黏结式预应力锚索加固围岩优越性数值分析

2015-12-28段少杰

中国水能及电气化 2015年9期

黏结式预应力锚索加固围岩优越性数值分析

段少杰

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳110166)

【摘要】本文针对地下洞室工程中预应力锚索加固围岩的优越性设计问题，以全长黏结式锚索加固围岩为例，用有限元软件FLAC3D对其进行了建模，开展了加锚抗剪切性能的模拟研究和理论探讨，对比了两种方案下黏结式预应力锚索加固前后的计算结果，阐述了地下洞室工程围岩黏结式预应力锚索支护机制，解释了采用黏结式预应力锚索加固围岩的优越性，可以为工程设计人员提供一定的参考。

【关键词】预应力锚索；围岩加固；优越性分析

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.09.019

中图分类号：TU452

Numerical value analysis on superiority of adhesive pre-stressed anchor

cable reinforcement surrounding rock

DUAN Shaojie

(LiaoningDahuofangReservoirWaterConveyanceProjectConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Abstract:In the paper, full length adhesive anchor cable reinforcement surrounding rock is adopted as an example, finite element software FLAC3D is utilized for modeling aiming at superiority design issue of pre-stressed anchor cable reinforcement surrounding rock in underground cavern project. Anchor shear resistance performance simulation study and theoretical discussion are implemented. Calculation results of before and after adhesive pre-stressed anchor cable reinforcement under the two plans are compared. Surrounding rock adhesive pre-stressed anchor cable supporting mechanism of underground cavern project is described. Superiority of adopting adhesive pre-stressed anchor cable reinforcement surrounding rock is explained. The paper can provide certain reference for project designers.

Key words: pre-stressed anchor cable; surrounding rock reinforcement; superiority analysis

1概述

沿全长锚固的预应力锚索由于具有很多优点，在水利工程、岩土工程中被广泛应用。对于节理以及层面发育的岩体，这种黏结式预应力锚索更具有优势。它既增强了弱面的抵抗张拉能力，又改善了弱面的抗剪切性能，从而在总体上改善了节理岩体的强度[1]。当今学者对岩体加固问题进行数值模拟分析时，一般都是采用2结点杆单元或3结点杆单元作为预应力锚索模型[2-5]。然而在研究这种轴力杆式的预应力锚索单元时还存在有不足之处，主要表现为：ⓐ只考虑杆体的轴力而未涉及杆体本身的抗剪切作用；ⓑ各杆单元交接处转角协调性不好，尤其在模拟预应力锚索穿过节理面以及层面发育的岩体时更加明显[6-9]。

为了探讨黏结式预应力锚索在加固围岩中对抗剪切性能的优越性作用机制，构建科学的黏结式预应力锚索单元模型、开展加锚抗剪切性能的模拟研究和理论探讨是十分必要的。

2计算实例

针对上述问题，根据地形图构建模型，对黏结式预应力锚索加固围岩优越性进行数值模拟，模型的尺寸：横向宽度为59m，纵向沿线路取一个锚杆间跨度2.8m，地下工程深取19m，地下工程到模型底部取16.5m。对其进行网格剖分，模型网格剖分情况如图1所示。

在数值计算过程中，需要对模型进行一定的假定和简化：采用Mohr-Coulomb屈服准则，地下洞室工程周围的土体材料特性按均质弹塑性考虑。模型的边界条件：上部为自由边界，底部受3个方向的约束，剩余的4个侧面受到法向约束。围岩和初期支护在计

图1　模型网格划分

算中视为弹性体，单元采用三维实体单元(brick)。由于计算范围不大，故计算时只考虑了自重应力场。模型计算方案有两种：方案Ⅰ是地下洞室工程周边只采用排桩支护，方案Ⅱ是采用排桩支护+锚索。在方案Ⅱ中采用左侧坑壁锚杆施加预应力、右侧坑壁锚杆不施加预应力的对比形式。模型计算中围岩、排桩和锚杆支护的参数见下表。

