預(yù)應(yīng)力錨索錨固段應(yīng)力分布影響因素分析

戰(zhàn)玉寶　畢宣可　尤春安

山東科技大學(xué)，山東青島266510　山東科技大學(xué)泰安校區(qū)　山東泰安271019

引言

　　錨固支護(hù)，能充分發(fā)揮巖土體能量，改善巖土體不利的受力狀態(tài)，調(diào)動(dòng)和提高巖土的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，從而可以大大減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約工程材科、縮短工期，因此已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著巖土錨固技術(shù)的發(fā)展，巖土錨固理論的研究也在不斷地深入。但長(zhǎng)期以來(lái)，錨固工程界一直引用“當(dāng)錨固處于極限狀態(tài)下，沿錨固段剪應(yīng)力均勻分布的假設(shè)。加拿大Phillips提出假定摩阻力沿錨桿長(zhǎng)度按冪函數(shù)分布。張季如和唐保付采用雙曲函數(shù)來(lái)描述錨固段的摩阻力分布規(guī)律。灌漿材料和錨桿形狀對(duì)錨桿抗拔力的影響。全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿外端受拉拔條件下沿桿長(zhǎng)應(yīng)力分布的彈性解。將錨桿分為內(nèi)部錨固型與表面錨固型，表面錨固型錨固段的一端靠近巖體的自由表面，全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿是一個(gè)典型的例子，內(nèi)部錨固型錨固段位于巖體內(nèi)部，遠(yuǎn)離巖體的自由表面，預(yù)應(yīng)力錨索屬于這一類(lèi)型的問(wèn)題。

　　目前，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索錨固機(jī)理的研究比較多，但對(duì)錨索錨固段應(yīng)力分布規(guī)律影響因素的綜合、系統(tǒng)分析還比較少，能檢索到的文獻(xiàn)寥寥無(wú)幾。本文充分利用數(shù)值模擬方法成本低、計(jì)算時(shí)間短、重復(fù)性高、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是能較好地模擬不同參數(shù)(物理、荷載參數(shù)等)條件下產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，首先討論了荷載大小、被加固巖土體性質(zhì)、錨固段長(zhǎng)度、錨固體直徑等因素對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索錨固段剪應(yīng)力分布規(guī)律的影響，然后對(duì)影響因素綜合分析，得出了許多非常有價(jià)值的結(jié)論，為錨固支護(hù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供了可參考的依據(jù)。

1、有限元計(jì)算模型的建立

    錨固段應(yīng)力分布規(guī)律的有限元計(jì)算模型符合軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的條件，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和分析的方便，計(jì)算模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。同時(shí)，為了減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型在x方向上的尺寸取為2m，y方向的尺寸取3111。模型左、右兩側(cè)對(duì)x方向進(jìn)行約束，底面約束y方向的位移。計(jì)算模型如圖l所示。

圖1計(jì)算模型

    在金屬材料中，常用的屈服條件是Treaca屈服準(zhǔn)則和Mises屈服準(zhǔn)則，但是這些屈服條件不適合于巖土材料。這其中最主要的問(wèn)題之一是巖土材料在塑性流動(dòng)變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體脹現(xiàn)象，而這些屈服條件不能反映這一特征。因此，在巖土工程中最普遍采用的是Coulomb屈服準(zhǔn)則。

2、錨固段應(yīng)力分布規(guī)律的影響因素分析

　　錨固長(zhǎng)度為lm，受20kN拉拔力作用時(shí)錨固段應(yīng)力分布的云圖。可以看出，在荷載作用下，孔口周?chē)�錨固體所受的剪應(yīng)力較小，但是孔口以下，剪應(yīng)力就急劇地增大并達(dá)到最大值，錨固段所受的剪應(yīng)力從最大值以下，隨著遠(yuǎn)離荷載端而逐漸減小，達(dá)到荷載遠(yuǎn)端時(shí)，剪應(yīng)力為零。也就是說(shuō)，錨固段所受的剪應(yīng)力分布范圍較小，但是最大剪應(yīng)力的數(shù)值較大，應(yīng)力集中明顯。

    以往的研究發(fā)現(xiàn)，荷載大小、被加固巖土體材料的性質(zhì)、錨固體的直徑等對(duì)錨固段應(yīng)力分布有非常顯著的影響。

　　2.1不同荷載作用下錨固段應(yīng)力分布規(guī)律

　　(1)剪應(yīng)力的峰值隨著荷載的加大而不斷增大，但剪應(yīng)力峰值的位置幾乎不變。同時(shí)，隨著荷載的增大，剪應(yīng)力的分布深度也在不斷向下擴(kuò)展，但擴(kuò)展的速度很慢。

    (2)就本計(jì)算模型而言，當(dāng)拉拔力加大到60kN對(duì)，有效受力深度不超過(guò)600mm。也就是說(shuō)，真正發(fā)揮作用的不超過(guò)600mm，錨索其他部分還沒(méi)有充分發(fā)揮作用。

　　2.2巖土體的性質(zhì)對(duì)錨固段應(yīng)力分布規(guī)律的影響

    被加固巖土體的性質(zhì)直接影響到錨固段剪應(yīng)力的分布。所以，研究被加固巖土體的性質(zhì)對(duì)錨固段應(yīng)力分布的影響，對(duì)掌握不同巖土體中錨固段剪應(yīng)力分布規(guī)律有重要的意義。

