基于现场试验的边坡锚索应力及变形演化规律研究

基于现场试验的边坡锚索应力及变形演化规律研究

1受荷后的锚固响应锚点在不同岩石体中的压力结构的复杂性导致了相关设计和计算工作的停滞。为了检测预应力锚索受荷后的反应,通过某工程顺层边坡锚固现场的锚索张拉试验,获取了各级张拉荷载下锚头的位移变化数据。在现场测试的基础上,采用数值方法(FLAC)模拟了在逐级开挖和逐级锚固施工过程中该顺层边坡的应力分布和锚索的受力特征,从而为研究锚索的受力形式和加固作用机理提供有效途径。2数值模拟过程以某工程边坡为研究对象,提取其地质剖面图信息,考虑了控制性的两层软弱夹层。通过原位试验和室内试验得到各项参数如表1和表2。边坡地质模型如图1。模型按地质属性分为三个部分:灰岩、泥灰岩和软弱夹层(泥岩)。同时,考虑到边坡的逐级开挖,将边坡对应的开挖部分自上而下按施工顺序分为4块,分4步模拟开挖和锚固施工过程(图2)。预应力锚索分锚头、自由段、锚固段按不同的属性来模拟。对于锚头,通过删除/建立LINK的方式模拟;对于锚固段,设置钢丝束和注浆体的强度参数、变形参数和截面几何参数;对于自由段,钢丝束的参数设置与锚固段一致,注浆体的强度参数设置为0。锚索参数与赋值如表3。数值模拟试验步骤如下:(1)建立锚1的6根锚杆,并施加预应力,再做第一步开挖1,设置相应的位移和应力监测点,运算到新的平衡状态。(2)对锚索进行张拉试验数值模拟:参照现场张拉试验的7级张拉力(见表4)进行逐级张拉;记录锚头节点的位移和锚固段注浆体第一节点的位移。(3)将(2)中所得的张拉数值模拟值与现场试验数据对比,并依据差值对数值模型中锚索、注浆体参数进行修正,重复步骤(2),直至模拟的结果与现场张拉试验的结果相近为止。(4)第二步开挖,施加锚2的锚杆,设置相应的位移和应力监测点,运算到新的平衡状态。同样的步骤进行第三、四步开挖,加锚3、锚4的锚索。(5)依次提取数据进行锚固作用分析。3锚索张拉试验的数值模拟分析3.1在数值试验中分析和参数校正(1)注浆环荷载作用下锚固段剪应力分布特征从图3可以看出,全长6m的锚固段只有前端约1/4长度分布剪应力。注浆环剪应力在锚固段0～1.6m近似呈抛物线形分布,在近端0～0.4m内出现最大剪应力,峰值的大小与张拉荷载有关。剪应力峰值出现后,迅速减小,向远端逐渐衰减至零值,与实验结果基本一致。从图4可以看出,注浆环剪切刚度(gr_k)影响剪应力分布的集中程度和范围。在同等荷载作用下,剪切刚度值越大,对应的剪应力峰值越大,剪应力的分布也越向锚固段近端集中。从图5可以看出,在同等荷载作用下,摩擦角越小,剪应力的分布也越向锚固段远端扩散。注浆环摩擦角(gr_fiction)也影响剪应力的分布范围,但作用不明显。图6反映了注浆环粘结强度(gr_coh)差异导致的剪应力分布特征。粘结强度显著地影响剪应力的分布范围和峰值,粘结强度值越大,剪应力峰值也越大,且分布范围向近端集中。图7展示了超张拉荷载下的锚固段剪应力特征。当张拉荷载超过一定限值时,在锚固段剪应力无法形成抛物线型的峰值,而是在0.2～0.8m段保持在1.12MPa平台上,形成截断效应。这可能表明此段注浆体发生了局部屈服,锚固段仍能正常工作,剪应力范围扩大、向远端扩展。(2)指数形式急剧下降从图8看,锚固段轴力集中分布在近端0～1.0m,以指数形式急剧下降,越过1.0m向远端趋近于零。各组参数条件下轴力的分布规律基本一致,分布范围主要受注浆环剪切刚度(gr_k)的影响。(3)数值模拟试验测点布置锚头位移值主要由锚固段的位移和锚索筋体的弹性伸长部分组成,通过数值模拟试验测得各级张拉荷载下锚头节点的位移,并与对应的实测值比较,调整相应的计算参数。取模拟值与实测值较为接近的一组(图9),校正后的参数见表5。3.2预应力锚索锚固段的特点传统理论上的锚固段应力解析解之一,是由Mindlin问题的位移解推导出的拉力型预应力锚杆锚固段应力的弹性解。取锚索和岩体的弹性模量分别为Ea=2.0×105MPa,E=2.018×104MPa,岩体的泊松比μ=0.258,锚固体半径a=75mm,设锚杆的张拉力P=600kN,则锚固段注浆环所受的剪应力、轴力分布为:τ=9.077×106×z×exp(-3.56z2)(1)N=6×105×exp(-3.56z2)(2)从图10可以看出数值模拟值比理论解要低,应力分布范围更加集中于锚固段前端。数值模拟结果与理论解具有一致性,张拉荷载作用下,预应力锚索锚固段的受力特征如下:(1)剪应力经过最大值后,随着z的增大逐渐减小,并很快趋近于零,与实验结果基本一致。(2)作为一种中硬岩,灰岩弹性模量较大,锚固段剪应力范围较小。锚固长度达到1.5m时再增加锚固段长度对抗拔力已无影响,这表明加大锚固段长度的效果不好。(3)不同张拉力作用下锚固段界面剪应力分布形态与轴力分布也大致相同。当张拉力P逐渐增大时,最大剪应力τ也逐渐增大。最大剪应力靠近于自由段,当试验张拉力达到一定值时,在靠近自由段附近的剪应力首先超过注浆环的弹性极限而进入塑性屈服状态。注浆环的破坏过程是从近端逐渐往远端破坏,最大粘结剪应力点也逐渐向深部移动。4锚固段至远端段利用校正后参数代入模型中,模拟逐级开挖,同步监测边坡中各级锚杆的轴力、剪应力和边坡坡面特征点的位移。图11～图14为第一批锚索的受力情况。0～1.2m间,锚索轴力急剧减小,1.5m以后趋近于0值。锚固段近端0～1.5m间剪应力曲线呈窄闭型的抛物线形分布,这与前述的理论弹性解是基本一致的。剪应力曲线同理论解一样呈抛物线形,在锚固段近端0.5～0.6m出现峰值,剪应力随后迅速降低,向远端扩展分布,1.5m与远端点之间注浆体剪应力趋近于0。另外,在两个软弱夹层附近(位于锚索自由段),锚索轴向应力分布均匀,而没有出现峰值等异常(图15),表明锚固岩体沿结构面或滑面没有发生较大的变形或滑动。边坡在开挖之前做好了上一级边坡锚固工程,有效地控制了岩体的变形,使得软弱夹层上部岩体并没有沿软弱夹层发生明显变形。5数值模拟的可靠性通过建立某工程边坡的数值分析模型,模拟锚索张拉试验过程,校正了数值模型锚固参数,有效地提高数值模拟