壓力分散型錨索承載板合理間距的數值模擬研究

汪 浩 洪 亮

(安徽省交通規劃設計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值模擬研究

汪 浩 洪 亮

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230011)

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

壓力分散型錨索，數值分析，錨固機理，承載板合理間距

0 引言

在近代巖土工程領域中，巖土錨固技術已經成為提高巖土工程穩定性和解決復雜巖土工程問題最經濟最有效的方法之一[1]。對于穩定狀況較差的巖土體，工程上大多采用預應力錨索進行加固。與其他支護體系相比，預應力錨索加固體系具有對圍巖擾動小、能夠增強圍巖的力學特性、改善邊坡巖土體的應力分布、提高邊坡穩定性的特征；并且可根據需要及時對預應力錨索的作用位置、方向、結構參數、布置密度以及張拉時間進行調整，以便獲得最佳的支護效果，設計施工安全可靠[1]。

壓力分散型錨索，作為一種新型的巖土工程加固技術，已被廣泛運用于實際工程中[3-5]。但是理論研究仍然落后于工程實踐，設計計算方法還不成熟，規范中往往只有少量籠統的參考性的規定，從而給設計帶來很大不便[6]。承載板間距是壓力分散型錨索設計的重要參數，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，會造成浪費，更可能加重鋼絞線應力不均勻[7]。在實際應用中，最為合理的承載體設置間距應該是在確保單元錨固區段的抗滑阻力能平衡該區段承受的壓力荷載的前提下,還留有適當的安全儲備。本文利用大型有限元軟件ABAQUS對三種圍巖中承載板的合理間距的取值進行了數值模擬研究。

1 承載板合理間距的確定標準

1.1 基于安全標準確定最小間距

壓力分散型錨索承載板的間距應能保證各單元錨固段不發生破壞而引起總失效。在現階段的一些規范和設計中，一般假定錨固段剪應力是均勻分布的，使用平均強度進行設計，這與工程實際往往不符；本文確定承載板合理間距下限值的方法是采用應力疊加判別法，根據周德培[8]的研究，應力疊加現象發生的條件是單元錨固段漿巖界面的抗剪強度不足以消除注漿體上的軸向應力傳遞，此時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力和剪應力將有所增加，可能最先造成該錨索單元注漿體破壞或失穩。如果保證近端錨固單元未發生破壞或失穩，則整個錨固體就是安全的。因此，本文取近端錨固單元軸壓應力峰值剛超過遠端的軸壓應力峰值時承載板的間距作為合理間距的下限值。這時各承載板處注漿體的軸向拉應力均較小，對錨固體系防腐有利。

1.2 基于經濟標準確定最大間距

當壓應力和剪應力減小至零或較小值時，可以認為錨索向巖體的傳力過程已完成，我們稱這個長度為有效傳力長度。有效傳力長度可以作為壓力分散型錨索承載板間距設置的重要依據[9]。為避免承載板間距太大而造成浪費，本文將剪應力有效傳遞長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值模擬研究

2.1 計算模型

根據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，錨索自由段長度取為10 m，錨索錨固段鉆孔直徑為150 mm，承載體個數取為3個，等間距布置在注漿體中(取不同間距以尋找合理間距)。計算模型坐標系規定為：錨索拉力方向為Y軸正向，錨固體外表面法向方向為X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選取

本項研究以單錨為研究對象，且荷載為軸心荷載，單個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稱問題，采用軸對稱單元CAX4R進行網格劃分，在錨索方向的網格尺寸：錨固體段單元尺寸取為0.1 m，其余區段尺寸為0.2 m；垂直于錨索方向的單元尺寸按由密到疏漸變劃分，即越靠近錨索網格越密，以滿足應力計算精度的要求。

圖1為計算模型圖，圖1b)給出了軸對稱平面模型旋轉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—庫侖屈服準則。考慮3種巖土體材料，即碎裂巖體、風化軟巖和砂粘土，各材料參數如表1所示。

表1 材料參數

2.3 計算結果與分析(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，其錨固段的應力，位移及剪應力分布如圖2～圖4所示。

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

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，當承載板間距為1 m，1.5 m，2 m，3 m，4 m時，對應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；可見當承載板間距小于1.5 m時，位移將發生陡增。

3)由圖4可以看出，就單個承載體而言，其剪應力的分布是不均勻的，剪應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，單個承載體范圍剪應力由峰值551 kPa降至48 kPa，表明該錨固單元大部分并未起到承載作用，即設計長度過長；而對于承載板間距為1.5 m的情況，剪應力峰值約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，表明剪應力沿整個錨固段分布較為均勻，可以較為充分地發揮整個錨固段的承載能力。

綜合考慮不同間距布置下錨固段軸向應力分布規律、軸向位移分布規律及剪應力分布規律，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(單個承載體加載300 kN)。同理，單元錨固力為300 kN時，風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 結語

本文采用數值分析方法研究了壓力分散型錨索在碎裂巖體、風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準，并給出了不同圍巖中承載板間距的取值范圍，對壓力分散型錨索的設計和施工均有一定的參考意義。

[1] 程良奎,范景倫,韓 軍，等.巖土錨固[M].北京：中國建筑工業出版社,2003.

[2] 田裕甲.巖土錨固新技術及實踐[M].北京：中國建材工業出版社,2006.

[3] 梁 定.壓力分散型預應力錨索在高速公路中的應用[J].廣東交通職業技術學院學報，2008(1)：67-68.

[4] 張旭東.三福高速公路壓力分散型預應力錨索施工技術[J].山西建筑，2009，35(9)：143-144.

[5] 姚卓英.2 000 kN壓力分散型錨索在高邊坡加固工程中的應用[J].鐵道標準設計，2009(3)：89-90.

[6] 閆莫明,徐禎祥,蘇自約.巖土錨固技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.

[7] 盧 黎.壓力型巖錨內錨固段錨固性能及工程應用研究[D].重慶：重慶大學博士學位論文,2010.

[8] 周德培,劉 鴻.壓力分散型錨索單元錨體間應力影響[J].巖土工程學報,2012,34(10):1765-1771.

[9] 林蔚勛,張永興,盧 黎.壓力分散型錨索承載板布置方式及其受力性能分析[J].工程勘察,2010(8)：99-100.

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

A