拉力型锚杆有效支护长度

李
浩, 等
拉力型锚杆有效支护长度
图7
不同拉拔荷载条件下锚杆剪应力峰值
锚杆剪应力的峰值随荷载增加的变化越平缓 ; 在松 软围岩中, 锚杆剪应力的峰值随荷载增加的变化越 明显。
3
结
论
图 6 不同围岩级别条件下锚杆有效受力长度 用在锚杆上的拉拔荷载越大, 有效长度越长。 ( 6) 锚杆剪应力峰值 图 7 是不同拉拔荷载条件下锚杆剪应力峰值随 围岩级别变化情况。可以看出 : 在相同的拉拔荷载 作用下, 围岩级别越高 , 岩石越松软 , 剪应力峰值越 低; 围岩级别越低, 岩石越坚 硬, 剪应力峰值越高。 在各种工况条件下, 围岩越坚硬, 不同荷载条件下的 锚杆剪应力峰值相差越小。随着拉拔荷载的增大 , 剪应力峰值相应提高 , 围岩级别越高, 围岩越坚硬 ,
力仍然很大 , 而 3m 长的锚杆的轴力只分布一半长 度。因此, 合理确定锚杆长度十分重要。 ∀ 7 ∀
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公路隧道 ( 3) 锚杆直径影响 图 4 是不同直径锚杆拉拔试验中的应力分布曲 线。随着锚杆直径增大, 剪应力逐渐下降, 应力向平 均分布发展。锚固体界面应力集中情况比较明显 ,
2010 年第 4 期 ( 总第 72 期 )
本文采用面 - 面接触单元, 根据锚杆与注浆体 以及岩石体之间的作用关系 , 建立拉拔试验中全长 粘结式锚杆的数值模型 , 对锚杆拉拔试验进行全过 程仿真分析 , 再现锚杆的力学特性在拉拔试验全过 程发展的变化规律, 揭示了拉拔试验中全长粘结式 锚杆的工作机理。得到以下结论 : ( 1) 锚杆在拉拔荷载作用下剪应力的分布极不 均匀, 剪应力由施加拉拔荷载端的零迅速增至峰值, 之后也迅速衰减 , 剪应力 分布集中在靠近 加载端。 拉拔端锚杆轴力最大, 其值等于作用的拉拔力, 之后 的分布呈现 近似负指数 状衰减, 锚杆的锚固应力 分布范围较小。 ( 2) 拉拔试验中 , 锚杆的直径、 长度和岩石体的 围岩级别等都对锚杆的锚固特性有很深影响。锚杆 的直径越大 , 锚固体上的剪应力分布越均匀, 岩土体 越坚硬 , 剪应力的分布越不均匀 , 较短的锚杆能全长 发挥锚固功能。岩土体越松软, 锚固体上的剪应力 分布越均匀 , 岩土体越坚硬, 剪应力分布越不均匀, 且剪应力的最大值越大。 ( 3) 岩体越硬 , 锚杆所受的剪应力峰值越大, 锚 杆受力有效长度越小; 岩体越软 , 锚杆所受的剪应力 峰值越小 , 锚杆受力有效长度也就越大。从某种意 义上说 , 用拉力型锚杆加固软岩的效果比加固硬岩 的效果要好。
浩, 等
拉力型锚杆有效支护长度
内摩 擦角 !/ (#) 52 42 36 25 35
图2
围岩级别对拉拔试验中锚杆应力的影响
图1
锚杆拉拔试验的计算模型和有限元网格划分图
2. 3
计算结果分析
根据 ANSYS 有限元模型模拟锚杆拉拔试验 , 分析围岩级别、 锚杆长度、 锚杆直径和拉拔力对锚杆 应力分布的影响。 ( 1) 围岩级别影响 图 2 是围岩级别对拉拔试验中锚杆应 力的影 响。岩石越坚硬 , 弹性模量越大, 剪应力分布越集中 于锚杆前段, 最大剪应力的数值越大, 剪应力的作用 范围越小 ; 岩石越松软 , 弹性模量越小, 剪应力的分 布趋于平均 , 最大剪应力的数值越小。锚杆锚固体 界面的剪应力大小和分布与岩体性质密切相关。锚 杆轴力分布曲线可以看出 : 围岩级别越好, 锚杆作用 的深度范围就越小。 ( 2) 锚杆长度影响 图 3 是不同长度锚杆拉拔试验的应力 分布曲 线。随着锚杆长度的减小 , 锚杆的剪应力峰值增大 , 锚固较短的锚杆, 锚杆全长都分布 剪应力和轴力。 1m 长锚杆的轴力全长分布比较均 匀, 在锚固 端轴 图3 锚杆长度对拉拔试验中锚杆应力的影响
