拉力型锚杆有效支护长度.pdf

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1、公路隧道2010年第4期(总第72期)拉力型锚杆有效支护长度李浩张志泉。陈祥林。(1江苏省交通规划设计院南京210005；2上海交通大学土木工程系上海200240)摘要本文根据锚杆与岩石体之间的相互作用关系，以有限元软件ANSYS为工具，建立了全长粘结式锚杆的拉拔试验数值模型，对全长粘结式锚杆的拉拔试验进行模拟，揭示全长粘结式锚杆在拉拔条件下沿杆体的轴力和剪应力分布规律，以及全长粘结式锚杆在不同荷载、锚杆直径、围岩级别和锚杆长度等条件下锚固体应力分布情况和应力变化规律。分析拉力型锚杆受力有效长度，并对硬性锚杆受力

2、有效长度的影响因素进行了探讨，为正确利用拉拔试验来检验锚杆安装质量和评估锚杆锚固能力提供依据。关键词锚杆有效支护长度应力变化本文用数值模拟方法，对锚杆拉拔试验的不同⋯l刖昌工况进行模拟，再现锚杆的力学特性在拉拔试验全锚杆是通过约束岩石的变形来加固岩石体，岩过程发展的变化规律，对不同工况条件下锚杆有效石锚杆用来加固岩体很早就广泛应用于工民建和隧受力长度和锚杆剪应力峰值的发展变化情况进行比道工程等。20世纪70年代以来，研究人员对拉拔较，以期得出一些有价值的结论。试验中的锚杆特性进行了研究，做了大量的工作。2有限元模

3、型建立Soparat等u]用无网格Galerkin法对锚杆拉拔试验中的裂缝进行了探讨。Wu_2等用数值分析的方式2．1建立有限元数值模型对拉拔试验中的锚杆基于泥浆剪切破坏而失效的形在ANSYS有限元仿真分析中，岩石体和注浆式进行了研究。贺若兰等[3]对拉拔工况下全长粘结体材料采用Plane42号二维实体单元，这些材料都锚杆工作机理进行了仿真分析。苏霞等[4]用岩石破属于颗粒状材料，其受压强度远远大于受拉屈服强裂过程分析RFPA系统对锚杆拉拔力影响因素进度，受剪时颗粒会膨胀，所以采用Durkcer-Prager行数

4、值试验研究。Farmer等(5]对锚杆在加载条件屈服准则能准确描述这类材料。用Link1号一维单下的受力行为进行了基础性研究，认为在锚杆破坏元模拟锚杆。在锚杆和注浆材料之间设置接触面单出现之前，锚杆轴力从加载点以指数形式衰减。曹元，模拟锚杆界面的接触和滑动特性。接触问题是国金等【6]基于Mindlin位移解，导出了拉力型锚杆一种高度非线性行为，采用面一面接触，这种接触能受力的弹性解，分析了拉力型锚杆的受力特征。锚模拟任意两个表面间接触的方法，表面可以具有任杆的拉拔行为涉及到岩石、粘结剂和钢筋材料的性意形状，是AN

5、SYS中最通用的接触单元，具有精度质以及在受力过程中材料之问的相互作用，是一个高、特性丰富和可使用接触向导建模等强大功能。十分复杂的问题，在理论和实践中都存在一定的困接触分析中的目标单元采用Targe169号单元，接触难。在锚杆设计中通过现场拉拔试验确定极限抗拔单元采用Conta172号单元，接触单元覆盖于变形体力时，通常假定界面剪应力沿杆长均匀分布，将由公边界的实体单元上，并与目标面单元接触。式P=adLr计算所得的界面“平均”剪应力r当作2．2数值仿真参数界面“极限”抗剪强度r。但是大量的_丁程实测结果用AN

6、SYS有限元软件建立锚杆拉拔试验的二和理论分析结果表明，实际的锚杆剪应力沿杆长并维模型，在有限元仿真分析中分别模拟锚杆直径非均匀分布，而是接近负指数分布，说明其理论分布18、25mm和36mm，锚杆长度1、2m和3m等不同和实际分布在概念和数值上都相差较远。为了获得工况，在表1所列的不同级别围岩和不同拉拔荷载锚杆真实的工作状态和工作机理，需要研究锚杆、岩作用下对锚杆在拉拔试验中的受力特性进行再现和土体以及界面在这拉拔工况下全过程的力学响应。分析研究。施加荷载步骤为50kN一100kN一数值模拟的广泛应用以及仿真分

7、析机理的提出，为150kN--~200kN。表1是模型中所用的材料力学参解决这一问题提供了便捷而有效的途径。数。模型的约束条件和数值模型的网格划分如图1··李浩，等拉力型锚杆有效支护长度所示。表l模型中材料计算参数材料弹性模量泊松比粘聚力内摩擦角E／GPac／MPa(=9／(。)Ⅱ级同岩2lO．231．652Ⅲ级周岩7O．27O．942Ⅳ级同岩4O．32O．4536V级围岩l_50．400．1525注浆材料0．23135O．51．01．5锚杆2lO0．25距孔口深度(m)岩石体F注浆体765一4弓3密2O0．00

8、．51．0】．52．0距L口深度(m)图2围岩级别对拉拔试验中锚杆应力的影响图1锚杆拉拔试验的计算模型和有限元网格划分图2．3计算结果分析根据ANSYS有限元模型模拟锚杆拉拔试验，分析围岩级别、锚杆长度、锚杆直径和拉拔力对锚杆0．00．51．01．52．0253．0应力分布的影响。距孔口深度(m)(1)围岩级别影响100图2是围岩级别对拉拔试验中锚杆应力的影响。岩石越坚硬