拉力集中型与压力分散型预应力锚索锚固机理 矿山工程技术论文.pdf

27 卷 第 3 期北 京vol.27 no.3 20056journal of university of scienceand technologybeijingjun. 2005 收稿日期 20040615 修回日期20041105 基金项目国家基金委创新群体基金(no.50221402)和教育部 技术研究重大项目基金(no.10405) 作者简介王树仁(1968 )男,博士研究生 采用预应力锚索主动加固岩土工程 具有技 术先进 经济合理 安全可靠等诸多优点 因而在 边坡 基坑 堤坝 隧道 水电等大量岩土工程中 得到了广泛的应用 由于预应力锚索加固工程多 为不可见的隐蔽性工程 且预应力锚索的施工工 艺较复杂 影响锚固效果的因素众多 致使目前 关于各类预应力锚索作用机理 锚固体系与围岩 的相互作用关系 影响锚固效果的因素等研究仍 处于理论探讨之中 滞后于工程实践 1-4 传统拉力集中型锚索的索体为高强度低松 弛光面钢绞线 索体全长被浆体包裹 自由段的 充填浆体可认为是不受力的 一定的张拉荷载直 接作用到内锚固段浆体上 是使内锚固段浆体处 于受拉状态的锚索加固形式 5 国内应用较多的压力分散性锚索的索体为 高强度低松弛 pe 钢绞线索体全长也被浆体包 裹 但其钢绞线与浆体无粘结 比光面钢绞线多 两层防护 第 1 层为防腐油脂 第 2 层为pe 即高 密度聚乙稀材料钢绞线处于自由伸缩的受拉 状态 将压应力分散施加在按一定距离布置的若 干承载体上 是使内锚固段浆体处于受压状态的 锚索加固形式 6 本 文 应 用 非 线 形 大 变 形 有 限 差 分 程 序 flac 2d 进行拉力集中型和压力分散型两类预应 力锚索锚固机理的数值模拟研究 以期得出有价 值的结论 更好地服务于现场工程实践 1计算原理及力学模型 1.1计算原理 在预应力锚索锚固体系中 一般认为钢绞线 索体只能轴向抗拉 不能抗压和承受弯矩 在索 体强度足够大的情况下 锚索失效可能是由于索 体与浆体的接触面受剪破坏 或是浆体与周围岩 土体的接触面受剪破坏 钢绞线索体浆体岩 土体理想界面的剪切特性是通过浆体的粘聚力 和摩擦特性来体现的 图 1 为弹簧滑片体锚固 体系力学关系将锚索单元视为理想弹塑性材 料 采用mohrcoulomb破坏准则 单位长度的锚 索在浆体中的最大剪力是浆体材料粘聚力和摩 擦力的函数 图 2 为浆体材料力学特性曲线 7 单位长度锚索的剪力与浆体的变形刚度有 关 即: f l =k uu(1) 式中, f l 为单位长度锚索承受的剪力 k 为浆体 的变形刚度 u 为锚索轴向位移 u 为锚孔周围 岩土体的轴向位移 l为锚固长度 拉力集中型与压力分散型预应力锚索锚固机理 王树仁 1) 何满潮 2,3) 金永军 2) 1)北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083 2)中国矿业大学(北京)岩土工程研究所,北京100083 3)中国地质大学(北京)岩土工程研究所,北京100083 摘 要利用有限差分程序 flac对一种新型预应力锚索压力分散型锚索的锚固机理进 行了数值模拟研究 与拉力集中型预应力锚索相比 压力分散型锚索具有许多优点 尤其适 用于对大变形软岩工程的锚固 对比分析结果表明 压力分散型锚索锚固段浆体轴力峰值仅 为拉力集中型锚索的1/n n为承载体的数量) 且浆体处于受压状态 锚固段浆体岩体界面上 的剪力峰值也小于拉力集中型锚索 并沿内锚固段轴向均匀分布 在相同条件下 压力分散 型锚索比拉力集中型锚索能提供更大的锚固力适当增加承载体的数量是提高压力分散型 锚索锚固力 改善锚固段浆体受力状态的有效途径 关键词预应力锚索 锚固机理 数值模拟 分类号td824.7; td757.1 vol.27 no.3王树仁等 拉力集中型与压力分散型预应力锚索锚固机理279 单位长度锚索在浆体中的最大剪力由下式 确定 f max l =c +p p(2) 式中, f l 为单位长度锚索的最大剪力 c 为浆体 的粘聚强度 p 为锚孔周围的环向有效压力为 浆体的内摩擦角 p为锚孔周长 1.2力学模型 模拟拉力集中型预应力锚索锚固机理的平 面应变力学模型如图 3(a)所示 计算模型长宽= 60m30m 