梁月英，劉國楠，李中國，胡榮華

(中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳518034)

多段擴孔壓力分散型錨索承載體布置的數值分析

梁月英，劉國楠，李中國，胡榮華

(中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳518034)

通過對多段擴孔壓力分散型錨索拉拔的數值模擬，研究了錨索承載體布置，如個數、間距等對錨索承載力、剪應力分布、錨固效果和被錨固土層的影響，并與現(xiàn)場試驗以及普通壓力分散型錨索的計算結果進行對比。進一步分析了分段擴大頭錨索的工作機理和錨固效率，得出承載體的凈間距不得小于3 m，且存在一個合理的承載體個數，當個數為3時能有效提高承載力。

多段擴孔壓力分散型錨索 承載體布置 錨固效果

壓力分散型錨索具有耐腐蝕性好、錨固效率高等特點，在高危邊坡的加固、地質災害治理中應用日益普遍。設計該類錨索時，常遇到分散錨固體的布置問題，若分散錨固體布置過密，應力分布相互疊加，交叉影響，得不到好的錨固效果;布置間距過大，錨固效率降低。且該問題隨著巖土環(huán)境的變化，得到的結果不盡相同。其解決的方法一是現(xiàn)場試驗［1-3］，但是試驗方法存在以下問題:①試驗點的巖土條件被限定;②試驗數據只能測試錨固體受力是否相互影響，在相同條件下不能做重復試驗，求出合理的間距。數值分析［4-7］是另一種有效的方法，但計算中模型的簡化和土體參數的合理性，以及計算結果的可靠性，有待進一步論證。數值分析方法良好的可操作性和靈活性，使之被廣泛應用于工程技術問題的求解。

針對以上問題，結合深圳地質災害治理技術的研究課題，采用數值方法分析擴大頭壓力分散型錨索的承載體布置［8］的問題。在不同載體個數和間距情況下，通過數值分析，并與現(xiàn)場試驗和未擴孔壓力分散型錨索的計算結果進行對比，研究擴大頭壓力分散型錨索承載體布置與錨固效果的關系。

1 多段擴孔壓力分散型錨索的結構

在壓力分散型錨索的基礎上，為提高錨固效率，將每個承載體所在的錨孔施工成擴大頭形式，每個單元錨索分別由兩根無粘結鋼絞線內錨于鋼質承載體組成，鋼絞線通過特制的擠壓簧和擠壓套對稱地錨固于鋼質承載體上。其結構如圖1所示。

圖1 多段擴孔壓力型錨索結構示意

2 數值模擬原理

2.1 地質概況

基于試驗點的地質情況進行模擬，場地位于梧桐山南麓夾門山東側徑肚山體斜坡地帶，屬低山前緣丘陵地帶，總體地勢為東、西、北高南側低。試驗位置選在一級邊坡的坡腳和坡頂平臺上。根據工程地質勘察成果，地層為第四系坡積層(層厚4～6 m)和上侏羅統(tǒng)高基坪群火山巖(揭露厚度16.80～17.90 m)。

2.2 多段擴孔壓力型錨索數值模型

考慮到力的傳遞路徑為錨索—承載體—注漿體—巖土體，在數值計算中，使用5種單元進行模擬:巖土體單元、注漿體單元、錨索單元、接觸單元以及承載托盤殼單元。錨索錨固端與承載托盤的相互作用通過剛性連接，以壓力的形式傳遞到注漿體，注漿體與周邊巖土體的相互作用通過接觸面的設置來實現(xiàn)，即接觸作用力通過接觸連接來實現(xiàn)，進而實現(xiàn)其粘結作用，分析其受力特性，如圖2所示。

計算模型中，錨索采用理想彈塑性模型，巖土體采用彈塑性模型，服從摩爾庫倫屈服準則，灌漿體采用彈塑性模型。

2.3 計算模型的承載體布置

模型考慮承載體個數N以及承載體間距L的不同，建立多段擴孔壓力分散型錨索模型M1:鉆孔直徑130 mm，擴孔直徑220 mm，擴孔段長度3 m。根據承載體的布置，采用4組模型。為了對比擴孔壓力分散型錨索的錨固效果，建立與M1對應的4個普通壓力分散型錨索M2，鉆孔直徑130 mm。

采用FLAC3D進行數值分析。模型范圍:以錨索外錨頭中心為坐標原點，X軸取土體寬度方向±3 m，Y軸沿長度方向，取最大錨索長度+5 m，Z軸取土坡豎向高度±5 m，重力方向沿Z軸負方向。

圖2 錨固體數值模型示意

3 計算結果分析

3.1 極限抗拔承載力

計算中采用分級加載，若計算的位移不收斂或者材料塑性破壞時，則停止計算，取上一級荷載為極限抗拔荷載。

設置2個承載體時，錨索極限承載力約660 kN (承載體間距L=5 m)，當承載體個數增至3時，錨索極限承載力約為900 kN(承載體間距L=5 m)。

壓力分散型錨索計算的極限承載力分別為516 kN(承載體個數N=2，間距L=6 m)和690 kN(承載體個數N=3，間距L=6 m)。

3.2 注漿體與孔壁間剪應力分析

從多段擴孔壓力分散型錨索注漿體與孔壁間的剪應力沿錨索軸向的分布圖(圖3、圖4)可以看出:

1)非擴孔段注漿段剪應力分布較均勻且應力值小，隨著荷載水平的增加剪應力增加的幅度很小。

2)擴孔段的剪應力總體上均衡分布，剪應力峰值接近。在低應力水平時，位于巖土體錨固深處的承載體附近的剪應力值稍大，隨著荷載水平的增加，剪應力逐漸向錨固淺處傳遞。

3)分布在兩擴孔段之間的非擴孔段的剪應力隨著荷載水平的增加有所提高，隨著承載體間距的增加有所降低。

3.3 擴孔段荷載分析

表1為多段擴孔壓力型錨索錨固段的荷載分擔情況。從表中可以看出:

1)當布置2個承載體時，擴孔段分擔的荷載約為拉拔荷載的78%，設置3個承載體時，擴孔段分擔的荷載約為拉拔荷載的82%。

2)非擴孔段分擔的荷載比重小，說明在承載體附近增大承載體周長能有效地減少注漿長度。

圖3 M1-1注漿體與孔壁間的剪應力沿錨索軸向的分布曲線(N=2，L=5 m)

圖4 M1-3注漿體與孔壁間的剪應力沿錨索軸向的分布曲線(N=3，L=5 m)

表1 擴孔段荷載分擔情況

3)各組模型中非擴孔段承擔的荷載值接近，表明非擴孔段應力值分布基本相近且數值較小。

3.4 擴孔與否對錨固效果的影響

除錨固注漿段鉆孔直徑不同以外，在其它條件相同的情況下，在注漿體—孔壁應力分布集中的區(qū)域擴孔，能有效地提高鉆孔直徑。從數值計算的結果來看，當設置2個承載體時，錨固承載力提高約28%，設置3個承載體時，錨固承載力提高約30%。

3.5 承載體個數對錨固效果的影響

相同條件下擴孔承載力可提高約34%。擴孔后設置3個承載體的承載力比設置2個承載體的承載力提高36%。說明擴孔能有效改善錨索的受力特性，提高承載力。承載體的布置，存在一個合理的承載體個數，而不是簡單的線性遞增規(guī)律。

3.6 承載體間距對錨固效果的影響

承載體間距L=5 m和L=6 m情況下，錨索承載力數值變化不大。承載體間距5 m時，承載體之間注漿體與孔壁間的剪應力分布疊加現(xiàn)象不明顯;增大間距至6 m(凈間距3 m)后，錨固深處承載體端部比前一個注漿體前段的剪應力峰值大，但承載力提高不明顯。

3.7 承載體布置對被錨固土體的影響

從數值計算的結果來看，多段擴孔壓力分散型錨索對周邊巖土體位移的影響較小，使用過程中對周邊環(huán)境的擾動小，并能有效限制不利變形。

多段擴孔壓力分散型錨索對被錨固土體應力的影響，主要集中在擴孔錨固段和承載體底端附近的受壓區(qū)，其他范圍影響小。

4 與現(xiàn)場試驗的對比分析

對M1-2的數值計算結果與現(xiàn)場3組試驗結果進行對比，得到錨索的極限拉拔荷載和最大彈塑性位移見表2，極限拉拔荷載最小值為658 kN，與數值計算結果670 kN相近。

表2 錨索極限拉拔荷載和最大彈塑性位移

選取錨索C3對循環(huán)加載過程中的錨固段混凝土應變進行測試，結果如圖5所示。圖中5-2-310 kN表示5次加載中第2次加載到310 kN。

從圖5中可以看出:

圖5 C3第5循環(huán)測試結果與M1-1數值計算結果對比

現(xiàn)場測試的應力分布特點與多段擴孔壓力分散型錨索的數值計算結果具有相似的受力規(guī)律，且剪應力峰值接近，驗證了數值計算結果的可靠性和合理性。

5 結語

1)多段擴孔壓力分散型錨索，承載體的布置存在一個合理的個數，在合理范圍內，承載體個數越多，抗拔承載力越高。與普通壓力分散型錨索相比，錨固體的有效直徑增加能有效提高錨固力。

2)承載體間距為6 m時，應力疊加現(xiàn)象不明顯，可以認為彼此沒有影響，為避免應力的疊加，承載體的凈間距不得小于3 m。

3)多段擴孔壓力分散型錨索對錨固土體的影響主要集中在孔壁附近，且數量級較小，能有效地限制不利變形，擾動小。對錨固土體應力的影響主要集中在擴孔錨固段和承載體底端的局部區(qū)域。

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(責任審編趙其文)

TU317

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．33

1003-1995(2015)04-0127-03

2014-11-02;

2015-02-02

梁月英(1981—)，女，湖南沅江人，助理研究員，博士。