多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索承載體布置的數(shù)值分析

梁月英，劉國楠，李中國，胡榮華

(中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳518034)

多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索承載體布置的數(shù)值分析

梁月英，劉國楠，李中國，胡榮華

(中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳518034)

通過對(duì)多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索拉拔的數(shù)值模擬，研究了錨索承載體布置，如個(gè)數(shù)、間距等對(duì)錨索承載力、剪應(yīng)力分布、錨固效果和被錨固土層的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及普通壓力分散型錨索的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)一步分析了分段擴(kuò)大頭錨索的工作機(jī)理和錨固效率，得出承載體的凈間距不得小于3 m，且存在一個(gè)合理的承載體個(gè)數(shù)，當(dāng)個(gè)數(shù)為3時(shí)能有效提高承載力。

多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索 承載體布置 錨固效果

壓力分散型錨索具有耐腐蝕性好、錨固效率高等特點(diǎn)，在高危邊坡的加固、地質(zhì)災(zāi)害治理中應(yīng)用日益普遍。設(shè)計(jì)該類錨索時(shí)，常遇到分散錨固體的布置問題，若分散錨固體布置過密，應(yīng)力分布相互疊加，交叉影響，得不到好的錨固效果;布置間距過大，錨固效率降低。且該問題隨著巖土環(huán)境的變化，得到的結(jié)果不盡相同。其解決的方法一是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［1-3］，但是試驗(yàn)方法存在以下問題:①試驗(yàn)點(diǎn)的巖土條件被限定;②試驗(yàn)數(shù)據(jù)只能測(cè)試錨固體受力是否相互影響，在相同條件下不能做重復(fù)試驗(yàn)，求出合理的間距。數(shù)值分析［4-7］是另一種有效的方法，但計(jì)算中模型的簡(jiǎn)化和土體參數(shù)的合理性，以及計(jì)算結(jié)果的可靠性，有待進(jìn)一步論證。數(shù)值分析方法良好的可操作性和靈活性，使之被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)問題的求解。

針對(duì)以上問題，結(jié)合深圳地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)的研究課題，采用數(shù)值方法分析擴(kuò)大頭壓力分散型錨索的承載體布置［8］的問題。在不同載體個(gè)數(shù)和間距情況下，通過數(shù)值分析，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和未擴(kuò)孔壓力分散型錨索的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究擴(kuò)大頭壓力分散型錨索承載體布置與錨固效果的關(guān)系。

1 多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索的結(jié)構(gòu)

在壓力分散型錨索的基礎(chǔ)上，為提高錨固效率，將每個(gè)承載體所在的錨孔施工成擴(kuò)大頭形式，每個(gè)單元錨索分別由兩根無粘結(jié)鋼絞線內(nèi)錨于鋼質(zhì)承載體組成，鋼絞線通過特制的擠壓簧和擠壓套對(duì)稱地錨固于鋼質(zhì)承載體上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多段擴(kuò)孔壓力型錨索結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)值模擬原理

2.1 地質(zhì)概況

基于試驗(yàn)點(diǎn)的地質(zhì)情況進(jìn)行模擬，場(chǎng)地位于梧桐山南麓夾門山東側(cè)徑肚山體斜坡地帶，屬低山前緣丘陵地帶，總體地勢(shì)為東、西、北高南側(cè)低。試驗(yàn)位置選在一級(jí)邊坡的坡腳和坡頂平臺(tái)上。根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果，地層為第四系坡積層(層厚4～6 m)和上侏羅統(tǒng)高基坪群火山巖(揭露厚度16.80～17.90 m)。

2.2 多段擴(kuò)孔壓力型錨索數(shù)值模型

考慮到力的傳遞路徑為錨索—承載體—注漿體—巖土體，在數(shù)值計(jì)算中，使用5種單元進(jìn)行模擬:巖土體單元、注漿體單元、錨索單元、接觸單元以及承載托盤殼單元。錨索錨固端與承載托盤的相互作用通過剛性連接，以壓力的形式傳遞到注漿體，注漿體與周邊巖土體的相互作用通過接觸面的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，即接觸作用力通過接觸連接來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其粘結(jié)作用，分析其受力特性，如圖2所示。