    本節(jié)中，仍取錨固長(zhǎng)度為1m，錨索的彈性模量 Ea為210GPa，巖石的彈性模量E分別采用2.1GPa、4.2 GPa、8.4GPa即E/Ea分別為0.01、0.02、0.04，其他材料的力學(xué)參數(shù)，荷載以5kN為步長(zhǎng)，逐級(jí)施加。

　　(1)E/Ea的值越大，即巖石越堅(jiān)硬，同一荷載水平下，最大剪應(yīng)力越大，剪應(yīng)力的集中程度也越大；反之，越小；

    (2)E/Ea的值越小，即巖石越松軟，巖體的彈性模量就越小，剪應(yīng)力分布范圍越大、越均勻。

　　2.3錨固長(zhǎng)度對(duì)錨固段應(yīng)力分布的影響

    錨索在受到拉拔荷載作用時(shí)，不能將荷載均勻分布在錨固長(zhǎng)度上，這一結(jié)論已經(jīng)得到了大多數(shù)人的認(rèn)可。同時(shí)也認(rèn)識(shí)到，在彈性范圍內(nèi)，錨固段所受的應(yīng)力主要集中在錨固段的前端很小長(zhǎng)度上。當(dāng)錨固段長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，其長(zhǎng)度的增加對(duì)承載力的提高作用不大。所以，研究錨囤長(zhǎng)度對(duì)錨固段應(yīng)力分布的影響對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)工程中的錨索設(shè)計(jì)有重要的意義。

　　(1)錨固長(zhǎng)度為0.5m時(shí)，荷載不是很大，剪應(yīng)  力就已經(jīng)傳遞到了錨固段的底端。很明顯，當(dāng)錨固深  度為0.5m時(shí)整個(gè)錨固長(zhǎng)度都是有效的錨固長(zhǎng)度；

　　(2)錨固長(zhǎng)度為0.8m時(shí)，隨著荷載的加大，剪應(yīng)力的分布區(qū)域不斷在加大。但是荷載向錨固段底部傳遞的速度不是很快。荷載加到60kN時(shí)，最大有效錨固長(zhǎng)度也僅僅是600mm。隨著荷載的進(jìn)一步加大，剪應(yīng)力的分布范圍肯定還會(huì)進(jìn)一步加大。但是在錨固段的前端，若所受剪應(yīng)力超出了材料的屈服極限，材料將進(jìn)入塑性狀態(tài)，在錨固段比較薄弱的界面上要產(chǎn)生脫黏現(xiàn)象；

    (3)錨固長(zhǎng)度為1.2m、2m時(shí)，從圖上可以清  楚的看到，當(dāng)荷載為60kN時(shí)，剪應(yīng)力的分布范圍幾乎一樣。也就是說(shuō)，隨著長(zhǎng)度的增加，荷載并沒(méi)有明顯地向錨固段的底部傳遞，剪應(yīng)力的分布區(qū)域沒(méi)有太大的改變。

　　2.4錨固體直徑對(duì)錨固段應(yīng)力分布的影響

    在相同的荷載作用下錨固體直徑分別為30mm、50mm、60mm時(shí)錨固段所受的剪應(yīng)力，通過(guò)分析可以得出：

　　(1)錨固體的直徑越小，其剪應(yīng)力的峰值越大；

　　(2)錨固體的直徑越大，其所受的剪應(yīng)力的峰值越小。在相同荷載作用下，相比于錨固體直徑小的錨索而言，錨固體直徑大的剪應(yīng)力的分布深度越大，或者說(shuō)它的剪應(yīng)力分布越均勻。

3、結(jié)語(yǔ)

    (1)錨固段的剪應(yīng)力分布很不均勻，剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度方向衰減很快；

    (2)巖土體越堅(jiān)硬，剪應(yīng)力的分布越不均勻，且剪應(yīng)力的最大值越大；相反，若巖土體越松軟，分布在錨固段上的剪應(yīng)力越均勻，而剪應(yīng)力的最大值卻越小；

    (3)在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)錨固長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，再繼續(xù)增加錨固長(zhǎng)度，只能導(dǎo)致錨索材料潛在能力的浪費(fèi)，而對(duì)載能力的提高幫助不大；

    (4)錨固體的直徑越小，錨固段剪應(yīng)力的峰值越大，應(yīng)力分布越不均勻；錨固體的直徑越大，錨固段所受的剪應(yīng)力的峰值越小，應(yīng)力分布越均勻；

　　(5)綜合巖土性質(zhì)與錨固體直徑對(duì)應(yīng)力分布的影響可以看出，錨固較硬的巖體，可選用直徑較粗錨固段較短的錨索；而錨固較軟的巖土體可選用直徑較細(xì)錨固段較長(zhǎng)的錨索。這樣可充分發(fā)揮錨索的承載能力。

參考文獻(xiàn)

[1]朱合華，鄭國(guó)平，劉庭金．預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)的數(shù)值模擬[J]．西部探礦工程，2003，6：17—19

[2]張樂(lè)文，汪稔．巖土錨固理論研究之現(xiàn)狀[J]巖土力學(xué)，  2002．23(5)：627—631

[3]張季如，唐保付．錨桿荷載傳遞機(jī)理分析的雙曲函數(shù)模型[j]．巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(2)：188—192

[4]尤春安．全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿的受力分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(3)：339—341

[5]尤春安，戰(zhàn)玉寶．預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布規(guī)律及分析[J]巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6)：925-928

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)