压力分散型锚索承载板合理间距的数值模拟研究

汪 浩 洪 亮

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230011)

压力分散型锚索承载板合理间距的数值模拟研究

汪 浩 洪 亮

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230011)

采用数值模拟和理论分析方法，对压力分散型锚索的承载板的合理间距进行了研究，基于数值分析成果，给出了不同围岩中承载板合理间距的推荐值，研究成果对压力分散型锚索的设计具有较好的参考意义。

压力分散型锚索，数值分析，锚固机理，承载板合理间距

0 引言

在近代岩土工程领域中，岩土锚固技术已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂岩土工程问题最经济最有效的方法之一[1]。对于稳定状况较差的岩土体，工程上大多采用预应力锚索进行加固。与其他支护体系相比，预应力锚索加固体系具有对围岩扰动小、能够增强围岩的力学特性、改善边坡岩土体的应力分布、提高边坡稳定性的特征；并且可根据需要及时对预应力锚索的作用位置、方向、结构参数、布置密度以及张拉时间进行调整，以便获得最佳的支护效果，设计施工安全可靠[1]。

压力分散型锚索，作为一种新型的岩土工程加固技术，已被广泛运用于实际工程中[3-5]。但是理论研究仍然落后于工程实践，设计计算方法还不成熟，规范中往往只有少量笼统的参考性的规定，从而给设计带来很大不便[6]。承载板间距是压力分散型锚索设计的重要参数，承载板布置太密，承载单元可能各自破坏而引起总失效，承载板间距太大，会造成浪费，更可能加重钢绞线应力不均匀[7]。在实际应用中，最为合理的承载体设置间距应该是在确保单元锚固区段的抗滑阻力能平衡该区段承受的压力荷载的前提下,还留有适当的安全储备。本文利用大型有限元软件ABAQUS对三种围岩中承载板的合理间距的取值进行了数值模拟研究。

1 承载板合理间距的确定标准

1.1 基于安全标准确定最小间距

压力分散型锚索承载板的间距应能保证各单元锚固段不发生破坏而引起总失效。在现阶段的一些规范和设计中，一般假定锚固段剪应力是均匀分布的，使用平均强度进行设计，这与工程实际往往不符；本文确定承载板合理间距下限值的方法是采用应力叠加判别法，根据周德培[8]的研究，应力叠加现象发生的条件是单元锚固段浆岩界面的抗剪强度不足以消除注浆体上的轴向应力传递，此时作用于各锚固单元上的压力将向压力作用方向即孔口方向传递，近端锚固单元的轴压应力和剪应力将有所增加，可能最先造成该锚索单元注浆体破坏或失稳。如果保证近端锚固单元未发生破坏或失稳，则整个锚固体就是安全的。因此，本文取近端锚固单元轴压应力峰值刚超过远端的轴压应力峰值时承载板的间距作为合理间距的下限值。这时各承载板处注浆体的轴向拉应力均较小，对锚固体系防腐有利。

1.2 基于经济标准确定最大间距

当压应力和剪应力减小至零或较小值时，可以认为锚索向岩体的传力过程已完成，我们称这个长度为有效传力长度。有效传力长度可以作为压力分散型锚索承载板间距设置的重要依据[9]。为避免承载板间距太大而造成浪费，本文将剪应力有效传递长度作为确定承载板合理间距的上限值。

2 承载板合理间距的数值模拟研究

2.1 计算模型

根据边坡加固中常用的压力分散型锚索使用情况，概化出如图1a)所示的几何模型。以锚索为中心，在垂直于锚索的平面上取半径为5 m的圆，锚索自由段长度取为10 m，锚索锚固段钻孔直径为150 mm，承载体个数取为3个，等间距布置在注浆体中(取不同间距以寻找合理间距)。计算模型坐标系规定为：锚索拉力方向为Y轴正向，锚固体外表面法向方向为X轴正向。模型边界条件为:除锚头所在的岩体表面为自由面外，其他各面均施加法向约束。

2.2 模型的单元类型及参数选取

本项研究以单锚为研究对象，且荷载为轴心荷载，单个承载体上施加的张拉荷载为300 kN。因此该问题可概化为一轴对称问题，采用轴对称单元CAX4R进行网格划分，在锚索方向的网格尺寸：锚固体段单元尺寸取为0.1 m，其余区段尺寸为0.2 m；垂直于锚索方向的单元尺寸按由密到疏渐变划分，即越靠近锚索网格越密，以满足应力计算精度的要求。

