何曉琴

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067)

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淺埋軟土工程錨桿作用機(jī)理研究及功效評(píng)價(jià)方法

何曉琴

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

摘要：采用有限元仿真模擬對(duì)某淺埋黃土隧道有代表性的豎向錨桿及水平向錨桿發(fā)揮作用的機(jī)理進(jìn)行了研究，揭示了錨桿與圍巖相互作用的原理。

關(guān)鍵詞：黃土隧道；錨桿；位移場(chǎng)；軸力；淺埋

1計(jì)算結(jié)果分析

1.1圍巖位移場(chǎng)地對(duì)錨桿軸力作用的發(fā)揮

工況一計(jì)算結(jié)果表明，水平向錨桿截面最大拉應(yīng)力為55.51 MPa，豎向錨桿的最大拉應(yīng)力值為9.90 MPa，顯然水平向錨桿較豎直方向的錨桿受力更大。初步可判定側(cè)墻錨桿較拱部錨桿發(fā)揮了較大的作用。

隧道既可能發(fā)生拱部坍塌的失穩(wěn)，也可能發(fā)生側(cè)壁失穩(wěn)定，兩種失穩(wěn)潛在的破裂面如圖1所示。對(duì)于淺埋的黃土隧道，以拱部的塌方失穩(wěn)為主，此時(shí)整個(gè)破裂面整體發(fā)生塑向的位移，拱部的錨桿位于潛坍體內(nèi)，與坍體一并向隧道內(nèi)方向運(yùn)動(dòng)，因此豎向錨桿不能產(chǎn)生較大的軸力。

圖1　隧道開(kāi)挖完成后位移場(chǎng)

針對(duì)工況2，沿著豎向錨桿徑向提取徑向個(gè)點(diǎn)豎直方向的位移，沿著水平向錨桿徑向提取徑向各個(gè)點(diǎn)的水平方向的位移，如圖2所示。(說(shuō)明：錨桿的徑向起點(diǎn)為初期支護(hù)與錨桿交接的位置，方向?yàn)檠刂^桿的方向。)從圖2可以看出，豎向錨桿3.5 m長(zhǎng)度產(chǎn)生的徑向位移差值為0.23 mm，水平向錨桿3.5 m長(zhǎng)度上的徑向位移差值為0.522 mm?？梢?jiàn)水平向錨桿施加位置產(chǎn)生了更大的徑向位移差值，這是錨桿產(chǎn)生了更大拉力的原因。

黃土隧道可以近似的看做均質(zhì)圍巖，錨桿植入圍巖中，圍巖產(chǎn)生變形，使錨桿產(chǎn)生軸力，錨桿軸力反作用于圍巖，使圍巖的變形能得到遏制，增加圍巖的穩(wěn)定性。錨桿與圍巖相互作用可以分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行說(shuō)明：

圖2　豎直錨桿及水平錨桿的徑向位移

第一步：錨桿植入圍巖，與圍巖融為一體。

第二步：隨著掌子面向前掘進(jìn)，掌子面對(duì)當(dāng)前位置的約束越來(lái)越弱，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形，產(chǎn)生沿著錨桿方向的徑向位移梯度。

第三步：圍巖變形作用于錨桿，錨桿四周產(chǎn)生剪力，錨桿徑向產(chǎn)生軸力。

第四步：錨桿受力反作用于圍巖，對(duì)圍巖變形產(chǎn)生約束，使圍巖位移得到約束。

為了研究錨桿對(duì)圍巖位移場(chǎng)的影響，提取錨桿施加前后豎向錨桿徑向位移值及水平向錨桿徑向位移值。

對(duì)于A點(diǎn)(拱頂沉降點(diǎn))，若不施工錨桿(工況二)豎向位移值為1.301 mm，若施工錨桿(工況一)，A點(diǎn)豎向位移值變?yōu)?.271 mm，錨桿的施加使用豎向位移值減少0.03 mm，錨桿使位移減少比率了2.3%。

對(duì)于B點(diǎn)(周邊收斂點(diǎn))，若不施工錨桿(工況二)水平向位移值為0.672 mm，若施工錨桿(工況一)，B點(diǎn)水平位移值變?yōu)?.588 mm，錨桿的施加使用水平向位移值減少0.084 mm，減少比率為12.50%。

1.3圍巖軟硬對(duì)錨桿功效的影響

為了研究圍巖軟硬對(duì)錨桿功效的發(fā)揮，人為的修改黃土的彈性模型2.1×104kPa(工況三、工況四)。工況三計(jì)算結(jié)果表明，水平向錨桿截面最大拉應(yīng)力為374.77 MPa，豎向錨桿的最大拉應(yīng)力值為267.33 MPa，此時(shí)錨桿的軸力值大大增加。

提取錨桿施加前后豎向錨桿徑向位移值及水平向錨桿徑向位移值，如圖3所示。

圖3　軟弱圍巖有無(wú)錨桿徑向位移值

對(duì)于A點(diǎn)(拱頂沉降點(diǎn))，若不施工錨桿(工況四)豎向位移值分別為130.144 mm，若施工錨桿(工況三)，A點(diǎn)豎向位移值變?yōu)?04.341 mm，錨桿的施加使用豎向位移值減少25.803 mm，錨桿使位移減少比率了19.82%。