計(jì)算模型中，錨索采用理想彈塑性模型，巖土體采用彈塑性模型，服從摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則，灌漿體采用彈塑性模型。

2.3 計(jì)算模型的承載體布置

模型考慮承載體個(gè)數(shù)N以及承載體間距L的不同，建立多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索模型M1:鉆孔直徑130 mm，擴(kuò)孔直徑220 mm，擴(kuò)孔段長(zhǎng)度3 m。根據(jù)承載體的布置，采用4組模型。為了對(duì)比擴(kuò)孔壓力分散型錨索的錨固效果，建立與M1對(duì)應(yīng)的4個(gè)普通壓力分散型錨索M2，鉆孔直徑130 mm。

采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析。模型范圍:以錨索外錨頭中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸取土體寬度方向±3 m，Y軸沿長(zhǎng)度方向，取最大錨索長(zhǎng)度+5 m，Z軸取土坡豎向高度±5 m，重力方向沿Z軸負(fù)方向。

圖2 錨固體數(shù)值模型示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 極限抗拔承載力

計(jì)算中采用分級(jí)加載，若計(jì)算的位移不收斂或者材料塑性破壞時(shí)，則停止計(jì)算，取上一級(jí)荷載為極限抗拔荷載。

設(shè)置2個(gè)承載體時(shí)，錨索極限承載力約660 kN (承載體間距L=5 m)，當(dāng)承載體個(gè)數(shù)增至3時(shí)，錨索極限承載力約為900 kN(承載體間距L=5 m)。

壓力分散型錨索計(jì)算的極限承載力分別為516 kN(承載體個(gè)數(shù)N=2，間距L=6 m)和690 kN(承載體個(gè)數(shù)N=3，間距L=6 m)。

3.2 注漿體與孔壁間剪應(yīng)力分析

從多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索注漿體與孔壁間的剪應(yīng)力沿錨索軸向的分布圖(圖3、圖4)可以看出:

1)非擴(kuò)孔段注漿段剪應(yīng)力分布較均勻且應(yīng)力值小，隨著荷載水平的增加剪應(yīng)力增加的幅度很小。

2)擴(kuò)孔段的剪應(yīng)力總體上均衡分布，剪應(yīng)力峰值接近。在低應(yīng)力水平時(shí)，位于巖土體錨固深處的承載體附近的剪應(yīng)力值稍大，隨著荷載水平的增加，剪應(yīng)力逐漸向錨固淺處傳遞。

3)分布在兩擴(kuò)孔段之間的非擴(kuò)孔段的剪應(yīng)力隨著荷載水平的增加有所提高，隨著承載體間距的增加有所降低。

3.3 擴(kuò)孔段荷載分析

表1為多段擴(kuò)孔壓力型錨索錨固段的荷載分擔(dān)情況。從表中可以看出:

1)當(dāng)布置2個(gè)承載體時(shí)，擴(kuò)孔段分擔(dān)的荷載約為拉拔荷載的78%，設(shè)置3個(gè)承載體時(shí)，擴(kuò)孔段分擔(dān)的荷載約為拉拔荷載的82%。

2)非擴(kuò)孔段分擔(dān)的荷載比重小，說明在承載體附近增大承載體周長(zhǎng)能有效地減少注漿長(zhǎng)度。

圖3 M1-1注漿體與孔壁間的剪應(yīng)力沿錨索軸向的分布曲線(N=2，L=5 m)

圖4 M1-3注漿體與孔壁間的剪應(yīng)力沿錨索軸向的分布曲線(N=3，L=5 m)

