黏結式預應力錨索加固圍巖優(yōu)越性數(shù)值分析

段少杰

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局，遼寧 沈陽110166)

【摘要】本文針對地下洞室工程中預應力錨索加固圍巖的優(yōu)越性設計問題，以全長黏結式錨索加固圍巖為例，用有限元軟件FLAC3D對其進行了建模，開展了加錨抗剪切性能的模擬研究和理論探討，對比了兩種方案下黏結式預應力錨索加固前后的計算結果，闡述了地下洞室工程圍巖黏結式預應力錨索支護機制，解釋了采用黏結式預應力錨索加固圍巖的優(yōu)越性，可以為工程設計人員提供一定的參考。

【關鍵詞】預應力錨索；圍巖加固；優(yōu)越性分析

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

中圖分類號：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

沿全長錨固的預應力錨索由于具有很多優(yōu)點，在水利工程、巖土工程中被廣泛應用。對于節(jié)理以及層面發(fā)育的巖體，這種黏結式預應力錨索更具有優(yōu)勢。它既增強了弱面的抵抗張拉能力，又改善了弱面的抗剪切性能，從而在總體上改善了節(jié)理巖體的強度[1]。當今學者對巖體加固問題進行數(shù)值模擬分析時，一般都是采用2結點桿單元或3結點桿單元作為預應力錨索模型[2-5]。然而在研究這種軸力桿式的預應力錨索單元時還存在有不足之處，主要表現(xiàn)為：?只考慮桿體的軸力而未涉及桿體本身的抗剪切作用；?各桿單元交接處轉角協(xié)調(diào)性不好，尤其在模擬預應力錨索穿過節(jié)理面以及層面發(fā)育的巖體時更加明顯[6-9]。

為了探討?zhàn)そY式預應力錨索在加固圍巖中對抗剪切性能的優(yōu)越性作用機制，構建科學的黏結式預應力錨索單元模型、開展加錨抗剪切性能的模擬研究和理論探討是十分必要的。

2計算實例

針對上述問題，根據(jù)地形圖構建模型，對黏結式預應力錨索加固圍巖優(yōu)越性進行數(shù)值模擬，模型的尺寸：橫向寬度為59m，縱向沿線路取一個錨桿間跨度2.8m，地下工程深取19m，地下工程到模型底部取16.5m。對其進行網(wǎng)格剖分，模型網(wǎng)格剖分情況如圖1所示。

在數(shù)值計算過程中，需要對模型進行一定的假定和簡化：采用Mohr-Coulomb屈服準則，地下洞室工程周圍的土體材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮。模型的邊界條件：上部為自由邊界，底部受3個方向的約束，剩余的4個側面受到法向約束。圍巖和初期支護在計

圖1　模型網(wǎng)格劃分

算中視為彈性體，單元采用三維實體單元(brick)。由于計算范圍不大，故計算時只考慮了自重應力場。模型計算方案有兩種：方案Ⅰ是地下洞室工程周邊只采用排樁支護，方案Ⅱ是采用排樁支護+錨索。在方案Ⅱ中采用左側坑壁錨桿施加預應力、右側坑壁錨桿不施加預應力的對比形式。模型計算中圍巖、排樁和錨桿支護的參數(shù)見下表。

圍巖和支護的參數(shù)表

3計算結果分析

模型的初始應力計算結果如圖2所示，這里不再說明。需要特別指出的是，初始應力計算完以后，要把計算得到的位移值設置歸零，因為在計算時，實際的位移值是從開挖后開始的。

圖2　模型初始應力圖

圖3　地下洞室工程圍巖豎向位移(加錨前)

圖4　地下洞室工程圍巖豎向位移(加錨后)

圖5　地下洞室工程圍巖橫向位移 (加錨前)

圖6　地下洞室工程圍巖橫向位移(加錨后)

圖7　加錨前地下洞室工程排樁的受力(f x)

圖8　加錨后地下洞室工程排樁的受力(f x)

圖9　錨桿施加預應力和不施加預應力兩側坑壁處 錨桿的受力

從圖3～圖9可以看出，地下洞室工程圍巖的最大豎向位移出現(xiàn)在底部位置。右側坑壁錨桿側(不施加預應力側)，加錨前后地下洞室工程圍巖的沉降情況變化不大，左側坑壁錨桿側(施加預應力側)圍巖的豎向位移加錨前比加錨后要大很多，圍巖的最大橫向位移出現(xiàn)在兩側位置，右側坑壁錨桿側(不施加預應力側)的橫向位移變化也不大，然而在左側坑壁錨桿(施加預應力側)，加錨前圍巖的橫向位移要比加錨后大得多；?加錨前后排樁的受力也有小幅度的變化，加錨前排樁的受力要大一些，對于左側坑壁錨桿側(施加預應力側)，效果就表現(xiàn)得更加明顯。

綜上所述，對地下洞室工程施加黏結式預應力錨索后，地下洞室工程圍巖的豎向位移、橫向位移和排樁的受力都變小了。原因是對圍巖施加黏結式預應力錨索加固措施后，預應力錨索通過水泥砂漿與圍巖形成了一體，進行了應力重分布，圍巖的承載力、承受變形的能力增大，發(fā)揮了錨索的加固作用。通過數(shù)值計算，解釋了黏結式預應力錨索加固圍巖的優(yōu)越性作用機制。

4結語

a.通過對比兩種方案下黏結式預應力錨索加固前后的計算結果可知，地下洞室工程圍巖施加黏結式預應力錨索后，其圍巖的橫、豎向位移和排樁的受力都變小了，解釋了黏結式預應力錨索加固圍巖的優(yōu)越性作用機制。

b.圍巖穩(wěn)定性在基于基本假定下的一類巖體中會得出準確性較高的結果，但此結論對于另外的一類巖體可能就不再適用，即由工程特殊的復雜性以及人們認識程度的局限性導致上述方法都具有一定的局限性。因此，對于巖體的穩(wěn)定性要具體問題具體分析，但萬變不離其宗，這些方法所依據(jù)的力學基礎都是相同的。

c.本文的計算是基于單根錨索計算模型的基礎，而在實際工程中錨索不可能只有一根，會有群錨的情況。群錨由于受到錨與錨之間的擾動，其作用機制肯定會有變化。因此，在以后的研究中，應考慮構建群錨模型，從而可以開展更真實、準確的模擬。

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