基于ABAQUS的锁脚锚杆全长位移分布变化特征的研究

才昊

摘 要 随着黄土隧道的大量修建，作为其中重要和有效的支护手段，锚杆被广泛应用。但目前对于锚杆力学特性的研究仍不够全面和深入。本文采用数值模拟的方法对锁脚锚杆进行研究，分析了锁脚锚杆全长位移分布变化规律和不同打设角度时锁脚锚杆的整体变形特征。得出结论：小角度打设的锚杆变形以竖向弯曲为主，大角度打设的锚杆变形除了竖向弯曲还会发生纵向滑移。

关键词 黄土隧道 锁脚锚杆 数值分析 位移分布

中图分类号：U455 文献标识码：A

1锁脚锚杆模型的建立

为了更全面深入地研究锁脚锚杆的受力特性与承载特点，突出锚杆的与黄土的相互作用关系，在上述开挖模型的基础上，建立如图所示的三维有限元计算模型（如图1、图2）。

由圣维南原理和实际工程经验可知，洞室开挖过程中围岩应力重分布仅发生在洞室周围3-5倍隧道开挖跨度范围内，此范围以外的围岩应力基本不受洞室开挖的影响。本文数值模拟中，围岩模型的尺寸以模型各面距离锚杆8-10倍管径建立。

2锁脚锚杆全长位移分布变化特征

在以往对锁脚锚杆的研究中，由于受到试验条件和测试方法的限制，模拟试验中无法测得锁脚锚杆全长的位移分布情况，仅仅测得锚杆端部的位移，这对于全面研究锁脚锚杆的整体变形是不够的，所以需要利用数值模拟对锁脚锚杆的全长位移分布变化特征进行研究。

锁脚锚杆的位移主要考虑竖向位移和水平位移，并假定竖向位移以向上为正，反之为负；水平位移以向围岩方向移动为正，反之为负。每个断面的位移以其上侧顶点的位移为代表。基于不同打设角度下锚杆全长位移的分布情况得出如下结论。

3结论

综合对比打设角度分别为0o、30o、45o和60o的锁脚锚杆全长位移分布图，可以得到以下结论：

（1）无论以何种角度打设锚杆，锚杆的竖向位移和水平位移均为负，说明锚杆在竖直方向上主要向下移动，在水平方向上主要向远离围岩的方向移动。在锚杆的这种位移情况下，锚杆下侧的围岩受到的压力较大，容易发生较大变形甚至破坏。

（2）竖向位移和水平位移沿着锚杆长度方向的分布变化规律基本一致，即：位移随着锚杆长度的增加先迅速减小，在75cm处位移减至很小，然后缓慢减小最终趋于0。

（3）隨着打设角度的增大，同一荷载下锚杆的端部竖向位移相应的呈减小的趋势，底部竖向位移呈增大的趋势，但钢拱架的沉降主要由锁脚锚杆的端部控制，所以增大锁脚锚杆的打设角度有助于控制锚杆的端部竖向位移，从而有利于控制隧道的竖向沉降。综合考虑施工条件，锁脚锚杆的打设角度应取45o。

（4）相较于大角度打设的锚杆，小角度打设的锚杆其外端的竖向位移更大而底端的竖向位移却很小，说明小角度打设时，锚杆主要以竖向弯曲变形为主，而大角度打设时锚杆除了竖向弯曲，还在锚杆底端发生了沿锚杆纵向的滑移变形。

（5）锚杆同一长度处的位移，不管是竖向位移还是水平位移，其增量随着荷载的均匀增加由开始的均匀增加变为加速增加。

参考文献

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