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岩土锚固工程中锚固体应力分布的有限元分析

1998年11月THECHINESEJOURNALOFGEOLOGICALHAZARDANDCONTROLNov11998

王连捷　王薇　董诚(中国地质科学院地质力学所,北京,100081)

提要　岩土锚固对地下工程,边坡加固,高层建筑,地基基础工程等有重要作用。本文对三种不同类型的锚杆,即拉力型,剪力型,压力型的锚杆锚固体中的应力分布以及拉杆刚度对应力分布的影象进行了有限元计算,为锚固技术的设计提供依据。应力分析结果表明:

1、在弹性应力情况下,拉力型锚杆锚固体中的应力集中明显,应力分布主要集中在锚固段上部较小的范围以内。在这种情况下,过分加大锚固段长度是无意义的。2、剪力型锚杆锚固体中的应力分布范围较大,应力集中较小,较均匀。因而能承受较大的抗拔力。但第三类剪力型锚杆对改善应力分布无作用。3、锚固体产生塑性变形后,应力集中程度降低,达到锚固体的残余强度。同时,应力向深部弹性区转移,以调动更大范围锚固体的强度。4、拉杆的刚度对锚固体中的应力分布有影响。拉杆的刚度越大,应力分布越趋于均匀。但拉杆刚度是有限度的。任意加大刚度有困难,只能到一定程度。关键词　岩土锚固　锚索　应力分布

一、前言岩土锚固对地下工程,边坡加固,高层建筑,地基基础工程等有重要作用。本文对不同类型的锚杆(索)的锚固体中的应力分布以及锚杆刚度对应力分布的影象进行了有限元计算,为锚固技术的设计提供依据。

二、预应力锚杆结构简述预应力锚杆由锚头、杆体和锚固体三部分组成,如图1[1]。锚头位于锚杆的外露端,它由锚具,承压板,台坐,支挡结构组成,通过它对锚杆施加预应力。杆体连接锚头和锚固体,由螺纹钢或钢绞线组成,通常利用其弹性变形对锚杆施加预应力。锚固体由水泥浆组成,位于锚杆的下半部,通过锚固体把应力从锚杆传给地层。

1-锚具;2-承压板;3-台座;4-支挡结构;5-钻孔;6-自由隔离层;7-预应力筋(拉杆);8-

注浆体;La-自由段长度;Lf-锚固段长度图1　预应力锚杆结构示意图　Fig11　structureofpre-stressedanchor

灌浆锚杆的抗拔力取决于(1)、锚固段水泥浆对拉杆的握裹力,而握裹力又取决于水泥浆的强度与拉杆表面的粗糙度;(2)、锚固段地层对水泥浆锚固体的磨擦强度;(3)、钻孔周围被锚固的地层的强度以及整体稳定性程度。除以上因素外,水泥浆锚固体中的应力分布对锚杆的抗拔力有重要影响。降低锚固体中的应力集中程度,使应力分布均匀,可提高锚杆的抗拔力。为此,本文重点讨论了锚固体中的应力分布。按锚杆与水泥浆体之间的传力方式,通常锚杆可分为三种类型,即拉力型、剪力型和压力型(图2)。目前应用较广泛的为拉力型。这类锚杆是通过拉杆与水泥浆体以及水泥浆体与地层间的粘结将力传到地层中。拉力型锚杆锚固体中的应力是随深度递减的。剪力型锚杆是用若干组无粘结钢筋束与水泥浆胶结材料分开,用钢筋束的有粘结部分分别在不同的深度上进行锚固,使之分别作用于锚固体的不同部位。我们称这种为第一类剪力型锚杆如图(2c

)。还有一种剪力型锚杆是将无粘结钢筋

束分为若干组,每一组钢筋束的底部连接一个锚板。这些锚板安装在不同深度,我们称这种为第二类剪力型锚杆如图(2d

)。还有一种我们称为第三类剪力型锚杆如图(2b)。第三

类剪力型锚杆中,每一组的锚固起始点相同,而终点不同。压力型锚杆是用无粘结拉筋与锚固体底部的锚板连接如图(2e

)

,它实际上相当于一组带锚板的剪力型锚杆。

三、锚固体应力分布的有限元分析采用超级SSAP程序进行有限元计算[2],由于锚杆孔的对称性,采用轴对称元。尺寸为

沿钻孔方向其长度为18m、宽度为4m、钻孔半径为011m。拉杆部分用杆单元,其余部分用轴对称单元,两种单元混合使用进行计算。单元网格划分如图3。共210单元,252个节点。约束情况为井口处的节点采用Z方向约束,钻孔中心线采用y方向约束。钻孔轴与Z平行。