公路隧道
2010 年第 4 期 ( 总第 72 期 )
拉力型锚杆有效支护长度
李
( 1 江苏省交通规划设计院
浩1
南京
张志泉2
陈祥林2
上海 200240)
210005; 2 上海交通大学土木工程系
摘
要 本文根据锚杆与岩石体之间的相互作用关 系, 以有 限元软件 A NSY S 为工 具, 建立 了全长粘 结式锚杆 的
拉拔试验数值模型 , 对全长粘结式锚杆的拉拔试 验进行模拟 , 揭示 全长粘 结式锚 杆在拉 拔条件下 沿杆体 的轴力 和 剪应 力分布规律 , 以及全长粘结式锚杆在不同荷载、 锚杆直径、 围岩 级别和锚杆长度等条件 下锚固体 应力分布情 况 和应力变化规律。分析拉力型锚杆受力有效长度 , 并 对硬性锚 杆受力 有效长 度的影 响因素 进行了 探讨 , 为正确 利 用拉拔试验来检验锚杆安装质量和评估锚杆锚固能力提供依据。
图 5 拉拔荷载对锚杆应力的影响 力 , 轴力沿杆长衰减 , 随着荷载增大, 距加载端较近 部位轴力明显增大 , 杆体的受力区域扩大。当荷载 较小时 , 如 50kN 时 , 杆体受力区域只达到 0 5m 处; 图 4 锚杆直径对拉拔试验中锚杆应力的影响 剪应力主要分布在锚固前端。由此 , 可以得到 : ( 锚 杆体直径越小, 锚固体界面剪应力的峰值越大 ; ) 锚 杆体直径越大, 锚固体界面剪应力的峰值越小。在 相同荷载作用下 , 相比于锚杆体直径小的锚固体而 言, 界面剪应力分布比较趋于均匀。因此, 锚固较硬 的岩体, 选用直径较粗的锚杆 ; 而锚固较软的岩土体 可选用直径较细、 较长的锚杆。这样可充分发挥锚 杆的承载能力。从锚杆轴力的曲线看出: 随着锚杆 直径增加 , 锚杆轴力的减小速度降低, 直径越大 , 锚 杆轴力的分布越平缓 , 在同样长度的情况下, 就能更 好地发挥锚杆的锚固功能。 ( 4) 拉拔荷载影响 图 5 为不同拉拔荷载作用下锚杆应力 分布曲 线。在加载端附近杆体所受的剪应力较小, 随后剪 应力急剧增大达到最大值后, 随着距离的增加逐渐 减少 , 最远端时荷载趋近于零。随着荷载的增大, 剪 应力曲线的峰值明显增大 , 分布范围增大。剪应力 分布主要集中在加载端附近。锚杆轴力的分布曲线 可以看出 : 拉拔端轴力 最大, 数 值等于作用的 拉拔 ∀ 8∀ 在荷载值为 200kN 时 , 锚杆的受力区域达到 1 8m 左右。同级荷载下, 轴力在加载端附近部位变化梯 度大, 随着距离的增加 , 急剧衰减。锚杆受荷载作用 时 , 杆体与粘结材料间的粘结力不同时发挥作用 , 从 加载端到自由端逐渐发挥作用。 ( 5) 锚杆有效受力长度 图 6 从不同拉拔荷载条件下锚杆有效受力长度 中可以看出 : 在各种围岩级别条件下 , 直径越小, 其 有效受力长度也越 短; 直径越 大, 有效 受力长度越 长。同种直径情况下, 围岩级别越高, 岩石越坚硬, 锚杆有效受力长度越短 , 相反, 围岩级别越低 , 岩石 越松软 , 锚杆有效受力长度越长。在同种条件下 , 作
李 所示。
表1 材料 ∃ 级围岩 % 级围岩 &级围岩 ∋ 级围岩 注浆材料 锚杆 模型中材料计算参数 泊松比 0. 23 0. 27 0. 32 0. 40 0. 23 0. 25 粘聚力 c / M Pa 1. 6 0. 9 0. 45 0. 15 1 弹性模量 E / G Pa 21 7 4 1. 5 5 210
关键词 锚杆 有效支护长度 应力 变化 本文用数值模拟方法 , 对锚杆拉拔试验的不同 工况进行模拟, 再现锚杆的力学特性在拉拔试验全 过程发展的变化规律 , 对不同工况条件下锚杆有效 受力长度和锚杆剪应力峰值的发展变化情况进行比 较 , 以期得出一些有价值的结论。
