力與地應(yīng)力比值和收斂比的關(guān)系如圖11所示。由圖可知： 當(dāng)支護(hù)力超過(guò)地應(yīng)力的40%時(shí)，隧洞收斂比低于5%，可以有效控制圍巖變形。巖體抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力比值增大時(shí)，收斂比曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)左移，支護(hù)力的下限隨之降低，即巖體抗壓強(qiáng)度越高，支護(hù)力下限越低。

讓壓力的下限可以從收斂約束法的基本原理解釋。如圖12所示，無(wú)支護(hù)時(shí)，圍巖發(fā)生一定變形后破壞； 當(dāng)支護(hù)力較小時(shí)，讓壓錨桿支護(hù)曲線不與圍巖收斂約束曲線相交，表明讓壓錨桿并沒(méi)有形成有效的支

護(hù)，僅延緩了圍巖的破壞。讓壓錨桿讓壓力大于圍巖收斂約束曲線最低點(diǎn)所需的支護(hù)力時(shí)，即讓壓力的下限時(shí)，才能有效穩(wěn)定圍巖，控制變形。在工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)保證讓壓錨桿的讓壓支護(hù)力大于讓壓下限值。

圖11 支護(hù)力/地應(yīng)力與收斂比的關(guān)系

Fig. 11 Relationships between convergence ratio and ratio of support pressure to ground stress

圖12 讓壓錨桿支護(hù)力下限

4 讓壓量

4.1 有限元分析模型

國(guó)內(nèi)旅游學(xué)術(shù)界對(duì)于游客感知價(jià)值尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其中學(xué)者李文兵，張紅梅在顧客感知價(jià)值的基礎(chǔ)上提出游客感知價(jià)值是“游客在感知利得和利失的基礎(chǔ)上對(duì)旅游產(chǎn)品或旅游服務(wù)在一定的旅游情境中滿足其旅游需要程度的感知和評(píng)價(jià)”【4】。本文正是基于以上兩位學(xué)者對(duì)于游客感知價(jià)值的定義，研究和評(píng)價(jià)民宿游客在感知利得和利失的基礎(chǔ)上對(duì)于民宿旅游產(chǎn)品或服務(wù)是否滿足其旅游需求的總體感知和評(píng)價(jià)。

4.1.1 巖體及支護(hù)參數(shù)

選用ABAQUS軟件中的Drucker-Prager本構(gòu)模型，采用烏鞘嶺隧道圍巖參數(shù)，如表6所示[23]。計(jì)算范圍取60 m×60 m，中間開(kāi)挖半徑為5.38 m的隧道，左邊界水平方向施加位移約束，下邊界豎直方向施加位移約束，圍巖側(cè)壓力系數(shù)為1.0，上邊界、右邊界作用巖體壓力均約9.71 MPa。利用對(duì)稱性，取1/4模型分析。

表6 烏鞘嶺隧道巖體參數(shù)

初期襯砌在隧道開(kāi)挖后立即施作，采用噴射工法，厚度和質(zhì)量離散性均較大，加之隧道地應(yīng)力高，圍巖荷載較大，一般分析中采用彈性本構(gòu)模型與實(shí)際情況不符。本文考慮初期襯砌的屈服，采用理想彈塑性模型，參照混凝土規(guī)范，屈服強(qiáng)度取10 MPa。二次襯砌為模筑混凝土，厚度和配筋率較大，質(zhì)量可靠，采用彈性模型。襯砌計(jì)算參數(shù)如表7所示。

表7 襯砌計(jì)算參數(shù)