表1 擴(kuò)孔段荷載分擔(dān)情況

3)各組模型中非擴(kuò)孔段承擔(dān)的荷載值接近，表明非擴(kuò)孔段應(yīng)力值分布基本相近且數(shù)值較小。

3.4 擴(kuò)孔與否對(duì)錨固效果的影響

除錨固注漿段鉆孔直徑不同以外，在其它條件相同的情況下，在注漿體—孔壁應(yīng)力分布集中的區(qū)域擴(kuò)孔，能有效地提高鉆孔直徑。從數(shù)值計(jì)算的結(jié)果來看，當(dāng)設(shè)置2個(gè)承載體時(shí)，錨固承載力提高約28%，設(shè)置3個(gè)承載體時(shí)，錨固承載力提高約30%。

3.5 承載體個(gè)數(shù)對(duì)錨固效果的影響

相同條件下擴(kuò)孔承載力可提高約34%。擴(kuò)孔后設(shè)置3個(gè)承載體的承載力比設(shè)置2個(gè)承載體的承載力提高36%。說明擴(kuò)孔能有效改善錨索的受力特性，提高承載力。承載體的布置，存在一個(gè)合理的承載體個(gè)數(shù)，而不是簡(jiǎn)單的線性遞增規(guī)律。

3.6 承載體間距對(duì)錨固效果的影響

承載體間距L=5 m和L=6 m情況下，錨索承載力數(shù)值變化不大。承載體間距5 m時(shí)，承載體之間注漿體與孔壁間的剪應(yīng)力分布疊加現(xiàn)象不明顯;增大間距至6 m(凈間距3 m)后，錨固深處承載體端部比前一個(gè)注漿體前段的剪應(yīng)力峰值大，但承載力提高不明顯。

3.7 承載體布置對(duì)被錨固土體的影響

從數(shù)值計(jì)算的結(jié)果來看，多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索對(duì)周邊巖土體位移的影響較小，使用過程中對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)小，并能有效限制不利變形。

多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索對(duì)被錨固土體應(yīng)力的影響，主要集中在擴(kuò)孔錨固段和承載體底端附近的受壓區(qū)，其他范圍影響小。

4 與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的對(duì)比分析

對(duì)M1-2的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)3組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到錨索的極限拉拔荷載和最大彈塑性位移見表2，極限拉拔荷載最小值為658 kN，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果670 kN相近。

表2 錨索極限拉拔荷載和最大彈塑性位移

選取錨索C3對(duì)循環(huán)加載過程中的錨固段混凝土應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。圖中5-2-310 kN表示5次加載中第2次加載到310 kN。

從圖5中可以看出:

圖5 C3第5循環(huán)測(cè)試結(jié)果與M1-1數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的應(yīng)力分布特點(diǎn)與多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索的數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有相似的受力規(guī)律，且剪應(yīng)力峰值接近，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性和合理性。

5 結(jié)語

1)多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索，承載體的布置存在一個(gè)合理的個(gè)數(shù)，在合理范圍內(nèi)，承載體個(gè)數(shù)越多，抗拔承載力越高。與普通壓力分散型錨索相比，錨固體的有效直徑增加能有效提高錨固力。

2)承載體間距為6 m時(shí)，應(yīng)力疊加現(xiàn)象不明顯，可以認(rèn)為彼此沒有影響，為避免應(yīng)力的疊加，承載體的凈間距不得小于3 m。

3)多段擴(kuò)孔壓力分散型錨索對(duì)錨固土體的影響主要集中在孔壁附近，且數(shù)量級(jí)較小，能有效地限制不利變形，擾動(dòng)小。對(duì)錨固土體應(yīng)力的影響主要集中在擴(kuò)孔錨固段和承載體底端的局部區(qū)域。

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(責(zé)任審編趙其文)

TU317

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．33

1003-1995(2015)04-0127-03

2014-11-02;

2015-02-02

梁月英(1981—)，女，湖南沅江人，助理研究員，博士。