共划分1800个平面四边形单元 模型 左侧自由(外锚头模拟混凝土垫墩的单元固定) 右侧边界固定 模型上下边界施加垂直于锚索轴 向的荷载 模拟不同围压的情况 本文主要研究 锚索内锚固段的力学特性 因此 在锚索的内锚 固段左端头施加轴向拉拔力实现对锚索的加载 过程 压力分散型预应力锚索与拉力集中型预应 力锚索的主要差异在于内锚固段受力状态的不 同 如图 3(b)将压力分散型预应力锚索的内锚固 段按等间距分成三个承载体 每个承载体上作用 有均布力 其等效集中力为总拉拔力的 1/3 每一 个承载体及其相邻承载体间的锚固浆体作为一 个锚单元考虑 因此 共采用了三个锚单元来进 行压力分散型预应力锚索内锚固段加载过程的 模拟 1.3计算参数 参考相关资料 模拟计算采用的参数如下 锚索孔径 150mm 锚索长度 36m(自由段长 24m内锚固段长 12m)钢绞线弹性模量 195 gpa 波松比 0.25 屈服荷载 1.85gpa 锚固浆体弹性模量30gpa 波松比0.30 刚度 模量 5.35gpa 切变模量 0.42mpa 锚孔周围介质为全风化泥岩 容重19kn/m 3 弹性模量 3.2gpa 波松比 0.30 粘聚力 50kpa 内 摩擦角 19 2模拟结果及分析 2.1拉拔过程中锚固段浆体的受力状态分析 在不施加围压的情况下 分别对拉力集中型 和压力分散型的单根预应力锚索进行了拉拔模 拟实验 得出如下结果 (1)锚固段浆体轴力的分布由图 4(a)可见 对拉力集中型锚索 当张拉荷载从自由段传递到 内锚固段后再通过浆体向周围岩体内部转移 形成内锚固段的始端轴向拉力较大 并向末端迅 速衰减的分布形式 由于轴向拉力沿内锚固段全 图1预应力锚索锚固体系力学关系 fig.1mechanical representation of fully bonded reinforcement for the grout annulus of pre-stressed anchor cables 周围浆体 锚索轴向刚度锚固结点 弹簧 摩擦器 浆体剪切刚度浆体粘聚强度 mmm p p 图2浆体剪切强度准则(a)和浆体剪力与位移的关系曲线(b) fig.2 grout material behavior for cable elements c f/ l f /l k 位移u (a) (b) 图3压力分散型(a)和拉力集中型(b)预应力锚索力学模型图 fig.3 computingmodels of twotypes of pre-stressedanchor cables: (a) under dispersive pressure; (b) under concentrated tension 自由段内锚固段 f 24 m 12 m 30 m 60 m 自由段内锚固段 4 m4 m4 m (a) (b) 1/3f1/3f1/3f 280 20053 长并非均匀分布 而是在内锚固段的始端出现拉 力严重集中现象 因而在该部位最易发生浆体拉 裂破坏 导致锚索预应力损失或锚固失效 从图4(b)可知 对压力分散型锚索 作用在每 段锚固浆体上的轴力仅为拉力集中型锚索的 1/3 且浆体处于受压状态 能够充分利用浆体及 岩土等材料耐压怕拉的力学特性 因此压力分散 型锚索内锚固段浆体的受力效果要比拉力集中 型锚索好上述计算结果与文献 8 中实测的结 果是一致的 (2)浆体与岩体界面的剪力分布 由图 5(a)可 见 拉力集中型锚索的锚固浆体与岩土体界面的 剪力 在内锚段的起始位置剪力较小 随着向锚 固段末端推进 剪力在距起始端较近的一段距离 内迅速增大到峰值之后呈指数规律缓慢衰减 到一定距离后剪力递减为零 从图 5(b)可知压 力分散型锚索锚固浆体与岩土体界面的剪力值 较拉力集中型锚索小 而且剪力峰值与剪力均值 相差很小 能够沿内锚固段长度内均匀分布 可 以充分发挥整个锚固浆体材料的抗剪作用 上述计算结果也得到了与文献 8 中实测结 果一致的结论 2.2 拉拔过程中锚孔周围岩体的受力状态分析 (1) 最大主应力的分布 如图 6 所示 压力分 散型锚索在锚孔周围的受压区范围明显比拉力 集中型锚索的大 最大拉应力集中区不只是局限 于锚固段浆体而是沿锚索轴向向岩体深部扩 展 这有利于调动更大范围岩体的强度 (2) 最小主应力的分布 如图 7 所示 压力分 