全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿受力分析

董少華 張 壯 陶春晨

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

0 引 言

錨桿是用來(lái)保持巖土體穩(wěn)定性的一種有效措施.全長(zhǎng)注漿錨桿大量地應(yīng)用于隧道、邊坡的支護(hù)、加固工程中，其施工簡(jiǎn)單、成本比較低，能在施工后迅速提供支護(hù)力，能夠發(fā)揮巖土體的強(qiáng)度，限制巖土體的發(fā)展，加強(qiáng)了錨固范圍內(nèi)巖層整體性，增強(qiáng)了錨固系統(tǒng)的作用效果[1].

近年來(lái)，工程中的塌方事故時(shí)有發(fā)生，是對(duì)作業(yè)人員的生命安全及其企業(yè)的財(cái)產(chǎn)安全一大威脅，故對(duì)錨桿支護(hù)的研究還有待深入.錨固支護(hù)加固作用效果的試驗(yàn)需要在限定的條件下和理想化的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這是因?yàn)殄^固是作用于條件復(fù)雜巖土體的.錨桿對(duì)巖土體的加固有著復(fù)雜的作用機(jī)理，其主要表現(xiàn)為：錨桿、注漿體與巖土體粘結(jié)在一起提高了巖土體的整體穩(wěn)定性，并且使巖體抗變形能力得到了有效的提高.錨桿的拉拔試驗(yàn)是研究分析錨桿荷載傳遞及破壞機(jī)制的有效手段[2].國(guó)內(nèi)外許多研究者開(kāi)展了錨桿拉拔試驗(yàn)研究，取得了較為豐富的成果.但受到現(xiàn)階段試驗(yàn)及觀測(cè)手段的限制，錨桿的應(yīng)力分布難以準(zhǔn)確獲得，數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種重要的研究方式.

本文通過(guò)有限元軟件FLAC3D對(duì)錨桿的受力進(jìn)行數(shù)值模擬，首先模擬隨著荷載的增加，錨桿的應(yīng)力、位移和軸向力隨著錨桿長(zhǎng)度的分布情況；然后改變錨桿直徑，分析相同荷載作用下，不同直徑的錨桿受力形式.通過(guò)數(shù)值分析，得出了錨桿的受力情況，總結(jié)其受力的規(guī)律[3].

1 全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿模型的建立

對(duì)于全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿，為了能夠反映錨桿的真實(shí)受力情況.有必要構(gòu)造能夠反映錨件-砂漿-巖體之間實(shí)際存在的相互作用的模型，把錨件、外裹的注漿體(一般為砂漿)和巖土體均作為獨(dú)立的單元體來(lái)建立[4].然后通過(guò)施加不同拉拔荷載、改變錨桿的直徑，計(jì)算分析模型.錨桿受力后,其可能的破壞形式有錨桿與注漿體、注漿體與巖體界面的滑移和開(kāi)裂及注漿體沿軸向的拉裂等,假定錨桿、注漿體和巖體的界面之間均不發(fā)生相對(duì)滑移和開(kāi)裂的現(xiàn)象,注漿體本身也不會(huì)被拉裂.模擬單根錨桿拉拔的受力過(guò)程，分析得到結(jié)果.圖1為所建模型圖，圖2為接觸面模型圖.

圖1 計(jì)算模型

圖2 接觸面模型

計(jì)算模型采用長(zhǎng)6 m、寬6 m、高3 m的巖體，限制巖體邊界的位移，注漿體的直徑為50 mm，模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[4]，具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2 全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿計(jì)算及分析

(1)錨桿端部(受荷載作用的一側(cè))為坐標(biāo)原點(diǎn).通過(guò)對(duì)錨桿在桿端施加不同的拉力,由圖3、圖4的可以看出,錨桿位移和正應(yīng)力分布集中于錨桿端部,且分布曲線較陡,故錨桿的受力分布是非線性的.

