锚杆设计参数对拉锚式支护结构水平位移的影响

锚杆设计参数对拉锚式支护结构水平位移的影响

锚杆设计参数对拉锚式支护结构水平位移的影响摘要:利用FLAC3D商业软件对基坑工程拉锚式支护结构的锚杆设计参数(锚杆长度、锚杆倾角、锚杆刚度以及锚杆设置深度)对支护结构水平位移的影响进行了数值模拟。模拟结果揭示:随着锚杆长度增加,最大水平位移减小,锚杆长度控制在1.5~2.0倍开挖深度之间为宜;锚杆倾角在15~30°本论文出自无忧论文网提供，如果您需代写论文，可以咨询：QQ:357500023之间对最大水平位移的影响不大;锚杆刚度不宜过大,也不宜过小,刚度在18.75GPa左右比较合适;加单根锚杆时,锚杆设置深度越小越好,在距支护结构顶部1m左右比较适宜。

关键词:锚杆设计参数;拉锚式支护结构;数值模拟

TosolvetheproblemsinsupportingroadwayswithbulkyandbrokensurroundingrocksunderhighgroundpressureinNiuerzhuangCoalMine,thecombinedsupportingmethodwithbackfilling,boltingandgroutingisadoptedtoreinforcethe,andthesatisfactorytechnical-economiceffectisgained.Theinfluenceofdesigningparametersofboltonthehorizontaldisplacementoftension-anchorsupportingstructure——WANGGuang-yongetc.Inthispaper,effectofthedipangle,stiffnessanddesigndepthofboltonthehorizontaldisplace-mentoftension-anchorsupportingstructurewascarriedoutbyFLAC3D.Numericalsimulationre-sultsshowthatthedipangleofboltdoesn'tinflu-enceonthemaximumhorizontaldisplacementwhenitisbetween0°and35°,anditisfitforbeingcon-trolled15°.Thestudyalsoshowsthatthestiffnessofboltcannotbetoolargeandtoosmall,anditismorefitfulwhenthestiffnessreaches75GPa,thedesigndepthofboltisincreasinglysmaller,whatismore,itwillbemorefitfulforaboutthreemetersneartothetopofthesupportingstructurewhenadoptingthesinglebolt.Observationonrationalcoal-pillarwidthofminingtunnelsofshallowcoalseam——SONGXuan-minetc.MiningfeaturesofShendongminingdistractarehighoutput,highefficiency,longface(240m)andlargeminingdistance(3000~5000m).Inordertoguaranteequick,safeandhighefficientminingoffaces,decreasemovingtimesofface'sequipmentsandrealizehighoutput,thekeyistosolvethesafemaintainofminingtunnelsofgreatsectionandlongdistanceundertheconditionofshallowcoalseam,thatis,designingthereasonablesupportingwaysandparametersoftunnelsandchoosingrationalcoal-pillarwidth.Combinedwithclassicallyshallowcoalseam,thepapergaveoutthereasonablecoal-pillarwidthofmininggatesofmainlyminingcoalseaminYujialiang,BuliantaandDaliutaminesbyobservingabutmentpressuredistributionofcoal-pillar.Theresearchoutcomeswillhaveengineeringapplicationvaluesanddirectingeffecttolayoutoftunnels,de-signingofroadways'supportsandcoal-pillarwidth.Featuresofthedriftssupportedb

ynewnet-shellanditsapplication——PANGJian-yongInaccordancewiththeproducingandgeologicalconditionofthewesttrack-transportinggateway,thepaperintroducedthenewnet-shellsupportonitsload-carryingproperities,thefeatureofsupportingdriftsanditsapplication.Researchonindexofperiodicweightinginsteeplyinclinedworkingface——DAIGaofeietc.Insteepseamwithobliquelongwallmining,thenon-uniformgroundpressurewasalleviatedbasedonthestudyofthegroundpressuredistribu-tionsofcoalinsite,whichadvancedthesafetyinworkingface.Theindexofperiodicweightingwasstudiedcarefully.Meanwhile,thereasonablepa-rametersinworkingfaceofobliquelongwallminingarediscussed.Therefore,thisresearchprovidedthescientificbasisforcontrollingofgroundpressureinmine.Stabilitycontrolofendfaceinlongwallsub-levelcavingface——ZHANGYongetc.Onthebaseofstresscalculationonendfaceandsurroundingofsupportsinlongwallsublevelcavingfaces,theauthorgivesproperexplainswhytherearepoorstabilityofendfaceandeasycavingoftop-coal.Andthen,fullenclosedmethodisbroughtuptosolvethetop-coalcavingofendfaceinlongwallsublevelcavingfaces.Observationonthelawofstratabehaviorinshallowseamandhighminingheightface——HUANGQing-xiangetc.Minebelongstosimilarshallowseam,whiletheobservationongroundcontrolisnotenough.Throughfieldmonitoringandobservation,basedonit'scondition,thispaperpresentthelawofroofstratamovementandthemechanismofroofweight-ing.Itisimportanttocoalproductionandstudyonthedynamicstructuretheoryinshallowseam.