散型锚索在锚孔周围的受压区范围明显比拉力 集中型锚索的大 受拉区范围明显比拉力集中型 锚索的小 垂直于锚索轴向的受压区应力值比拉 力集中型锚索的大 说明压力分散型锚索更能够 改善垂直于锚索轴向的岩体的受力状态 轴力峰值1.3mn轴力峰值0.43mn 图4锚索内锚固段浆体的轴力分布图. (a)拉力集中型; (b)压力分散型 fig.4 axial forces of two types pre-stressed anchor cables along the bonded sections: (a) under concentrated tension;(b) under dispersive pressure (a)(b) 剪力峰值0.13mn剪力峰值0.11mn 图5锚索内锚固段浆体的剪力分布. (a)拉力集中型; (b)压力分散型 fig.5 shear forces of two types pre-stressed anchor cables along the grout annulus: (a) under concentrated tension; (b) under dispersive pressure (a) (b) 图6锚孔周围岩体的最大主应力分布图. (a)拉力集中型;图7锚孔周围岩体的最小主应力分布图. (a)拉力集中型; (b)压力分散型(b)压力分散型 fig.6 major principal stress of two types pre-stressed anchorfig.7 minor principal stress of two types pre-stressed anchor cables along the axial length: (a) under concentrated tension;cables along the axial length: (a) under concentrated tension; (b) under dispersive pressure(b) under dispersive pressure (a) (b) (a) (b) vol.27 no.3王树仁等 拉力集中型与压力分散型预应力锚索锚固机理281 (3)主应力差值的分布 主应力差值实际上反 映了剪应力的分布与变化情况如图 8所示压 力分散型锚索在内锚固段调动深部岩体强度的 范围大于拉力集中型锚索 而且剪应力沿锚固段 浆体分布较均匀 剪应力值比拉力集中型锚索的 小 也没有出现明显的剪应力集中现象 2.3锚索拉拔力与位移的关系 两类预应力锚索的拉拔力与位移关系曲线 如图 9 所示 锚索屈服前拉拔力与位移基本成线 性关系 对拉力型锚索 当拉拔力达到 1.38mn 位移达到 54mm 时锚固段浆体发生剪切破坏 此后 随着拉拔位移的继续增加 锚索拉拔力保 持恒定对压力分散型锚索当拉拔力为 1.56 mn位移达到 84mm 时浆体受压发生屈服破 坏 之后随着位移的继续增加 锚索拉拔力保持 恒定 在保持两类预应力锚索锚固段长度相等的 情况下 压力分散型锚索的最大拉拔力要高于拉 力集中型锚索 且压力分散型锚索较拉力集中型 锚索具有更好的柔性 更适用于软岩类边坡发生 大变形情形下的加固 2.4 承载体数量与锚固力的关系 分别取承载体数量为 2 3 4 和 5 个承载体 间的间距均匀锚固段长度为 12m 锚索长度为 36m 围压为150kn情况进行模拟 由图10可见 压力分散型锚索的锚固力随承载体数量的增加 而显著增加这主要是由于承载体数量增加后 每个承载体所分担的压力相应减少 从而使浆体 达到屈服破坏的拉拔力提高 当承载体数量为2 3 4 5 个时, 锚固浆体岩体界面最大剪应力为 262 114 102 98kn 表明承载体数量增加后 锚 索浆体岩体界面上的剪力值也相应减小了所 以增加承载体数量是提高压力分散型锚索锚固 力和改善其受力状态的有效途径 3结 论 (1 压力分散型锚索锚固段浆体的轴力峰值 仅为拉力集中型锚索的1/n n为承载体的数量) 且浆体处于受压状态 这样能够充分利用浆体及 岩土等材料耐压的力学特性 因此 压力分散型 锚索内锚固段浆体的受力效果要好于拉力集中 型锚索 (2)压力分散型锚索锚固段浆体岩体界面上 的剪力峰值小于拉力集中型锚索 且剪力峰值与 剪力均值差别很小 