隧道初期支護(hù)中的玻璃纖維錨桿的力學(xué)分析

揭海榮

1 概述

隧道工程的初期支護(hù)中涉及到大量的系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、小凈距對穿錨桿等等。以鋼材為原材料的傳統(tǒng)錨桿容易銹蝕,給初期支護(hù)的安全性和耐久性帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近年來,具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、不導(dǎo)電等優(yōu)良特性的玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)錨桿在隧道工程中已得到初步應(yīng)用,如在盾構(gòu)隧道的始發(fā)和接受井的端頭加固中的應(yīng)用、山嶺隧道洞口邊坡工程加固中的應(yīng)用等等。然而,在國內(nèi)有關(guān)GFRP錨桿的相關(guān)研究也比較少,尚屬于起步階段。

在國外,GFRP錨桿應(yīng)用技術(shù)比較成熟,相關(guān)的理論研究也比較完善,Malvar教授用同一類型四種不同表面處理的GFRP錨桿,通過試驗(yàn)研究了外部約束和表面壓痕對粘結(jié)性能的影響[1]。Larralde和Silva對直徑分別為9.5 mm,15.9 mm的GFRP錨桿做了拉拔試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)錨固長度較長的桿件試驗(yàn)所測得的平均粘結(jié)應(yīng)力小于錨固長度較小的桿件所測得的平均粘結(jié)應(yīng)力,然而與鋼筋試驗(yàn)的結(jié)果相比較,GFRP錨桿的平均粘結(jié)應(yīng)力略小于鋼筋的平均粘結(jié)應(yīng)力[2]。為了編制玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范,Ehsani等人制作并進(jìn)行了102個(gè)試件的單調(diào)靜力荷載下的試驗(yàn),研究中包括的變量有混凝土抗壓強(qiáng)度、埋長、混凝土保護(hù)層厚度、玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋直徑、混凝土澆筑深度、曲率半徑和尾長,并基于試驗(yàn)分析得出了玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋基本錨固長度的數(shù)學(xué)表達(dá)式[3]。

相比而言,國內(nèi)對GFRP錨桿的相關(guān)研究顯得滯后一些[4,5]。本文從隧道初期支護(hù)力學(xué)行為的角度出發(fā),以一個(gè)小型的水工隧道為例,重點(diǎn)分析了GFRP錨桿作為系統(tǒng)錨桿代替鋼錨桿的可行性。

2 隧道初期支護(hù)系統(tǒng)錨桿中玻璃纖維錨桿的力學(xué)分析

2.1 小型水工隧道有限元建模

本水工隧道圍巖為破碎的Ⅴ級圍巖,隧道跨徑為5 m,隧道埋深為30 m,考慮到邊界效應(yīng)和建模要求,取了隧道跨徑的12倍區(qū)域?yàn)橛?jì)算分析區(qū)域,在計(jì)算區(qū)域內(nèi)加上重力場。

模型的邊界條件為:左右兩邊的水平向和底邊垂向的位移均為零,具體計(jì)算參數(shù)如下:隧道埋深 h=30 m,土體的重度 γ=18.5 kN/m3,泊松比 μ=0.4,根據(jù)側(cè)壓力系數(shù) λ=μ/(1-μ),可得λ=2/3;計(jì)算區(qū)域的范圍為:60 m×60 m的正方形,隧道位于計(jì)算域的中心位置;總共2 409個(gè)單元,1 307個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型見圖1。圍巖單元的物理力學(xué)參數(shù)為:變形模量E=1 120 MPa,泊松比 μ=0.4,抗拉強(qiáng)度σt=0 MPa,粘結(jié)力 C=0.1 MPa,摩擦角φ=30°,膨脹角 θ=0°,材料為理想彈塑性材料,破壞準(zhǔn)則為摩爾—庫侖準(zhǔn)則。

錨桿為注漿全長粘結(jié)型錨桿,毛洞開挖后,為了便于分析對比,分別采用鋼錨桿錨噴和玻璃纖維錨桿錨噴進(jìn)行支護(hù),并進(jìn)行計(jì)算分析,錨桿長度為3 m,布置間距為0.8 m×1 m。

