黃土隧道錨桿受力機(jī)制的研究

才 昊

(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

黃土隧道錨桿受力機(jī)制的研究

才 昊

(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

采用數(shù)值模擬的方法，建立了鎖腳錨桿模型，分析了圍巖強(qiáng)度對(duì)鎖腳錨桿承載能力的影響，并以錨桿的屈服強(qiáng)度為指標(biāo)，來研究其對(duì)錨桿的承載能力的影響，為今后同類研究提供參考。

錨桿，黃土隧道，圍巖，承載力

錨桿是黃土隧道中控制圍巖變形和沉降的有效支護(hù)手段，根據(jù)錨桿埋設(shè)位置的不同將錨桿分為系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿。黃土隧道的開挖一般采用臺(tái)階法或分部開挖法，在開挖后沿隧道橫向在拱、墻腳部位為限制鋼拱架的自由變形而打設(shè)的具有一定數(shù)量和下插腳的錨桿，并將錨桿的末端和鋼架牢固焊接，如圖1所示，這種錨桿即為鎖腳錨桿。

與系統(tǒng)錨桿不同，在黃土隧道中，鎖腳錨桿應(yīng)用廣泛，是黃土隧道支護(hù)的主要工具之一。曾有學(xué)者對(duì)黃土隧道鎖腳錨桿進(jìn)行原位測(cè)試，取得一定成果，但尚未給出統(tǒng)一的規(guī)律。本文針對(duì)鎖腳錨桿，依據(jù)其受力特點(diǎn)，利用ABAQUS建立三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)圍巖強(qiáng)度、錨桿管材強(qiáng)度對(duì)鎖腳錨管承載能力的影響進(jìn)行研究，進(jìn)一步揭示各種因素影響下的鎖腳錨管受力變形特性。

1 施工過程模擬

在隧道等地下結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算中，一般選取某一部分巖體建立數(shù)值計(jì)算模型，用一定的邊界條件去替代原始介質(zhì)的連續(xù)狀態(tài)，這種替代方式是否合理將影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和正確性，因此應(yīng)盡量使邊界條件和實(shí)際情況相符，使計(jì)算模型足夠大，并把分析的重點(diǎn)區(qū)域置于模型的中央部位，從而減弱邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算準(zhǔn)度的干擾。

因隧道屬于深埋隧道且不考慮構(gòu)造節(jié)理影響，故地應(yīng)力按初始自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。為了使得計(jì)算結(jié)果更為可靠，故在隧道內(nèi)及其周圍采取細(xì)密網(wǎng)格劃分，采用4節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元K線面映射網(wǎng)格劃分模型網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

2 鎖腳錨桿模型的建立

為了更全面深入地研究鎖腳錨桿的受力特性與承載特點(diǎn)，突出錨桿與黃土的相互作用關(guān)系，在上述開挖模型的基礎(chǔ)上，建立如圖3～圖6所示的三維有限元計(jì)算模型。

由圣維南原理和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，洞室開挖過程中圍巖應(yīng)力重分布僅發(fā)生在洞室周圍3倍～5倍隧道開挖跨度范圍內(nèi)，此范圍以外的圍巖應(yīng)力基本不受洞室開挖的影響。本文數(shù)值模擬中，圍巖模型的尺寸以模型各面距離錨桿8倍～10倍管徑建立。各個(gè)打設(shè)角度的模型尺寸見表1。

表1 各個(gè)打設(shè)角度的模型尺寸表

3 圍巖強(qiáng)度對(duì)鎖腳錨桿承載能力的影響

鎖腳錨桿的承載能力體現(xiàn)為其控制鋼拱架下沉的能力，而鋼拱架的拱腳下沉量與鎖腳錨桿的端部豎向位移相等，所以在此研究圍巖強(qiáng)度對(duì)控制鎖腳錨桿端部豎向位移的影響。以往的鎖腳錨桿的解析計(jì)算結(jié)果顯示，在相同荷載下，不同圍巖彈性抗力下的鎖腳錨桿的彎矩分布會(huì)呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，下面采用數(shù)值模擬的方法研究圍巖強(qiáng)度對(duì)鎖腳錨桿承載能力的影響。采用控制變量的方法，通過改變圍巖的彈性模量(10 MPa,31 MPa,60 MPa和90 MPa)來研究不同打設(shè)角度的鎖腳錨桿的端部豎向位移的變化情況，從而反映鎖腳錨桿的承載能力。

綜合對(duì)比打設(shè)角度分別為0°，30°，45°和60°的鎖腳錨桿在不同圍巖條件下的端部位移—荷載曲線圖(見圖7～圖10)，可以得到以下結(jié)論：

