隧道初期支護中的玻璃纖維錨桿的力學分析

揭海榮

1 概述

隧道工程的初期支護中涉及到大量的系統錨桿、鎖腳錨桿、小凈距對穿錨桿等等。以鋼材為原材料的傳統錨桿容易銹蝕,給初期支護的安全性和耐久性帶來嚴峻的挑戰。近年來,具有輕質、高強、耐腐蝕、不導電等優良特性的玻璃纖維增強塑料(GFRP)錨桿在隧道工程中已得到初步應用,如在盾構隧道的始發和接受井的端頭加固中的應用、山嶺隧道洞口邊坡工程加固中的應用等等。然而,在國內有關GFRP錨桿的相關研究也比較少,尚屬于起步階段。

在國外,GFRP錨桿應用技術比較成熟,相關的理論研究也比較完善,Malvar教授用同一類型四種不同表面處理的GFRP錨桿,通過試驗研究了外部約束和表面壓痕對粘結性能的影響[1]。Larralde和Silva對直徑分別為9.5 mm,15.9 mm的GFRP錨桿做了拉拔試驗,發現錨固長度較長的桿件試驗所測得的平均粘結應力小于錨固長度較小的桿件所測得的平均粘結應力,然而與鋼筋試驗的結果相比較,GFRP錨桿的平均粘結應力略小于鋼筋的平均粘結應力[2]。為了編制玻璃纖維增強塑料筋混凝土設計規范,Ehsani等人制作并進行了102個試件的單調靜力荷載下的試驗,研究中包括的變量有混凝土抗壓強度、埋長、混凝土保護層厚度、玻璃纖維增強塑料筋直徑、混凝土澆筑深度、曲率半徑和尾長,并基于試驗分析得出了玻璃纖維增強塑料筋基本錨固長度的數學表達式[3]。

相比而言,國內對GFRP錨桿的相關研究顯得滯后一些[4,5]。本文從隧道初期支護力學行為的角度出發,以一個小型的水工隧道為例,重點分析了GFRP錨桿作為系統錨桿代替鋼錨桿的可行性。

2 隧道初期支護系統錨桿中玻璃纖維錨桿的力學分析

2.1 小型水工隧道有限元建模

本水工隧道圍巖為破碎的Ⅴ級圍巖,隧道跨徑為5 m,隧道埋深為30 m,考慮到邊界效應和建模要求,取了隧道跨徑的12倍區域為計算分析區域,在計算區域內加上重力場。

模型的邊界條件為:左右兩邊的水平向和底邊垂向的位移均為零,具體計算參數如下:隧道埋深 h=30 m,土體的重度 γ=18.5 kN/m3,泊松比 μ=0.4,根據側壓力系數 λ=μ/(1-μ),可得λ=2/3;計算區域的范圍為:60 m×60 m的正方形,隧道位于計算域的中心位置;總共2 409個單元,1 307個節點。有限元模型見圖1。圍巖單元的物理力學參數為:變形模量E=1 120 MPa,泊松比 μ=0.4,抗拉強度σt=0 MPa,粘結力 C=0.1 MPa,摩擦角φ=30°,膨脹角 θ=0°,材料為理想彈塑性材料,破壞準則為摩爾—庫侖準則。

錨桿為注漿全長粘結型錨桿,毛洞開挖后,為了便于分析對比,分別采用鋼錨桿錨噴和玻璃纖維錨桿錨噴進行支護,并進行計算分析,錨桿長度為3 m,布置間距為0.8 m×1 m。

鋼錨桿物理力學參數為:Φ=22 mm,E=210 GPa,屈服荷載142 kN,抗拉荷載F=205 kN。

玻璃纖維錨桿物理力學參數為:Φ=22 mm,E=40 GPa,抗拉荷載F=189 kN。

隧道噴射混凝土為C20混凝土,其物理力學參數為:E=21 GPa,μ=0.3,厚度 h=24 cm,抗壓強度 σc=10 MPa,其殘余抗壓強度 σ1c=10 M Pa,抗拉強度 σt=1.1 MPa,殘余抗拉強度 σ1t=0 MPa。

2.2 計算結果分析

有限元平面問題分析考慮了開挖后,洞內周邊圍巖荷載釋放率為30%,初期支護階段荷載釋放率為70%,從而模擬空間的圍巖應力重分布狀況。

由圖2可以看出:GFRP錨桿錨噴支護和鋼錨桿錨噴支護均能夠有效地抑制隧道開挖后的圍巖變形,且在兩種支護方式下,隧道位移基本相當。圖3說明:在上述隧道位移基本相同的情況下,鋼錨桿的最大軸力大約為GFRP錨桿的5倍。從圖4中可以得出:隧道開挖后在兩種不同方式的錨噴支護作用下,圍巖的安全系數基本相同。圖5可以表明:GFRP錨桿錨噴支護和鋼錨桿錨噴支護作用下均能夠很好地控制隧道開挖后塑性區的范圍,且隧道開挖后分別在兩種支護作用下的塑性區范圍基本一致。

不同工況下噴射混凝土的內力及錨桿最大軸力比較見表1。

表1 不同工況下噴射混凝土的內力及錨桿最大軸力比較表

由圖2～圖5及表1的計算結果可以看出,隧道開挖后,在鋼錨桿錨噴與GFRP錨桿錨噴兩種不同形式的初期支護條件下,隧道的位移、塑性區范圍、圍巖的安全系數基本相當,而鋼錨桿的最大軸力大約為GFRP錨桿的5倍。計算結果表明,玻璃纖維錨桿錨噴和鋼錨桿錨噴對隧道的支護效果相當,由于鋼錨桿的彈性模量大于玻璃纖維錨桿,同等隧道變形條件下,鋼錨桿受力較大而進入屈服階段,隧道變形迅速增大;而GFRP錨桿則繼續持續彈性階段,能夠有效地控制隧道的變形。

3 結語

由上述計算可得,GFRP錨桿在支護性能上與鋼錨桿相當,并具有強度高(拉伸強度為鋼筋的1.2倍～1.4倍)、重量輕(重量為鋼筋的1/4)、抗腐蝕和侵蝕性好以及低松弛、耐電磁等優點。因此,用GFRP錨桿取代鋼錨桿應用于隧道的初期支護中具有獨特的性能和優點。

[1] Javier Malvar.Tensile and bond propertiesof GFRP reinforcing bars[J].ACI Materials Journal,2005,92(3):8-9.

[2] Larralde,J.,Silva-Rodriguez,R..Bond and Slip of GFRP Rebars in Concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1993,5(1):30-40.

[3] M.R.Ehsani,H.Saadatmanesh,S.Tao.Design Recommendations for Bond of GFRP Rebars to Concrete[J].Journal of Structural Eengineering,1996(8):247-254.

[4] 袁 勇,賈 新,閆富友.巖石GFRP錨桿的可行性研究[J].公路交通科技,2004,21(9):13-15.

[5] 高丹盈,張鋼琴.纖維增強塑料錨桿錨固性能的數值分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(20):3724-3729.