4.1.2 讓壓錨桿模擬

錨桿的有限元模擬方法主要有2種： 全長(zhǎng)錨固型錨桿通常采用桿單元； 兩端錨固式錨桿則采用1對(duì)相向集中力模擬。讓壓錨桿與普通錨桿不同，支護(hù)過(guò)程包括彈性變形、滑動(dòng)讓壓和桿體受拉3階段，要對(duì)讓壓錨桿精確建模，尺寸上的巨大差異加大了單元間耦合的難度，也提高了計(jì)算收斂的難度。如上文所述，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中一般不利用桿體受拉階段?？紤]到開(kāi)挖初期圍巖壓力極大，讓壓錨桿彈性變形階段很短； 同時(shí)，讓壓錨桿讓壓過(guò)程中，桿體與孔壁之間尚未注漿，類(lèi)似于兩端錨固式錨桿。所以，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文采用1對(duì)相向集中力模擬讓壓錨桿，集中力大小取讓壓錨桿恒阻讓壓力。通過(guò)在二次襯砌與初期襯砌之間預(yù)留不同的間隙模擬不同大小的讓壓量?？紤]墊板的作用，洞壁側(cè)將集中力換算為等效均布荷載施加在圍巖上[24]。讓壓錨桿有效工作的前提是錨固穩(wěn)定，其錨固深度應(yīng)較普通錨桿有相應(yīng)提高，本文取5 m。讓壓錨桿布設(shè)方式采用工程中常見(jiàn)的1.8 m×1.8 m梅花形，等效平面布設(shè)如圖13所示。恒阻讓壓力取150 kN，考慮對(duì)稱作用，計(jì)算時(shí)拱頂和右?guī)秃阕枳寜毫θ?/2。采用提高巖體參數(shù)的方法模擬注漿與系統(tǒng)錨桿加固效果，將洞周3 m范圍內(nèi)施錨區(qū)巖體彈性模量和黏聚力分別提高30%[25]，即E=9.3 GPa，c=291.2 kPa，而內(nèi)摩擦角和泊松比不變。

4.1.3 計(jì)算分析步

實(shí)際工程中，初期襯砌一般在隧道開(kāi)挖后立即施作，考慮到開(kāi)挖、施工等因素，初期襯砌發(fā)揮作用時(shí)圍巖應(yīng)力已有所釋放。本研究采用在初期襯砌單元激活前降低開(kāi)挖區(qū)域巖體彈性模量的方法，來(lái)模擬應(yīng)力釋放效應(yīng)。關(guān)于應(yīng)力釋放率的取值，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，本研究取30%[25]。初期襯砌與圍巖密貼，采用綁定約束模擬兩者之間的接觸。

圖13 讓壓錨桿布設(shè)示意圖

4.2 讓壓量結(jié)果與分析

二次襯砌壓力與讓壓量的關(guān)系如圖14所示。讓壓量增加，二次襯砌受到的壓力逐漸減小。擬合關(guān)系表明二次襯砌壓力與讓壓量呈對(duì)數(shù)下降關(guān)系，讓壓量增加到一定水平后，再增加相同的讓壓量，二次襯砌受到的壓力降幅減小。

圖14 二次襯砌壓力與讓壓量的關(guān)系

Fig. 14 Relationships between pressures acting on secondary lining and yielding deformation

針對(duì)軟巖大變形問(wèn)題，工程實(shí)踐中通常較早施作二次襯砌，限制圍巖位移。而分析結(jié)果表明，隧道開(kāi)挖初期，圍巖荷載大，預(yù)留一定的讓壓量，再施作二次襯砌，利用讓壓錨桿“邊支邊讓”的特點(diǎn)，能夠有效控制圍巖變形，減小開(kāi)挖影響，改善圍巖受力狀態(tài)，保持圍巖整體性，減小二次襯砌受到的壓力。但讓壓量應(yīng)適當(dāng)，過(guò)大的讓壓量對(duì)降低二次襯砌壓力效果不明顯，同時(shí)易導(dǎo)致巖體裂隙發(fā)展，降低巖體整體性，不利于隧洞的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5 讓壓支護(hù)理念

讓壓錨桿的支護(hù)思想是“邊支邊讓”。圍巖變形初期，讓壓錨桿支護(hù)壓力相對(duì)于圍巖荷載較小，支護(hù)效果不明顯，讓壓錨桿支護(hù)“以讓為主”； 圍巖變形發(fā)展到一定程度后，圍巖荷載降低，而讓壓錨桿支護(hù)力穩(wěn)定，逐漸控制圍巖變形，進(jìn)入“以支為主”的工作階段，穩(wěn)定圍巖。讓壓錨桿的支護(hù)原理是在圍巖變形的過(guò)程中擠壓圍巖，形成承壓拱，利用圍巖的自承作用； 同時(shí)，在讓壓過(guò)程中將等于錨桿支護(hù)力的圍巖荷載傳遞到巖體深部，發(fā)揮讓壓錨桿的懸吊作用，調(diào)動(dòng)深部巖體的支承力，如圖15所示。

