隧道初期支护中的玻璃纤维锚杆的力学分析

2010-07-30揭海荣

山西建筑 2010年10期

揭海荣

1 概述

隧道工程的初期支护中涉及到大量的系统锚杆、锁脚锚杆、小净距对穿锚杆等等。以钢材为原材料的传统锚杆容易锈蚀,给初期支护的安全性和耐久性带来严峻的挑战。近年来,具有轻质、高强、耐腐蚀、不导电等优良特性的玻璃纤维增强塑料(GFRP)锚杆在隧道工程中已得到初步应用,如在盾构隧道的始发和接受井的端头加固中的应用、山岭隧道洞口边坡工程加固中的应用等等。然而,在国内有关GFRP锚杆的相关研究也比较少,尚属于起步阶段。

在国外,GFRP锚杆应用技术比较成熟,相关的理论研究也比较完善,Malvar教授用同一类型四种不同表面处理的GFRP锚杆,通过试验研究了外部约束和表面压痕对粘结性能的影响[1]。Larralde和Silva对直径分别为9.5 mm,15.9 mm的GFRP锚杆做了拉拔试验,发现锚固长度较长的杆件试验所测得的平均粘结应力小于锚固长度较小的杆件所测得的平均粘结应力,然而与钢筋试验的结果相比较,GFRP锚杆的平均粘结应力略小于钢筋的平均粘结应力[2]。为了编制玻璃纤维增强塑料筋混凝土设计规范,Ehsani等人制作并进行了102个试件的单调静力荷载下的试验,研究中包括的变量有混凝土抗压强度、埋长、混凝土保护层厚度、玻璃纤维增强塑料筋直径、混凝土浇筑深度、曲率半径和尾长,并基于试验分析得出了玻璃纤维增强塑料筋基本锚固长度的数学表达式[3]。

相比而言,国内对GFRP锚杆的相关研究显得滞后一些[4,5]。本文从隧道初期支护力学行为的角度出发,以一个小型的水工隧道为例,重点分析了GFRP锚杆作为系统锚杆代替钢锚杆的可行性。

2 隧道初期支护系统锚杆中玻璃纤维锚杆的力学分析

2.1 小型水工隧道有限元建模

本水工隧道围岩为破碎的Ⅴ级围岩,隧道跨径为5 m,隧道埋深为30 m,考虑到边界效应和建模要求,取了隧道跨径的12倍区域为计算分析区域,在计算区域内加上重力场。

模型的边界条件为:左右两边的水平向和底边垂向的位移均为零,具体计算参数如下:隧道埋深 h=30 m,土体的重度 γ=18.5 kN/m3,泊松比 μ=0.4,根据侧压力系数 λ=μ/(1-μ),可得λ=2/3;计算区域的范围为:60 m×60 m的正方形,隧道位于计算域的中心位置;总共2 409个单元,1 307个节点。有限元模型见图1。围岩单元的物理力学参数为:变形模量E=1 120 MPa,泊松比 μ=0.4,抗拉强度σt=0 MPa,粘结力 C=0.1 MPa,摩擦角φ=30°,膨胀角 θ=0°,材料为理想弹塑性材料,破坏准则为摩尔—库仑准则。

锚杆为注浆全长粘结型锚杆,毛洞开挖后,为了便于分析对比,分别采用钢锚杆锚喷和玻璃纤维锚杆锚喷进行支护,并进行计算分析,锚杆长度为3 m,布置间距为0.8 m×1 m。

钢锚杆物理力学参数为:Φ=22 mm,E=210 GPa,屈服荷载142 kN,抗拉荷载F=205 kN。

玻璃纤维锚杆物理力学参数为:Φ=22 mm,E=40 GPa,抗拉荷载F=189 kN。

隧道喷射混凝土为C20混凝土,其物理力学参数为:E=21 GPa,μ=0.3,厚度 h=24 cm,抗压强度 σc=10 MPa,其残余抗压强度 σ1c=10 M Pa,抗拉强度 σt=1.1 MPa,残余抗拉强度 σ1t=0 MPa。

2.2 计算结果分析

有限元平面问题分析考虑了开挖后,洞内周边围岩荷载释放率为30%,初期支护阶段荷载释放率为70%,从而模拟空间的围岩应力重分布状况。

由图2可以看出:GFRP锚杆锚喷支护和钢锚杆锚喷支护均能够有效地抑制隧道开挖后的围岩变形,且在两种支护方式下,隧道位移基本相当。图3说明:在上述隧道位移基本相同的情况下,钢锚杆的最大轴力大约为GFRP锚杆的5倍。从图4中可以得出:隧道开挖后在两种不同方式的锚喷支护作用下,围岩的安全系数基本相同。图5可以表明:GFRP锚杆锚喷支护和钢锚杆锚喷支护作用下均能够很好地控制隧道开挖后塑性区的范围,且隧道开挖后分别在两种支护作用下的塑性区范围基本一致。

不同工况下喷射混凝土的内力及锚杆最大轴力比较见表1。

表1 不同工况下喷射混凝土的内力及锚杆最大轴力比较表

由图2～图5及表1的计算结果可以看出,隧道开挖后,在钢锚杆锚喷与GFRP锚杆锚喷两种不同形式的初期支护条件下,隧道的位移、塑性区范围、围岩的安全系数基本相当,而钢锚杆的最大轴力大约为GFRP锚杆的5倍。计算结果表明,玻璃纤维锚杆锚喷和钢锚杆锚喷对隧道的支护效果相当,由于钢锚杆的弹性模量大于玻璃纤维锚杆,同等隧道变形条件下,钢锚杆受力较大而进入屈服阶段,隧道变形迅速增大;而GFRP锚杆则继续持续弹性阶段,能够有效地控制隧道的变形。