图1为计算模型图，图1b)给出了轴对称平面模型旋转180°后的三维效果图。

岩土体及注浆体采用弹塑性材料模拟，均服从摩尔—库仑屈服准则。考虑3种岩土体材料，即碎裂岩体、风化软岩和砂粘土，各材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2.3 计算结果与分析(以碎裂岩体为例)

在碎裂围岩中锚固段承载板间距分别取为1 m，1.5 m，2 m，3 m，4 m，其锚固段的应力，位移及剪应力分布如图2～图4所示。

1)由图2可以看出，当承载板间距取1 m和1.5 m时，注浆体轴向应力峰值由远端向近端呈上升分布，这表明各锚固单元间产生了应力叠加效应，且间距较小时叠加效应越明显；当承载板间距取2 m，3 m和4 m时，注浆体轴向应力最大峰值出现在远端承载板处，这表明各锚固单元间未产生应力叠加效应。

2)由图3可以看出，注浆体的轴向位移峰值随着承载板间距的增大而减小，当承载板间距为1 m，1.5 m，2 m，3 m，4 m时，对应的最大轴向位移值分别为8.0 mm，1.9 mm，0.8 mm，0.5 mm，0.5 mm；可见当承载板间距小于1.5 m时，位移将发生陡增。

3)由图4可以看出，就单个承载体而言，其剪应力的分布是不均匀的，剪应力在承载板附近最大，随着距离的增大逐渐减小，其不均匀程度主要受承载板的间距控制。如对于承载板间距为3 m的情况，距离承载板位置约1.5 m处，单个承载体范围剪应力由峰值551 kPa降至48 kPa，表明该锚固单元大部分并未起到承载作用，即设计长度过长；而对于承载板间距为1.5 m的情况，剪应力峰值约586 kPa，最小值约301 kPa，其均匀程度较间距为3 m的情况要好得多，表明剪应力沿整个锚固段分布较为均匀，可以较为充分地发挥整个锚固段的承载能力。

综合考虑不同间距布置下锚固段轴向应力分布规律、轴向位移分布规律及剪应力分布规律，建议碎裂岩体中压力分散型锚索的承载板间距取为1.5 m～2.0 m(单个承载体加载300 kN)。同理，单元锚固力为300 kN时，风化软岩中压力分散型锚索的承载板间距取为2.5 m～3.0 m，建议砂粘土中压力分散型锚索的承载板间距取为5 m～5.5 m。

3 结语

本文采用数值分析方法研究了压力分散型锚索在碎裂岩体、风化软岩以及砂粘土等三种类型围岩中承载板合理间距的取值问题，提出了承载板合理间距的确定标准，并给出了不同围岩中承载板间距的取值范围，对压力分散型锚索的设计和施工均有一定的参考意义。

[1] 程良奎,范景伦,韩 军，等.岩土锚固[M].北京：中国建筑工业出版社,2003.

[2] 田裕甲.岩土锚固新技术及实践[M].北京：中国建材工业出版社,2006.

[3] 梁 定.压力分散型预应力锚索在高速公路中的应用[J].广东交通职业技术学院学报，2008(1)：67-68.

[4] 张旭东.三福高速公路压力分散型预应力锚索施工技术[J].山西建筑，2009，35(9)：143-144.

[5] 姚卓英.2 000 kN压力分散型锚索在高边坡加固工程中的应用[J].铁道标准设计，2009(3)：89-90.

[6] 闫莫明,徐祯祥,苏自约.岩土锚固技术手册[M].北京:人民交通出版社,2004.

[7] 卢 黎.压力型岩锚内锚固段锚固性能及工程应用研究[D].重庆：重庆大学博士学位论文,2010.

[8] 周德培,刘 鸿.压力分散型锚索单元锚体间应力影响[J].岩土工程学报,2012,34(10):1765-1771.

[9] 林蔚勋,张永兴,卢 黎.压力分散型锚索承载板布置方式及其受力性能分析[J].工程勘察,2010(8)：99-100.

Research on numeric simulation of pressuredispersive anchoring bearing plate reasonable distance

WANG Hao HONG Liang

(AnhuiCommunicationPlanningDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230011,China)

The paper adopts numeric simulation and theoretic analysis method, researches the reasonable distance of pressure dispersive anchoring bearing plate, provides the recommended value of the reasonable distance in various surrounding rock based on the data analysis result, and the result is meaningful for the design of the pressure dispersive anchoring.

pressure dispersive anchoring, numeric analysis, anchoring mechanism, reasonable distance of bearing plate

2014-07-17

汪 浩(1982- )，男，工程师; 洪 亮(1988- )，男，助理工程师

1009-6825(2014)27-0065-02

TU452

A