这样可以充分发挥整段锚固 浆体材料的抗剪作用 (3)当在浆体强度和锚固段长度等条件相同 时 压力分散型锚索比拉力集中型锚索提供更大 的锚固力 (4)适当增加承载体的数量是提高压力分散 型锚索锚固力 改善锚固段浆体受力状态的有效 途径 050100150200250 位移,u/ 图10不同承载体数量时锚索拉拔力与位移的关系 fig.10 relations of tensile force with displacement of several pre-stressed anchor cables under dispersive pressure 0 1.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2 个 3个 4个 5个 拉拔力,f / 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 拉拔力,f / 020406080100 位移,u/ 图9锚索拉拔力与位移的关系 fig.9 relations of tensile force with displacement of two types of pre-stressed anchor cables in the tensile test 压力分散型 拉力集中型 图8锚孔周围岩体的剪应力分布图. (a)拉力集中型; (b)压力 分散型 fig.8 shear stress of two types pre-stressed anchor cables along the axial length: (a)under concentrated tension; (b) under disper- sive pressure (a) (b) 282 20053 参 考 文 献 1何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学.北京:科学出版 社, 2002 2 程良奎.岩土锚固的现状与发展.土木工程学报, 2001, 34 (3): 7 3 张晗旭.关于预应力锚索加固效应研究的几点看法.河海 大学学报, 1999, 27(4): 93 4徐年丰,陈胜宏.我国岩土预应力锚索加固技术的发展与 存在的问题.水利水电快报, 2001, 22(10): 20 5 蒋忠信.拉力型锚索锚固段剪应力分布的高斯曲线模式. 岩土工程学报, 2001, 23(6): 696 6仇建辉,黎小春.压力分散型锚索在长滩河大坝基础处理 上的应用.广西水利水电, 2000(4): 22 7 flac2d(3.3) users manual. minesota:itasca consulting group inc, 1996 8田裕甲.压力分散型锚索与拉力型锚索的比较.岩土锚固, 2002, 32 (3): 32 anchoringmechanism of prestressedanchorcablesunder concentrated tension and dispersive pressure wang shuren1), he manchao2,3), jin yongjun2) 1) civil and environmental engineering school, university of science and technology beijing, beijing 100083, china 2) geotechnique institute, china university of mining and technology, beijing 100083, china 3) geotechnique institute, china university of geosciences, beijing 100083, china abstractthe anchoring mechanism of a pre-stressed anchorcable under dispersive pressure (pacdp)was studied with flac software. compared with a pre-stressed anchor cable under concentr