Therockpressurelawandsupportloadingcharacteratheightoutput,heightefficiencyworkfaceinthethinandmedium-thicknessseam——

近年来,随着城市建设的迅速发展,高层建筑不断兴起,产生了大量的深基坑开挖工程,由于基坑支护方案不合理,造成工程事故频繁发生,总体而言,发生率约占其数量的20%~30%。基坑失事主要涉及两方面,一是基坑支护体系自身失稳;二是基坑开挖引起周围环境位移的显著变化,致使周围建筑物及地下管线破坏。由于深基坑开挖的现场,难以对支护参数进行系统的研究分析,因此采用数值模拟方法进行系统分析,确定各参数的定性关系,对基坑支护设计具有较大的指导意义。本文利用FLAC3D软件初步研究锚杆设计参数(锚杆长度、锚杆倾角、锚杆刚度以及锚杆设置深度)对拉锚式支护结构水平位移的影响规律,以提高基坑工程设计理论和指导工程实践。

1数值模型的建立

1.1数值模拟假设(1)本文主要研究支护参数对深基坑定性方面影响,为了简化计算,将拉锚式支护结构简化为二维平面应变问题;(2)不考虑施工进程对土体力学指标的影响,开挖深度在地下水位以上,不考虑渗流影响;(3)土体本构关系采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则模拟,由于支护结构刚度相对土体刚度较大,假定其为弹性体;(4)计算过程:先让土体在自重状态下达到初始平衡,再将初始位移设置为零;把每级开挖部分用null模型取代,计算变化后的位移与应力,加锚杆进行下一级开挖,直至基坑底。

1.2标准模型参数标准算例取单位宽度,宽度2L=40m,开挖深度H=10m;支护结构采用地下连续墙,为弹性体,厚度D=0.8m,插入深度为d=8m,弹性模量E=21000MPa,泊松比μ=0.25。土体采用弹塑性模型,锚杆为弹性体,其计算参数分别如表1和表2。工程经验表明,基坑开挖的影响长度约为开挖深度3~4倍,影响深度约为开挖深度的2~4倍,故取计算域长60m,深40m,其网格划分见图1。假定初始地应力场为自重应力场,计算域两侧设有水平链杆,底部设有铰支座,顶部取荷载15KPa。深基坑开挖顺序:首先开挖至3m,然后加锚杆,再开挖直至基坑底10m。表1土层参数土层号土层厚度H/m土的重度γ/kN•m-3土的粘结系数C/kPa土的内摩擦角Φ/(°)泊松比μ弹性模量E/MPa1191925150.3152>191830200.224表2锚杆参数参数名称数量参数名称数量锚杆长度/m15