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前 言
锚杆是通过约束岩石的变形来加固岩石体, 岩 石锚杆用来加固岩体很早就广泛应用于工民建和隧 道工程等。20 世纪 70 年代以来, 研究人员 对拉拔 试验中的锚杆特性进行 了研究, 做 了大量的工作。 Soparat 等 [ 1] 用无网格 Galerkin 法对锚杆拉拔试验 中的裂缝进行了探讨。 Wu 等用数值分析的方式 对拉拔试验中的锚杆基于泥浆剪切破坏而失效的形 式进行了研究。贺若兰等 [ 3] 对拉拔工况下全长粘结 锚杆工作机理进行了仿真分析。苏霞等 [ 4] 用岩石破 裂过程分析 RFPA 系统对锚杆拉拔力影响 因素进 行数值试验研究。 F ar mer 等 对锚杆在加 载条件 下的受力行为进行了基础性研究 , 认为在锚杆破坏 出现之前, 锚杆轴力从加载点以指数形式衰减。曹 国金等[ 6] 基于 M indlin 位移解, 导出了拉力 型锚杆 受力的弹性解, 分析了拉力型锚杆的受力特征。锚 杆的拉拔行为涉及到岩石、 粘结剂和钢筋材料的性 质以及在受力过程中材料之间的相互作用, 是一个 十分复杂的问题 , 在理论和实践中都存在一定的困 难。在锚杆设计中通过现场拉拔试验确定极限抗拔 力时 , 通常假定界面剪应力沿杆长均匀分布, 将由公 式 P = dL 计算所得的界面 平均 剪应力 当作 界面 极限 抗剪强度 。但是大量的工程实测结果 和理论分析结果表明, 实际的锚杆剪应力沿杆长并 非均匀分布, 而是接近负指数分布 , 说明其理论分布 和实际分布在概念和数值上都相差较远。为了获得 锚杆真实的工作状态和工作机理, 需要研究锚杆、 岩 土体以及界面在这拉拔工况下全过程的力学响应。 数值模拟的广泛应用以及仿真分析机理的提出 , 为 解决这一问题提供了便捷而有效的途径。 ∀ 6∀
[ 5] [ 2]
2
有限元模型建立
2. 1 建立有限元数值模型 在 ANSYS 有限元仿真分析中, 岩石体和注浆 体材料采用 Plane42 号二维实体单元 , 这些材料都 属于颗粒状材料, 其受压强度远远大于受拉屈服强 度 , 受剪时颗粒会膨胀 , 所以采用 Dur kcer - P rag er 屈服准则能准确描述这类材料。用 L ink1 号一维单 元模拟锚杆。在锚杆和注浆材料之间设置接触面单 元 , 模拟锚杆界面的接触和滑动特性。接触问题是 一种高度非线性行为, 采用面- 面接触, 这种接触能 模拟任意两个表面间接触的方法, 表面可以具有任 意形状, 是 ANSYS 中最通用的接触单元 , 具有精度 高、 特性丰富和可使用接 触向导建模等强 大功能。 接触分析中的目标单元采用 T arge169 号单元, 接触 单元采用 Cont a172 号单元 , 接触单元覆盖于变形体 边界的实体单元上 , 并与目标面单元接触。 2. 2 数值仿真参数 用 ANSYS 有限元软件建立锚杆拉拔试验的二 维模型 , 在有限 元仿真 分析 中分别 模拟 锚杆 直径 18 、 25m m 和 36mm, 锚杆长度 1、 2m 和 3m 等不同 工况, 在表 1 所列的不同级别围岩和不同拉拔荷载 作用下对锚杆在拉拔试验中的受力特性进行再现和 分析 研 究。施 加 荷 载 步 骤 为 50kN ! 100kN ! 150kN ! 200kN 。表 1 是模型中所用的材料力学参 数。模型的约束条件和数值模型的网格划分如图 1
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