(2)把注漿體與圍巖視為相對(duì)變形可以忽略的穩(wěn)定體，則錨桿的破壞可視為錨桿—注漿體界面的破壞，即施加的力超過(guò)了界面的摩擦力與粘聚力之和，發(fā)生了較大的相對(duì)位移，從而使界面失去繼續(xù)承受力的能力.

(3)分析圖5可知，錨桿—注漿體界面距離受荷載作用的一側(cè)的位置越近承受的力越大，一定范圍內(nèi)，增加錨桿的長(zhǎng)度可以增加應(yīng)力的分布范圍，增強(qiáng)錨固的效果；隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，作用力逐漸分布到周?chē){體上，遠(yuǎn)離端部的錨桿一側(cè)受力逐漸變小.當(dāng)錨桿超過(guò)一定的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度將不再影響錨桿軸向力的分布，錨桿尾部不再承受力的作用，當(dāng)距離端部較近的一側(cè)發(fā)生破壞時(shí)，遠(yuǎn)離端部一側(cè)還未受力，可能產(chǎn)生端部破壞尾部重新承受荷載作用的情況.

圖3 20 mm錨桿不同荷載位移圖 圖4 20 mm錨桿不同荷載應(yīng)力圖

圖5 20 mm錨桿不同荷載軸力圖

(3)如圖六、圖七所示，對(duì)直徑不同的錨桿施加相同荷載，直徑小的錨桿端部(受荷載作用的一側(cè))承受的正應(yīng)力偏大，曲線變化率較大，作用力傳遞到注漿體的速率較快，在一定范圍內(nèi)，直徑較小的錨桿承受荷載作用時(shí)，注漿體的強(qiáng)度可以得到更加充分的利用；直徑較大的錨桿端部正應(yīng)力分布較小，曲線變化率較小，一定條件下，增大錨桿的直徑可使錨的作用范圍變大，加強(qiáng)錨桿的效果.

(4)當(dāng)產(chǎn)生錨桿—注漿體界面破壞時(shí)，直徑較小的錨桿的注漿體會(huì)先于直徑較大錨桿的注漿體發(fā)生破壞，為了支護(hù)工程的安全考慮，注漿體強(qiáng)度較大時(shí)，錨桿直徑選用可以偏小一些，使桿體和注漿體的強(qiáng)度能夠充分發(fā)揮；若注漿體強(qiáng)度偏小，為了安全考慮，錨桿直徑選用較大的，儲(chǔ)存足夠的強(qiáng)度，用于工程時(shí)使支護(hù)面不會(huì)迅速坍塌.

圖6 不同直徑錨桿位移對(duì)比圖 圖7 不同直徑錨桿應(yīng)力對(duì)比圖

3 結(jié) 論

由以上的分析可看出,錨桿的直徑和長(zhǎng)度改變可以對(duì)錨固的效果產(chǎn)生一定的影響：在一定范圍內(nèi)，增加錨桿的長(zhǎng)度或增大錨桿的直徑，可以增大界面應(yīng)力的分布范圍，加強(qiáng)錨桿的錨固效果，但是錨桿的長(zhǎng)度超過(guò)其有效錨固長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)錨桿應(yīng)力和軸向力的分布影響不大.

全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿的受力形式可概況為:錨桿的作用力通過(guò)錨桿與注漿體之間和注漿體與巖體之間的摩擦力和粘接力傳遞給巖體.反過(guò)來(lái),當(dāng)巖體受到外界作用發(fā)生變形時(shí),同樣依靠界面的摩擦力和粘結(jié)力作用于錨桿,使錨桿承受力的作用并加固巖體,限制巖體的進(jìn)一步的發(fā)展變形.當(dāng)外荷載作用力較小時(shí),錨桿及其與注漿體之間的摩擦力和粘結(jié)力平衡外荷載;當(dāng)巖體變形不斷增大時(shí),錨桿的受力范圍增大.