锚杆弹性模量/GPa12.5锚杆倾角/(°)20锚固体粘结系数/kN•m-12锚杆横截面积/m20.00785

锚固体摩擦角/(°)30锚杆周长/m0.4

锚固体粘结刚度/GPa0.1锚杆抗拉强度/kN200收稿日期:2003-01-02作者简介:王光勇(19

77-),男,江西临川人,硕士,从事岩土工程方面的研究。•13•矿山压力与顶板管理

2003.№3图1计算域网格划分图

2数值模拟结果及分析

2.1锚杆长度的影响图2是锚杆长度变化对支护结构最大水平位移的影响规律。随着锚杆长度的增加,最大水平位移越来越小,且趋于平缓。而锚杆长度变化对最大轴力的影响规律(如图3),随着锚杆长度的增加,锚杆的最大轴力逐渐增加,且增加速率越来越小,当锚杆长度达到20m以后,轴力便基本保持在152kN左右,不再明显增大。因而,为了使基坑锚杆既被有效利用,又能有效控制支护结构最大水平位移,建议在该数值模型设计参数的条件下,锚杆长度取1.5~2.0倍开挖深度为宜。图2锚杆长度与最大水平位移关系图3锚杆长度与锚杆最大轴力关系2.2锚杆倾角的影响图4为锚杆倾角变化对最大水平位移的影响规律,从图4知,倾角在0~30°之间,最大水平位移变化不大,保持60mm左右,但当倾角从35°增至45°,最大水平位移从60.83mm增至68.71mm,增加7.88mm。因而在加锚时倾角不宜大于30°,为了施工方便也不宜小于10°,一般在15~30°之间,该地质条件下锚杆倾角最好取15°左右。图4锚杆倾角与最大水平位移关系图5锚杆刚度与最大水平位移关系图6锚杆刚度与锚杆最大轴力关系

2.3锚杆刚度的影响锚杆刚度变化对支护结构最大水平位移的影响规律,如图5所示,由图可见:随着锚杆刚度增加,支护结构最大水平位移逐渐减小,位移变化率越来越小,最后趋于零。图6是锚杆刚度与锚杆最大轴力之间的关系,由图6可知,随着锚杆刚度的增加,锚杆最大轴力越来越大,最后达到锚杆的抗拉强度200kN,从而使得锚杆发生抗拉破坏。因而,为了使锚杆能有效使用,并且有效控制最大水平位移,锚杆的刚度不宜太小,否则锚杆将不能被有效使用;同时锚杆刚度也不宜太大,否则锚杆将会发生抗拉破坏,从而使得锚杆不能有效控制水平位移,有鉴于此,建议在该地质条件下锚杆刚度18.75GPa左右比较合适。

2.4锚杆设置深度的影响图7为锚杆设置深度不同支护结构水平位移随着深度变化分布曲线。由图可见,随着锚杆设置深度增大,水平位移分布曲线由弓形向前倾形变化,且悬臂部分水平位移越来越大;随着锚杆设置深度的增加,最大水平位移呈增长趋势,且增长越来越快。图8是锚杆设置深度与锚杆最大轴力关系,由图可见,随着锚杆设置深度的增加,锚杆的最•14•

2003.№3矿山压力与顶板管理大轴力越来越小,即锚杆使用效率越来越低。综合经济和有效两方面来考虑,建议在该地质条件下加单根锚杆,锚杆设置深度越小越好,在距支护结构顶部1m左右比较适宜。图7锚杆各设置深度水平位移分布曲线图8锚杆设置深度与锚杆最大轴力关系

3结论(1)随着锚杆长度增加,最大水平位移越来越小,位移比率越来越小。为了使基坑锚杆有效被利用,又能有效控制支护结构最大水平位移,建议锚杆长度最好控制在1.5~2.0倍开挖深度之间。(2)锚杆倾角在0~30°之间,最大水平位移影响不大,但超过30°,最大水平位移影响比较明显。为了使锚杆既有效被利用,又方便施工,一般在15~30°之间,在该地质条件下倾角最好在15°左右。(3)锚杆刚度变化对支护结构最大水平位移的影响比较显著,锚杆的刚度不应太小,否则锚杆不能被有效使用;锚杆刚度也不应太大,否则,锚杆会发生抗拉破坏,从而使锚杆不能有效地控制水平位移,在该地质条件下锚杆刚度18.75GPa左右。(4)随着锚杆设置深度的增加,水平位移分布曲线由弓形向前倾形变化,最大水平位移增长越来越快。综合经济和有效两方面来考虑,在该地质条件下加单层锚杆,锚杆设置深度越小越好,建议在距支护结构顶部1m左右比较适宜。硬岩巷道的支护,软岩巷道蕴藏着巨大的塑性能(如膨胀变形能等),塑性能必须以某种形式释放出来。对软岩巷道而言塑形能以围岩的变形方式释放,且变形与时间有关。另外软岩巷道开挖后引起围岩向临空区