压力型锚杆锚固段荷载传递机理研究

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1、第30卷第6期应用力学学报Vol.30No.62013年12月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSDec.2013文章编号：1000-4939(2013)06-0864-06压力型锚杆锚固段荷载传递机理研究贺建清王磊陈秋南(湖南科技大学411201湘潭)摘要：利用弹性力学理论分别计算了锚固体因轴向压缩导致径向膨胀而产生的径向应变以及锚孔因锚固体挤压周围岩体产生的径向应变。根据锚固体与周围岩土体变形协调假定，导出了压力型锚杆锚固段径向应力、轴向应力、剪应力分布的理论解，并对压力型锚杆足尺模型进行了试验。结果表明：锚固体轴向应变实测值与理论计算值比较

2、吻合，验证了理论解的可靠性。基于上述理论解确定了有效锚固长度，分析了岩土体弹性模量与注浆换算弹性模量比值E/Ea、锚固力F、抗剪强度指标c、φ等岩土体力学参数对有效锚固长度的影响。结果表明：E/Ea值和c、φ值越小、F值越大，所需有效锚固长度越大。关键词：压力型锚杆；锚固；应力；有效锚固长度；模型试验中图分类号：TU45文献标识码：ADOI：10.11776/cjam.30.06.B023型。文献[8]推导了锚固段剪应力和轴力分布的理论1引言解。文献[9]推导了压力型锚杆锚固段的弹性粘结应力和正应力分布方程。文献[10]为了研究在软质沉自上世纪80年代以来，英、日等国围绕改

3、善积岩条件下压力型锚杆的力学性能，进行了缩尺模锚杆荷载传递机制这一课题进行了大量的研究，相型试验。文献[11]对压力分散型锚索加固效应进行对于普通拉力型锚杆，压力型锚杆在锚固段的受力了足尺模型室内对比试验，得出了注浆体的轴向应机制更为合理，注浆体在三向受压状态下更能充分变分布特点以及注浆体与孔壁的剪应力分布规律。发挥其性能，锚固效果更为显著。但限于其施工工基于能量原理，文献[12]推导了压力型锚杆的轴力艺比较复杂、对锚固机理的认识还不够深入等因素，与位移计算式，文献[13]得到了类型锚杆的剪应力关于此类锚杆设计的计算方法还不够简单实用，工和轴力分布的解析解。程实践上得到广泛

4、应用的仍然是拉力型锚杆，对于本文利用弹性力学理论分别计算了锚固体因[1-4]压力型锚杆的推广应用还需不断完善。轴向压缩导致径向膨胀而产生的径向应变以及锚孔国内外很多学者从理论和试验上探索了压力因锚固体挤压周围岩体而产生的径向应变，根据锚型锚杆的承载特性。文献[5]指出在锚固段长度上的固体与周围岩土体变形协调假定，推导了压力型锚粘结应力呈指数形式分布。文献[6]通过试验得出在杆在荷载作用下其锚固段径向应力、轴向应力、剪同等荷载作用下拉力型锚杆的应变要远大于压力型应力分布的理论解；同时进行了压力型锚杆足尺模锚杆。文献[7]建立了锚杆荷载传递的双曲函数模型试验，通过将理论计算值与

5、室内足尺模型试验数基金项目：国家自然科学基金(41172275)；湖南省教育厅资助项目(12K103)收稿日期：2013-03-17修回日期：2013-08-08第一作者简介：贺建清，男，1964年生，博士，湖南科技大学，教授；研究方向——边坡工程及轻型支挡结构。E-mail：hjqing2000@163.com第6期贺建清，等：压力型锚杆锚固段荷载传递机理研究865据进行对比，验证理论解的可靠性；基于上述理论载板上的集中力，z为M点距承载板的距离。在解，确定有效锚固长度，分析岩土体力学参数对有M(0，0，z)点处作用在注浆体上的轴力为z效锚固长度的影响。FzF()=−∫2

6、πrzzaτ()d(1)0式中ra为锚固体半径。2锚固段应力分布求解由上述第二条基本假设，轴力在M(0，0，z)点处引起轴向应力为z2.1基本假设Fz()Fr-2πτ()dzz∫a0σ()z==(2)z2Arπ压力型锚杆由无黏结钢筋或钢绞线、承载板、aa注浆体及锚头组成，钢筋或钢绞线通过挤压套固定式中Aa为锚固体横截面积。在承载板上，典型压力型锚杆的结构如图1所示。锚杆受力时，荷载自锚头通过杆体传至孔底部的承载板，承载板在荷载作用下向外挤压注浆体，注浆体膨胀进而挤压周围岩土体，通过注浆体与周围岩土体的粘结作用将荷载传递到其周围的岩土体。图3计算简图Fig.3Calculat

7、ionmodel根据虎克定理，在M(0，0，z)点处锚固体的径[13]向应变εra为1图1压力型锚索结构段示意图εσσrzra2()z=−[]vz()(1−vz2)()a(3)EFig.1Sketchofpressure-typeanchora式中：v2为锚固体的泊松比；Ea为锚固体的换算弹沿锚固体轴线取微段，其受力状态如图2所示。性模量。其中：σ()z、τ分别为周围岩土体对微段的正应力、ra由第三条基本假设可知，锚固体与周围岩土体剪应力；σz为沿锚固体的轴向应力。之间的界面满足库伦准则，有τ()zc=+σϕ()t