四、拉力型锚杆锚固体中的应力分布锚杆锚固体长度8m,自由段长度4m,自由段通过无粘接钢筋使钢筋束与水泥浆分离开而成为自由段如图2a。图4为锚杆锚固体中的轴向剪应力分布,可以看出,在一般的刚度情况下,拉力型锚杆锚固体的应力主要集中在锚固段的上部约2m范围内如图4曲线1。这种情况已被实践证实[3]。

a-拉力型,b,c,d--剪力型,e-压力型图2　预应力锚杆的类型Fig12　TypesofPre-stressedanchor

图3　有限元计算网格Fig13　MeshofFiniteelementcalculation1

五、剪力型锚杆锚固体中的应力分布

11第一类剪力型锚杆(如图2c

)锚固体中的应力分布

此处将钢筋束分为三组,第一组的锚固段由深度4m开始到12m,长度8m;第二组的锚固体由深度6m开始到12m,长度6m;第三组由深度8m到12m,长度4m。应力分布如图4曲线2所示。可以看出,应力分布有三个峰值,峰值位在锚固的开始位置,每个峰值区分布在约1～2m的深度范围内。在同样的拉力条件下,与拉力型锚杆相比,剪力型锚杆有较低的峰值应力,此处相当于拉力型峰值的1󰃗3。而应力的分布范围约相当于拉力型的3倍,即应力的分布趋于均匀。如果钢筋束分的组数越多,剪力型锚杆的峰值应力越低,而应力分布范围越大,应力的分布越更加均匀。因而剪力型锚杆应力分布较合理,能够承受较大的拉力。

1-拉力型;2-第一类剪力型;3-第二类剪力型。图4　锚杆锚固体中的剪应力分布Fig14Shearstressdistributioningroutbody

21第二类底部带锚板的剪力型锚杆锚固体中的应力分布这种锚杆的布置如图2d。此处共有3组(可有更多的组)锚杆,它们的锚板分布位置为深度4m、6m、8m处。由无粘结钢索与锚板连接。应力分布的计算结果如图4曲线3

。应力分布曲线与曲线2相似。但应力幅值较大。从应力情况来看,这种锚杆不如曲线2理想,但它有一个锚板,因而抗拔力较大。能承受较大的拉拔力。3、第三类剪力型锚杆锚固体中的应力分布这种锚杆如图2b,其锚固体中的应力分布与拉力型锚杆相同如图4曲线1,没有起到—71—© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

分散应力的作用。六、压力型锚杆锚固体中的应力分布这种锚杆的结构如图2e。它是由无粘结钢筋束与底部锚板组合而成。它相当于一组带锚板的剪力型锚杆。应力分布如图5,这种锚杆底部由于有锚板,因而底部有较大的阻力。

图5　压力型锚杆锚固体中的剪应力分布Fig15　Shearstressdistributioningroutbodyofcompressivetypeanchor

七、刚度不同时锚固体剪应力分布锚固体中的应力分布与拉杆的刚度有关,拉杆的刚度愈大,应力集中程度愈小,应力分布越超于均匀如图6。图6中曲线1刚度最大,曲线2,3,4的刚度逐渐变小,曲线4的刚度最小。这是因为拉杆刚度越大时,拉杆的伸长变形小,因而带动锚固体在大的范围内超于均匀变形。虽然加大拉杆刚度可以使应力分布均匀,但刚度只能达到一定程度,过份加大纲度是有困难的。

(曲线由1到4刚度逐渐变小)图6　拉杆刚度不同时锚固体中剪应力分布Fig16　Stressdistributioningroutbodyfordifferentstiffnessofsteelrod

八、锚固体产生塑性变形时的应力分布上述讨论都是在锚固体为弹性变形时的应力分布。实际上,在锚杆的上部高应力区锚固体中可能产生塑性变形。塑性区应力值明显降低,应力值向深部转移,深部应力值相应升高如图7。这样在产生塑性后,通过应力的转移可以调动更大范围的锚固体的强度。保证锚杆有足够的阻力。但是塑性区不能过大以致全锚固段都变成了塑性,这时有可能使整个锚固体强度降低而失效。

1-弹性变形;2-塑性变形;3-更大范围塑性变形图7　塑性变形时锚固体中的应力分布Fig17　Stressdistributioningroutbodyunderplasticdeformation

九、结论通过上述应力分析可得如下结论:

11在弹性应力情况下,拉力型锚杆锚固体中的应力分布主要集中在锚固段上部约2m

以内的范围。21剪力型锚杆锚固体中的应力分布范围较大,较均匀。因而能承受较大的抗拔力。但第三类剪力型锚杆对改善应力分布无作用。31锚固体产生塑性变形后,应力集中程度降低,降到锚固体的残余强度。同时,应力向深部转移,调动更大范围锚固体的强度。41拉杆的刚度对锚固体中的应力分布有影响。拉杆的刚度越大,应力集中程度越低,应力分布越趋于均匀。但拉杆刚度是有限度的。任意加大刚度有困难,只能到一定程度。

参考文献[1]　程良魁,岩土加固实用技术,地震出版社,1994。[2]　朱以文,微机有限元前后处理系统及其应用,科学技术文献出版社,1993。[3]　曾国熙,地基处理手册,中国建筑工业出版社,1988,505-526。(下转第67页)

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