圖15 讓壓錨桿的支護(hù)原理

如上文所述，大尺度讓壓錨桿在桿體受拉階段可以提供更高的支護(hù)力穩(wěn)定圍巖，張彪等[16]在毛羽山隧道進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也初步證明了這點(diǎn)。圍巖變形一定程度后，讓壓錨桿“以支為主”，更高的支護(hù)壓力有利于約束圍巖變形，穩(wěn)定圍巖。傳統(tǒng)的讓壓錨桿，后期無(wú)法提供更高的支護(hù)力，只能在圍巖荷載降低到讓壓力之下才能穩(wěn)定圍巖，僅實(shí)現(xiàn)了“邊支邊讓”的支護(hù)理念。利用大尺度讓壓錨桿，可以在一定的讓壓量后鎖定桿體，利用桿體受拉階段，真正實(shí)現(xiàn)“先柔后剛”的支護(hù)思想，如圖16所示。傳統(tǒng)讓壓錨桿讓壓力保持恒定，為了保證最終能夠有效穩(wěn)定圍巖，讓壓力一般較大； 而大尺度讓壓錨桿后期支護(hù)力可大幅增加，所以讓壓力只需大于下限值即可，圍巖變形初期，合適的讓壓力有利于充分釋放圍巖變形，圍巖變形后期，高支護(hù)力有效約束圍巖，真正實(shí)現(xiàn)讓壓錨桿“邊支邊讓?zhuān)热岷髣偂钡闹ёo(hù)理念，減小圍巖變形量，有利于隧洞的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖16 大尺度讓壓錨桿支護(hù)曲線

Fig. 16 Support curve of yielding anchor bolt with large allowable deformation

6 結(jié)論與討論

1)大尺度讓壓錨桿工作分彈性變形、滑動(dòng)讓壓和桿體受拉3個(gè)階段?；瑒?dòng)讓壓階段讓壓力穩(wěn)定，桿體受拉階段桿體屈服強(qiáng)化，可以提供更高的支護(hù)力，2階段桿體工作性態(tài)不同，塑性發(fā)展水平有顯著差異。

2)讓壓錨桿讓壓力存在下限值。當(dāng)支護(hù)力超過(guò)地應(yīng)力的40%時(shí)，隧洞收斂比基本低于5%，可以有效控制圍巖變形。巖體抗壓強(qiáng)度越高，支護(hù)力的下限值越低。工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)確保讓壓支護(hù)力大于下限值。

3)讓壓量增加到一定水平后，再增加相同的讓壓量，二次襯砌受到的壓力降幅減小。讓壓量應(yīng)適當(dāng)，利用讓壓錨桿桿體支護(hù)階段更高的支護(hù)力，真正實(shí)現(xiàn)“邊支邊讓?zhuān)热岷髣偂钡闹ёo(hù)理念，有利于隧洞長(zhǎng)期穩(wěn)定。

4)多數(shù)軟巖擠壓性大變形流變現(xiàn)象顯著，讓壓量的合理確定應(yīng)考慮軟巖的蠕變效應(yīng)，需結(jié)合具體工程進(jìn)一步研究； 讓壓錨桿讓壓時(shí)，與其他支護(hù)措施的協(xié)同工作問(wèn)題也有待后續(xù)研究。

7 致謝

圖強(qiáng)工程材料公司王勇高級(jí)工程師為本文大尺度讓壓錨桿研究提供了相關(guān)資料，在此表示衷心感謝！

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Study of Performance and Application of Yielding Anchor Bolt with Large Allowable Deformation

YANG Yusheng1, 2

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineering(TongjiUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200092,China)

The large squeezing deformation of soft rock can not be ignored under the rapid development of tunnel construction. As a result, yielding anchor bolt becomes more and more important in large deformation control. The structure and support mechanism of a new type of yielding anchor bolt with large allowable deformation are introduced. And then the performances of the anchor bolt during elastic deformation phase, sliding yielding phase and tensile phase are verified by ANSYS software. Finally the yielding pressure and yielding deformation of the anchor bolt are analyzed by probit analysis based on Hoek formula and ABAQUS software respectively. The results show that: 1) The lower limit exists in yielding pressure of the anchor bolt; and the higher the compressive strength of rock mass is, the smaller the lower limit of anchor bolt is. 2) The decreasing amplitude of secondary lining decreases when the yielding deformation of anchor bolt reaches a certain value. The concept of “supporting while yielding and flexible support goes first and then rigid support” can be realized; large deformation of surrounding rocks can be controlled effectively; and the long-term stability of the tunnel can be improved during the tensile phase of yielding anchor bolt with large allowable deformation.

yielding anchor bolt with large allowable deformation; large deformation of soft rock; Hoek formula; yielding pressure; yielding deformation

2016-09-19;

2016-11-22

楊喻聲(1993—)，男，重慶忠縣人，同濟(jì)大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)在讀博士，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵陆Y(jié)構(gòu)。E-mail： ysyang@#edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.010

U 455.7+2

A

1672-741X(2017)03-0321-09