對(duì)于B點(diǎn)(周邊收斂點(diǎn))，若不施工錨桿(工況四)水平向位移值為67.203 mm，若施工錨桿(工況一)，B點(diǎn)豎向位移值變?yōu)?4.06 mm，錨桿的施加使用水平向位移值減少33.123 mm，減少比率為49.29%。

可見(jiàn)，圍巖彈性模量越小(圍巖越軟弱)錨桿對(duì)圍巖位移場(chǎng)的影響越大，但是實(shí)際工程中圍巖越軟弱，錨桿與圍巖的粘結(jié)越若，難以發(fā)揮功效。

3.4支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)錨桿功效的影響

以上研究表明，錨桿徑向位移場(chǎng)對(duì)錨桿的受力有很大的影響，而位移場(chǎng)在很大程度上受開(kāi)挖進(jìn)度的影響。Hoek(1999)對(duì)Mingtam 某洞室工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，提出了洞壁徑向位移與至作業(yè)面距離之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

(1)

根據(jù)式(2)可以做出圍巖徑向位移—開(kāi)挖關(guān)系曲線圖(如圖4所示)。圖4主要反映了掌子面對(duì)于圍巖的約束情況。從圖中可以看出隧道的變形并非一開(kāi)挖就完成，隨著掘進(jìn)的深入掌子面對(duì)于當(dāng)前位置的約束能力越來(lái)越弱，最終的變形值達(dá)到穩(wěn)定。

圖4　圍巖徑向位移—開(kāi)挖關(guān)系曲線圖

根據(jù)公式(1)做出圍巖徑向位移與開(kāi)挖進(jìn)度的關(guān)系曲線圖，如圖(4)所示。y為隧道縱向，正方向?yàn)檎谱用嬷赶蚨纯诘姆较?，距離掌子面y時(shí)，圍巖已經(jīng)發(fā)生了大小為的徑向位移，作用與錨桿上的變形為?？梢?jiàn)：

當(dāng)時(shí)，即開(kāi)挖后立即施工錨桿，此時(shí)已約有30%的位移已經(jīng)損失掉；

當(dāng)時(shí)，隧道繼續(xù)開(kāi)挖將不產(chǎn)生額外的變形，如果這個(gè)時(shí)候來(lái)施工錨桿，錨桿乎不受力，因此在施工時(shí)，為了保證襯砌結(jié)構(gòu)的作用能充分發(fā)揮，應(yīng)盡早的支護(hù)。

當(dāng)時(shí)，位移幾乎為0，說(shuō)明掌子面前方3倍隧道半徑的圍巖幾乎未受到開(kāi)挖的擾動(dòng)；

從以上分析可以得知，錨桿的之所有受力是因?yàn)殄^桿與圍巖融為一體后，圍巖的變形帶動(dòng)了錨桿的變形所導(dǎo)致。因此，錨桿受力大小取決于施做錨桿時(shí)間與圍巖最終變形位移的差值。因此，在黃土隧道中如果錨桿施工過(guò)于不及時(shí)，將不能起到作用。

2結(jié)論及建議

(1)錨桿的受力與圍巖的位移場(chǎng)的變化是密切相關(guān)的；在淺埋黃土隧道中，由于拱隧道豎向位移梯度較小，拱部的圍巖整體發(fā)生了豎向的運(yùn)動(dòng)，因此拱部錨桿的受力較小，側(cè)墻上產(chǎn)生了較大的位移梯度變化，因此側(cè)墻錨桿受力更大。

(2)錨桿的受力與支護(hù)時(shí)機(jī)是密切相關(guān)的，越早支護(hù)，圍巖產(chǎn)生位移場(chǎng)的變化將更多的作用于錨桿，更容易發(fā)揮其功效，因此隧道開(kāi)挖完成后應(yīng)立即進(jìn)行錨噴支護(hù)。錨桿與圍巖的粘結(jié)材料采用早強(qiáng)、速凝材料，待植入圍巖的錨桿與圍巖形成一體后再進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，才能最大限度的發(fā)揮其功效。

(3)在軟弱圍巖中錨桿更容易發(fā)揮其功效，但施工過(guò)程中要確保錨桿與圍巖粘結(jié)形成整體，否則錨桿的功效也不能得到發(fā)揮。

(4)在某些情況下，錨桿是受力的，但是對(duì)圍巖的約束是不夠的，以錨桿的受力大小來(lái)評(píng)估錨桿的功效是不合理的，應(yīng)以錨桿約束圍巖變形的能力來(lái)評(píng)價(jià)錨桿的效應(yīng)的做法是合理的。

(5)本文主要基于淺埋黃土隧道的變形機(jī)理對(duì)錨桿的功效的機(jī)理進(jìn)行了研究，類似地，深埋黃土隧道錨桿的作用機(jī)理也可采用類似方法進(jìn)行研究。

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收稿日期：2016-04-18

作者簡(jiǎn)介：何曉琴(1970-)，女，重慶南岸人，碩士，主要從事工程管理方面研究。

中圖分類號(hào)：U417.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)05-0067-02