新型锚杆压力型性能研究

新型锚杆压力型性能研究

0锚杆的选择和使用影响随着土木工程技术对岩石桩的广泛应用，土木工程行业对岩石桩提出了更高的要求：同时，岩石体的自身强度，应配备足够的耐久性，并应忽视周围层的开发。近年来,在我国出现了一种新型的锚杆形式——压力型锚杆。它克服了拉力型锚杆黏结应力峰值突出、防腐性能较差、杆体无法拆除等性能缺陷,具有独特传力机制和良好工作性能。1压力型锚杆受力分析压力型锚杆由无黏结钢筋、承载体、灌浆锚固体及锚头组成,承载体通过无黏结钢筋与锚头相连接。其结构如图1所示。当锚杆受力时,荷载由锚头通过杆体传至位于孔深部的的承压板,承压板在张拉力P的作用下向外挤压其上部浆体,将锚杆的张拉力P转换为对浆体的挤压力q;浆体依靠其与岩体的黏结作用转移荷载至孔底周边稳定岩体,即增大了锚固体与岩土体的摩擦力,充分调动了岩土体的抗剪强度和杆体单位长度上的承载能力,从而实现加固作用。其锚固段实际受力情况见图2。由于压力型锚杆杆体与浆体被隔离,杆体在管中不与浆体发生黏结作用,因此,压力型锚杆受力后内锚固段中的位移及剪应力只发生在浆体与岩体之间,分析压力型锚杆的荷载传递规律,首先得分析浆体与岩体间的力学分布;此外,研究加锚后岩土体的锚固效果,故还须分析荷载在锚孔周边岩体内的传递规律。根据锚固体的受力特性及考虑到岩土介质结构性状的复杂性给理论分析带来的诸多困难,为了便于分析且使分析结果能反映出锚固段剪应力分布的趋势规律,可将锚固段的受力状态作些简化。简化为如图3所示的单位厚度半无限体上受集中力P作用的情形。虽被加固的岩土体按其真实力学特性应被视为非均质、不连续和各向异性的弹塑性介质,但本文主要侧重于研究岩土体的锚固特性,而非岩土体的屈服破坏特性,为了更加明了的反映其荷载传递规律,故假设半无限体为均质连续各向同性弹性体。2表1周围剪应力弹性理论的分析2.1应力分量与figa值的关系在分析上述模型之前,首先分析图4所示的半无限体内受集中力作用的情况。设半无限体内一点受集中力P的作用,坐标选取如图4所示,求不记重力作用时体内应力和位移的分布情况,这是弹性理论中典型的Kelvin问题。根据量纲分析,应力分量表达式应为P乘以r,z等长度坐标的负二次幂,因此,从应力分量与Love位移函数之间的关系可见,ϕ3应为一次幂的双调和函数。现试取式中,B为任意常数,将式(1)代入应力分量与Love位移函数关系式可得由式(2a)、(2b)可见,位移分量和应力分量在坐标原点是奇异的,而在无穷远处为0。为了确定常数B,可以计算z=±a两平面(图4(b))上正应力的合力,由平衡条件得将式(2b)代入式(3),得将式(4)代入式(2a)、(2b),即得要求的位移分量和应力分量:2.2承载板正下方应力由于压力型锚杆其承压板对浆体施加的并非集中力,而是圆盘面积上的均布荷载。现以承压板中心为坐标原点建立如图2所示的空间直角坐标系,设承压板半径为a,锚索的张拉力为P0,承压板所产生的均布荷载为q,且有q=P0/πa2。以杆体为研究对象,可将浆体-岩体系统视为综合弹性模量为E=EREg/(ER+Eg)的完全弹性各向同性均质体,分别以2πrdrq代替P,h代替z,r2+h2代替R2,则可得到承压板正下方距承压板距离为h圆形区域内任一点的位移及应力微分表达式为将式(6)两端积分,并代入q=P0πa2则有承压板中心正下方任一点的位移及应力公式:考虑到锚固体面积较小,因此,近似认为位于承载板正下方z坐标轴上的位移及应力就是该处锚固体截面上的平均位移及应力。现在锚固段z=s处取一微分段ds,设微分段周边的剪应力为τs,在s截面上的应力为σs,在s+ds截面处的应力为σs+dσs,对该微段建立力学平衡方程,则有由式(4)可知将式(11)代入式(10)则可得z=s处锚固段周边的剪应力为因为前面近似认为位于承载板正下方z坐标轴上的位移就是该处锚固段截面上的平均位移,所以,锚固段在z位置处周边位移就是式(4)中的位移w,故锚固段周边的位移及剪应力就可表示为2.3垂直距离分布考虑承压板对周围土体作用时,须引入参数C,即土体中一点距杆体的垂直距离。如图5所示。分别以2πrdrq代替P,h代替z,(c-r)2+h2代替R2,代入q=P0πa2,则可得到承压板下方距承压板R,距杆体C的圆形区域内任一点的位移及应力积分表达式为2.4压力型锚杆力学分布特性压力型锚索,a=0.05m,rg=0.065m,μg=0.167,Eg=2.4×104MPa,Er=2×103MPa,μr=0.31,P0=600kN。