1)端部豎向位移—荷載曲線圖均為下凹的曲線，說明鎖腳錨桿的端部豎向位移隨著荷載的均勻增大而加速增大。這趨勢(shì)同時(shí)反映了隨著荷載的增大，錨桿斷面的屈服點(diǎn)逐漸由上下邊緣向中間擴(kuò)展。2)無論錨桿以何種角度打設(shè)，相同荷載下錨桿端部豎向位移均隨著圍巖強(qiáng)度的降低而增大。這一趨勢(shì)在圍巖強(qiáng)度較高(E>31 MPa)時(shí)不明顯，但在圍巖強(qiáng)度較低(E≤31 MPa)時(shí)顯著。說明圍巖彈性模量小于31 MPa時(shí)，單純采用鎖腳錨桿支護(hù)效果不夠理想，應(yīng)考慮結(jié)合可以改善圍巖強(qiáng)度等方面的支護(hù)措施，如圍巖注漿等。3)無論圍巖強(qiáng)度為多少，相同荷載下錨桿端部的豎向位移均隨著打設(shè)角度的增大而減小，說明增大打設(shè)角度可以控制豎向位移這個(gè)規(guī)律在各種圍巖條件下都是一致的。所以在隧道中的鎖腳錨桿施工時(shí)應(yīng)盡量采用較大的打設(shè)角度。但考慮到實(shí)際施工的操作方便，建議鎖腳錨桿的打設(shè)角度取為45°。

4 錨桿強(qiáng)度對(duì)其承載能力的影響

下面以錨桿的屈服強(qiáng)度為指標(biāo)來研究其對(duì)錨桿的承載能力的影響。錨桿的管材鋼號(hào)分別選擇Q205,Q235,Q275和Q305。其相應(yīng)指標(biāo)如表2所示。

表2 各工況錨桿強(qiáng)度指標(biāo)

綜合對(duì)比打設(shè)角度分別為0°，30°，45°和60°的不同屈服強(qiáng)度的錨桿在端部豎向位移—荷載曲線圖(見圖11～圖14)，可以得到以下結(jié)論：1)各個(gè)打設(shè)角度的鎖腳錨桿的端部豎向位移—荷載曲線圖走勢(shì)規(guī)律基本一致，且對(duì)于同一打設(shè)角度，不同屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的曲線在荷載較小時(shí)是重合的，當(dāng)荷載增大到一定值時(shí)，各曲線逐漸分離，分離后的端部豎向位移—荷載曲線表現(xiàn)為端部豎向位移隨屈服強(qiáng)度減小而逐漸增大的規(guī)律。2)將同一角度不同屈服強(qiáng)度下錨桿的曲線分離的點(diǎn)稱為分離點(diǎn)，則分離點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載大小因錨桿打設(shè)角度而異。打設(shè)角度為0°，30°，45°和60°時(shí)錨桿的分離點(diǎn)荷載值分別為6.48 kN，7.56 kN，9.72 kN和12.96 kN，所以大角度打設(shè)時(shí)，錨桿屈服強(qiáng)度的影響不明顯。3)無論錨桿屈服強(qiáng)度為多少，相同荷載下錨桿端部的豎向位移均隨著打設(shè)角度的增大而顯著減小，說明增大打設(shè)角度可以有效控制豎向位移，且其效果比提高錨桿的屈服強(qiáng)度明顯。所以在鎖腳錨桿的設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在采用合理打設(shè)角度而非提高錨桿強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

1)圍巖強(qiáng)度對(duì)鎖腳錨桿承載能力的影響：無論錨桿以何種角度打設(shè)，相同荷載下錨桿端部豎向位移均隨著圍巖強(qiáng)度的提高而減小。圍巖強(qiáng)度較高(E>31 MPa)時(shí)，提高圍巖強(qiáng)度對(duì)鎖腳錨桿的承載力影響不明顯；但圍巖強(qiáng)度較低(E≤31 MPa)時(shí)，提高圍巖的強(qiáng)度會(huì)顯著增強(qiáng)鎖腳錨桿的承載能力。所以當(dāng)隧道圍巖強(qiáng)度較低時(shí)可以通過改善圍巖的物理力學(xué)特性如圍巖注漿等措施來提高鎖腳錨桿的承載能力。2)錨桿強(qiáng)度對(duì)其承載能力的影響：提高錨桿強(qiáng)度對(duì)提高其承載能力的作用非常有限，沒有提高錨桿的合理打設(shè)角度效果顯著，所以鎖腳錨桿沒必要采用高強(qiáng)度鋼管。

[1] 陳建勛,喬 雄,王夢(mèng)恕.黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(8):1690-1697.

[2] 周 宇.鎖腳錨桿和仰拱注漿對(duì)控制大斷面海底隧道位移的有效性分析[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(S2)：3830-3834.

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[4] 李 健.大斷面黃土隧道初支作用機(jī)理及變形控制技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2012.

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On stressed mechanism for anchor rod in loess tunnels

Cai Hao

(CollegeofArchitecturalEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710018,China)

Adopts the method of the numeric simulation, establishes the model of the feet-lock anchor rod, analyzes the strength of the surrounding rocks on the loading capacity of the feet-lock anchor rod, researches its influence on the loading capacity of the anchor rod by taking the yield strength of the anchor rod, so as to provide some reference for similar research.

anchor rod, loess tunnels, surround rocks, load capacity

1009-6825(2017)20-0183-03

2017-04-25

才 昊(1996- )，男，在讀本科生

TD355.9

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