围岩和支护的参数表

3计算结果分析

模型的初始应力计算结果如图2所示，这里不再说明。需要特别指出的是，初始应力计算完以后，要把计算得到的位移值设置归零，因为在计算时，实际的位移值是从开挖后开始的。

图2　模型初始应力图

图3　地下洞室工程围岩竖向位移(加锚前)

图4　地下洞室工程围岩竖向位移(加锚后)

图5　地下洞室工程围岩横向位移 (加锚前)

图6　地下洞室工程围岩横向位移(加锚后)

图7　加锚前地下洞室工程排桩的受力(f x)

图8　加锚后地下洞室工程排桩的受力(f x)

图9　锚杆施加预应力和不施加预应力两侧坑壁处锚杆的受力

从图3～图9可以看出，地下洞室工程围岩的最大竖向位移出现在底部位置。右侧坑壁锚杆侧(不施加预应力侧)，加锚前后地下洞室工程围岩的沉降情况变化不大，左侧坑壁锚杆侧(施加预应力侧)围岩的竖向位移加锚前比加锚后要大很多，围岩的最大横向位移出现在两侧位置，右侧坑壁锚杆侧(不施加预应力侧)的横向位移变化也不大，然而在左侧坑壁锚杆(施加预应力侧)，加锚前围岩的横向位移要比加锚后大得多；ⓒ加锚前后排桩的受力也有小幅度的变化，加锚前排桩的受力要大一些，对于左侧坑壁锚杆侧(施加预应力侧)，效果就表现得更加明显。

综上所述，对地下洞室工程施加黏结式预应力锚索后，地下洞室工程围岩的竖向位移、横向位移和排桩的受力都变小了。原因是对围岩施加黏结式预应力锚索加固措施后，预应力锚索通过水泥砂浆与围岩形成了一体，进行了应力重分布，围岩的承载力、承受变形的能力增大，发挥了锚索的加固作用。通过数值计算，解释了黏结式预应力锚索加固围岩的优越性作用机制。

4结语

a.通过对比两种方案下黏结式预应力锚索加固前后的计算结果可知，地下洞室工程围岩施加黏结式预应力锚索后，其围岩的横、竖向位移和排桩的受力都变小了，解释了黏结式预应力锚索加固围岩的优越性作用机制。

b.围岩稳定性在基于基本假定下的一类岩体中会得出准确性较高的结果，但此结论对于另外的一类岩体可能就不再适用，即由工程特殊的复杂性以及人们认识程度的局限性导致上述方法都具有一定的局限性。因此，对于岩体的稳定性要具体问题具体分析，但万变不离其宗，这些方法所依据的力学基础都是相同的。

c.本文的计算是基于单根锚索计算模型的基础，而在实际工程中锚索不可能只有一根，会有群锚的情况。群锚由于受到锚与锚之间的扰动，其作用机制肯定会有变化。因此，在以后的研究中，应考虑构建群锚模型，从而可以开展更真实、准确的模拟。

参考文献

[1]张宗辉. 地下工程预应力锚索设计方法研究[D].重庆交通大学,2011.

[2]洪海春,徐卫亚. 全长黏结式预应力锚索锈胀开裂时服务年限研究[J]. 岩土力学,2008(4):949-953.

[3]卢萌盟,卫明山,沈俊,等. 全长黏结式预应力锚索加固基坑仿真试验研究[J]. 岩土工程学报,2006(1):92-96.

[4]陈安敏,沈俊,顾欣. 自由式锚索和全长黏结式锚索加固效果比较模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2005(15):2689-2696.

[5]卢萌盟,沈俊,曾宪桃. 预应力锚索加固基坑的三维数值分析[J]. 岩土工程学报,2005(10):1198-1202.

[6]李德水. 预应力锚索在水利水电工程中的应用分析[J]. 人民珠江,2005(5):56-58.

[7]刘鸿,冯君. 压力分散型锚索锚固机理数值分析研究[J]. 地下空间与工程学报,2015(2):446-455.