用式(13)、(14),结合Mathmatica数学积分软件,计算出压力型锚杆加载后锚固段周边的应力及位移值,其分布曲线见图6,7;计算出锚固体周边岩土体的应力与位移值,可得出它们的分布曲线图8,9。通过计算和作图可以看出,压力型锚杆的力学分布特点具有以下3点规律。(1)由承载板位置向外沿锚固段深度方向,砂浆体与岩土体界面上的剪应力及位移以双曲线形式进行迅速衰减。其分布区域集中在距承载板40cm范围内。剪应力在在距起点5cm处达到峰值,之后应力迅速衰减,15cm后应力衰减变缓,此后继续递减并逐渐趋近于0;位移由起点峰值状态,沿锚固段向外迅速衰减,在20cm位置处衰减变缓,之后逐渐趋近于0。(2)研究锚固段周边岩土体内不同点的位移曲线(如图7~9),分析得出,沿杆体轴线平行的方向或沿杆体切线方向上,岩土体内各点位移值随着锚固段深度h或杆体切线深度c的增大,都呈现双曲线形式衰减。但不同的是,前者随着锚固深度h的增大,这种双曲线衰减形式逐渐向水平直线过渡,在切线深度c=0.1~0.4m处,此种变化趋势尤为明显,即说明其相应点的位移衰减迅速。(3)从锚孔周边岩土体内各点位移等值线图10中可以看出,其位移是以杆体轴线为对称轴,以承载板为中心,呈现似“U”形向四周波形传播。沿杆体轴向位移递减较径向快,近似于2倍。在h=0.8m且c=0.4m的范围之外,岩土体发生位移量几乎为0。3锚固定段负荷传递机制的值分析为了对上文理论分析的结果进一步验证,采用Ansys有限元分析软件对锚杆内部预应力荷载的力学传递机制进行模拟分析。3.1锚固体与岩体的弹性模量由于荷载传递关于锚索轴线对称,为简化计算,可取1/4长方体作为分析模型。即计算模型取长×宽×高=10m×10m×5m的长方体,锚杆位于长方体中心。视锚固体与岩体为综合弹性模量为E的各向同性、完全弹性的同一均质体。取综合弹性模量E=2×109Pa,平均泊松系数ν=0.3。锚孔直径为0.12m,承载板直径为0.1m,锚杆预应力为600kN。岩体采用8节点的六面体单元模拟。承载板对锚固体的压力在有限元模型上按集中力施加,施加在相当于承载板位置的单元节点上。周围岩体对所取模型岩体的限制作用,采用对模型左表面和底面施加竖向位移约束进行模拟。加载和施加位移约束后的锚索模型如图11所示。3.2力学性能分析结果由于锚固体半径与所取模型边长相比很小,受单元划分限制,近似认为以最小单元边长(为17cm)为半径的圆柱体即为锚固体。分析求解后预应力通过承载板在岩体中的等效应力分布云图(如图12),锚固体周边沿轴向的应力分布曲线如图13所示,锚固体周边沿轴向的位移分布曲线如图14所示。从数值模拟分析结果的等效应力分布云图中可以看出,通过承载板传递给周围介质的应力,以承载板位置为基准,其等效应力分布形式大致呈倒锥面形状,从锚孔中心轴线开始,各等值锥面上的应力由内向外呈逐渐衰减趋势。由锚固体周边剪应力分布曲线可知,剪应力沿锚孔轴向的分布是不均匀的。在起点处其剪应力为3.14MPa,在0.5m位置处剪应力增加到4.4MPa且达到峰值,然后,随距离的增加剪应力迅速衰减并趋近于0。将数值模拟结果与上文中对压力型锚索应力分布规律分析的结果比较可以看出,由数值模拟分析得到的应力分布曲线,与理论推导出的曲线其分布形式相同,都遵循从起点非零初始值开始,经很短距离后应力迅速递增至峰值,然后应力按负指数形式随距离的增加不断递减,直至趋近于零这一规律。只是两者的应力分布范围以及各对应点处的应力值大小有差异。其原因是由于两种分析方法的应力观察路径不同。通过比较可以看到,数值模拟的分析结果其对应点上的应力值均比理论分析的要小,这正符合其应力观察位置较远的实际情况。因此,如果考虑到数值模拟在分析过程中的近似化处理对结果所造成的影响,其分析结果事实上是与理论分析结果是一致的。4高承载板锚固结构及锚固效应分析(1)压力型锚杆内锚固段外界面上剪应力和位移分布在锚固段距承载板40cm范围内,在锚固段深度方向上,呈现双曲线形式衰减。剪应力峰值在距起点后5cm处。(2)压力型锚杆在外荷载下,岩土体内各点位移是以杆体轴线为对称轴,以承载板为中心,呈现似“U”形向四周波形传播。且沿杆体轴向位移递减较径向快,近似于2倍。(3)评价压力型锚杆的锚固效应不仅仅考虑到了锚固体与岩土体界面上的剪应力分布形式,而且考虑到了加锚之后岩土体内各点的状态变化,其解析解与数值