鋼錨桿物理力學(xué)參數(shù)為:Φ=22 mm,E=210 GPa,屈服荷載142 kN,抗拉荷載F=205 kN。

玻璃纖維錨桿物理力學(xué)參數(shù)為:Φ=22 mm,E=40 GPa,抗拉荷載F=189 kN。

隧道噴射混凝土為C20混凝土,其物理力學(xué)參數(shù)為:E=21 GPa,μ=0.3,厚度 h=24 cm,抗壓強(qiáng)度 σc=10 MPa,其殘余抗壓強(qiáng)度 σ1c=10 M Pa,抗拉強(qiáng)度 σt=1.1 MPa,殘余抗拉強(qiáng)度 σ1t=0 MPa。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

有限元平面問題分析考慮了開挖后,洞內(nèi)周邊圍巖荷載釋放率為30%,初期支護(hù)階段荷載釋放率為70%,從而模擬空間的圍巖應(yīng)力重分布狀況。

由圖2可以看出:GFRP錨桿錨噴支護(hù)和鋼錨桿錨噴支護(hù)均能夠有效地抑制隧道開挖后的圍巖變形,且在兩種支護(hù)方式下,隧道位移基本相當(dāng)。圖3說明:在上述隧道位移基本相同的情況下,鋼錨桿的最大軸力大約為GFRP錨桿的5倍。從圖4中可以得出:隧道開挖后在兩種不同方式的錨噴支護(hù)作用下,圍巖的安全系數(shù)基本相同。圖5可以表明:GFRP錨桿錨噴支護(hù)和鋼錨桿錨噴支護(hù)作用下均能夠很好地控制隧道開挖后塑性區(qū)的范圍,且隧道開挖后分別在兩種支護(hù)作用下的塑性區(qū)范圍基本一致。

不同工況下噴射混凝土的內(nèi)力及錨桿最大軸力比較見表1。

表1 不同工況下噴射混凝土的內(nèi)力及錨桿最大軸力比較表

由圖2～圖5及表1的計(jì)算結(jié)果可以看出,隧道開挖后,在鋼錨桿錨噴與GFRP錨桿錨噴兩種不同形式的初期支護(hù)條件下,隧道的位移、塑性區(qū)范圍、圍巖的安全系數(shù)基本相當(dāng),而鋼錨桿的最大軸力大約為GFRP錨桿的5倍。計(jì)算結(jié)果表明,玻璃纖維錨桿錨噴和鋼錨桿錨噴對隧道的支護(hù)效果相當(dāng),由于鋼錨桿的彈性模量大于玻璃纖維錨桿,同等隧道變形條件下,鋼錨桿受力較大而進(jìn)入屈服階段,隧道變形迅速增大;而GFRP錨桿則繼續(xù)持續(xù)彈性階段,能夠有效地控制隧道的變形。

3 結(jié)語

由上述計(jì)算可得,GFRP錨桿在支護(hù)性能上與鋼錨桿相當(dāng),并具有強(qiáng)度高(拉伸強(qiáng)度為鋼筋的1.2倍～1.4倍)、重量輕(重量為鋼筋的1/4)、抗腐蝕和侵蝕性好以及低松弛、耐電磁等優(yōu)點(diǎn)。因此,用GFRP錨桿取代鋼錨桿應(yīng)用于隧道的初期支護(hù)中具有獨(dú)特的性能和優(yōu)點(diǎn)。

[1] Javier Malvar.Tensile and bond propertiesof GFRP reinforcing bars[J].ACI Materials Journal,2005,92(3):8-9.

[2] Larralde,J.,Silva-Rodriguez,R..Bond and Slip of GFRP Rebars in Concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1993,5(1):30-40.

[3] M.R.Ehsani,H.Saadatmanesh,S.Tao.Design Recommendations for Bond of GFRP Rebars to Concrete[J].Journal of Structural Eengineering,1996(8):247-254.

[4] 袁 勇,賈 新,閆富友.巖石GFRP錨桿的可行性研究[J].公路交通科技,2004,21(9):13-15.

[5] 高丹盈,張鋼琴.纖維增強(qiáng)塑料錨桿錨固性能的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(20):3724-3729.