錨桿錨固深度對錨固效果影響研究

曹得占

(中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430071)

1 概述

巖土錨固是通過埋設在地層中的錨桿(索)(以下統稱錨桿)，將結構物與地層緊緊地聯鎖在一起，依賴錨桿與周圍地層的抗剪強度傳遞結構物的拉力或使地層自身得到加固，從而增強被加固巖土體的強度，改善巖土體的應力狀態，以保持結構物和巖土體的穩定性。巖土錨固作為一種實用性強的工程加固技術已經成為解決巖土工程穩定性問題最有效的手段之一，在邊坡工程、隧道工程、采礦工程及基坑工程等領域得到了廣泛的應用［1-6］。

盡管錨固技術在工程中應用較早，但理論方面的研究卻起步較晚，經過眾多學者數年的研究，錨固理論已經取得了一定的成果，對錨桿荷載傳遞機理的研究，國內外主要從荷載由錨桿轉移到灌漿體的力學機理及灌漿體與鉆孔孔壁間的力學機理方面進行研究。但錨桿(索)加固機理仍是一個沒有統一認識的問題，也缺乏行之有效的、合理的計算方法?，F有的各種模型仍存在不少顯而易見的不足，理論和數值分析與實際情況出入較大。因此，目前錨固深度對錨固效果影響研究遠遠滯后于工程應用，需要進一步研究［7，8］。

中風化泥質粉砂巖是指顆粒粒徑在0.05 mm～0.005 mm 范圍內質量大于該巖石總質量一半的一種碎屑巖，中風化的巖石裂隙比較發育，沿裂隙有較多的次生礦物生成，次生礦物質量大于巖石總質量的10%，巖體強度較巖塊強度已明顯降低，因此在工程上往往需要通過在中風化泥質粉砂巖埋設錨桿(索)，來加強風化巖的強度，并將結構物與地層緊緊地聯鎖在一起研究中風化泥質粉砂巖中錨桿錨固深度對錨固效果影響具有重大的現實意義。

2 數值模擬方案

2.1 計算方法

為了模擬不同錨固深度對錨固力的作用影響，在錨桿端頭施加一個很小的速度，采用sel node ini 命令實現;通過history 命令監測錨頭的力及其位移，從錨固力與位移關系確定錨桿的錨固力。

2.2 計算工況

為了研究錨固深度對錨桿的錨固力作用效果，采用了3 m，4 m，5 m，6 m，7 m，8 m 等6 種錨固深度，鋼筋直徑為32 mm 模擬方案。

2.3 計算參數

中風化泥質粉砂巖物理力學參數取值根據室內試驗結果獲得，參數取值如表1 所示。Cable 單元的參數取值參照經驗公式與經驗參數獲得，其錨桿試驗參數取值如表2 所示。

表1 巖體物理力學參數

表2 錨桿試驗參數

圖1 錨桿錨固力與位移關系曲線

3 斜坡對樁基極限承載力的影響

對于斜坡地基，由于斜坡的存在和影響，當荷載增大到一定程度時，斜坡上開始出現塑性區，并不斷地向樁身一側擴展，最終形成滑動面，即斜坡達到破壞狀態，樁和地基將不能再承受更大的荷載，此為斜坡樁基的極限承載力。以下將分析不同坡度、臨坡距條件下樁基極限承載力的變化規律和影響因素。

3.1 錨固力與位移關系

通過數值計算，錨桿錨固力與位移關系曲線見圖1。

從這些關系可以確定，在沒有考慮錨固體摩擦作用的前提下，錨固深度對錨固力的提高沒有什么很大的作用，錨固力大小差不多，因此，可以利用現場試驗結合數值試驗確定最優的錨固深度，既可以達到最好的錨固效果，又節約投資。

3.2 剪應力分布規律

以A1-1 模擬方案為例說明，錨桿剪應力分布圖如圖2 所示。剪應力在錨固段0 m～3 m 近似呈拋物線形分布，在近端內出現最大剪應力。隨著錨固力的增加，近端錨固體剪應力峰值出現后，并在近端出現錨固體屈服，后段錨固體的剪應力并逐漸減小，向遠端逐漸發展。剪應力分布特征，與多數文獻的數值分析結果以及實驗結果基本一致。其他模擬方案的剪應力分布特征類似。

圖2 A1-1 模擬方案錨桿剪應力分布圖

將其他模擬方案錨固體剪應力與錨固深度關系整理，如圖3所示。從圖3 中可以看出，在錨桿近端錨固體的剪應力均達到峰值，并出現了剪切破壞。隨著錨固深度的增加，錨固深度1 m 以后的剪應力差別有一定的區別，特別是錨桿錨固深度大于5 m 以后，錨固深度1 m 以后的剪應力差別不甚明顯，所以從剪應力分布曲線可以看出錨固體主要提供抗拔力作用的最優錨固深度在3 m～5 m 之間。

圖3 不同模擬方案剪應力與錨固深度的關系曲線

3.3 軸力分布規律

以A1-1 模擬方案為例說明，錨桿軸力分布圖如圖4 所示。

從圖4 中可看出，錨桿的軸力分布近似拋物線分布，在錨桿近端軸力分布最大，隨著錨固深度y 的增加而逐步減小。因此錨桿的最大錨固力取決于錨桿本身的極限抗拉強度與錨固體的粘結強度。其他模擬方案錨桿的軸力分布特征與此類似，整理上述六種軸力分布特征曲線，如圖5 所示。從圖5 可以看出，隨著錨固深度的增加，錨桿軸力的分布有一定的差別，但是當錨固深度增加到5 m 以后，錨桿軸力的分布不甚明顯。所以，錨桿發揮主要作用的錨固深度在3 m～5 m 之間。

圖4 A1-1 模擬方案錨桿軸力分布圖

圖5 不同模擬方案軸力與錨固深度的關系曲線

4 結語

對于中風化泥質粉砂巖中的錨桿，隨著錨固深度的增加，錨桿軸力的分布有一定的差別，但當錨固深度增加到5 m 以后，錨桿軸力的分布不甚明顯。在沒有考慮錨固體摩擦作用的前提下，錨固深度和錨固力的提高并不明顯，在工程設計中可利用現場試驗和數值模擬相結合的方式確定最優的錨固深度，達到最好的錨固效果和經濟效益。隨著錨固深度的增加，錨固深度大于1 m 的剪應力差別有一定的區別，特別是錨桿錨固深度大于5 m 以后，錨固深度1 m 以后的剪應力差別不甚明顯，所以從剪應力分布曲線可以看出錨固體主要提供抗拔力作用的最優錨固深度為3 m～5 m。

［1］韓立軍，張茂林.巖土加固技術［M］.北京:中國礦業大學出版社，2005.

［2］蘇自約，閆莫明.巖土錨固技術與工程應用［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］狄運超，唐春華.錨固技術在工程改造或加固中的應用［J］.水利規劃與設計，2011(2) :26-28.

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［7］張樂文，汪 淰.巖土錨固理論研究之現狀［J］.巖土力學，2000，23(5) :627-631.

［8］王志強，蔡永海.煤巷錨桿支護技術的探討［J］.煤炭技術，2006，25(8) :127-128.