多段扩孔压力分散型锚索承载体布置的数值分析

梁月英，刘国楠，李中国，胡荣华

(中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳518034)

多段扩孔压力分散型锚索承载体布置的数值分析

梁月英，刘国楠，李中国，胡荣华

(中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳518034)

通过对多段扩孔压力分散型锚索拉拔的数值模拟，研究了锚索承载体布置，如个数、间距等对锚索承载力、剪应力分布、锚固效果和被锚固土层的影响，并与现场试验以及普通压力分散型锚索的计算结果进行对比。进一步分析了分段扩大头锚索的工作机理和锚固效率，得出承载体的净间距不得小于3 m，且存在一个合理的承载体个数，当个数为3时能有效提高承载力。

多段扩孔压力分散型锚索 承载体布置 锚固效果

压力分散型锚索具有耐腐蚀性好、锚固效率高等特点，在高危边坡的加固、地质灾害治理中应用日益普遍。设计该类锚索时，常遇到分散锚固体的布置问题，若分散锚固体布置过密，应力分布相互叠加，交叉影响，得不到好的锚固效果;布置间距过大，锚固效率降低。且该问题随着岩土环境的变化，得到的结果不尽相同。其解决的方法一是现场试验［1-3］，但是试验方法存在以下问题:①试验点的岩土条件被限定;②试验数据只能测试锚固体受力是否相互影响，在相同条件下不能做重复试验，求出合理的间距。数值分析［4-7］是另一种有效的方法，但计算中模型的简化和土体参数的合理性，以及计算结果的可靠性，有待进一步论证。数值分析方法良好的可操作性和灵活性，使之被广泛应用于工程技术问题的求解。

针对以上问题，结合深圳地质灾害治理技术的研究课题，采用数值方法分析扩大头压力分散型锚索的承载体布置［8］的问题。在不同载体个数和间距情况下，通过数值分析，并与现场试验和未扩孔压力分散型锚索的计算结果进行对比，研究扩大头压力分散型锚索承载体布置与锚固效果的关系。

1 多段扩孔压力分散型锚索的结构

在压力分散型锚索的基础上，为提高锚固效率，将每个承载体所在的锚孔施工成扩大头形式，每个单元锚索分别由两根无粘结钢绞线内锚于钢质承载体组成，钢绞线通过特制的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上。其结构如图1所示。

图1 多段扩孔压力型锚索结构示意

2 数值模拟原理

2.1 地质概况

基于试验点的地质情况进行模拟，场地位于梧桐山南麓夹门山东侧径肚山体斜坡地带，属低山前缘丘陵地带，总体地势为东、西、北高南侧低。试验位置选在一级边坡的坡脚和坡顶平台上。根据工程地质勘察成果，地层为第四系坡积层(层厚4～6 m)和上侏罗统高基坪群火山岩(揭露厚度16.80～17.90 m)。

2.2 多段扩孔压力型锚索数值模型

考虑到力的传递路径为锚索—承载体—注浆体—岩土体，在数值计算中，使用5种单元进行模拟:岩土体单元、注浆体单元、锚索单元、接触单元以及承载托盘壳单元。锚索锚固端与承载托盘的相互作用通过刚性连接，以压力的形式传递到注浆体，注浆体与周边岩土体的相互作用通过接触面的设置来实现，即接触作用力通过接触连接来实现，进而实现其粘结作用，分析其受力特性，如图2所示。

计算模型中，锚索采用理想弹塑性模型，岩土体采用弹塑性模型，服从摩尔库伦屈服准则，灌浆体采用弹塑性模型。

2.3 计算模型的承载体布置

模型考虑承载体个数N以及承载体间距L的不同，建立多段扩孔压力分散型锚索模型M1:钻孔直径130 mm，扩孔直径220 mm，扩孔段长度3 m。根据承载体的布置，采用4组模型。为了对比扩孔压力分散型锚索的锚固效果，建立与M1对应的4个普通压力分散型锚索M2，钻孔直径130 mm。

采用FLAC3D进行数值分析。模型范围:以锚索外锚头中心为坐标原点，X轴取土体宽度方向±3 m，Y轴沿长度方向，取最大锚索长度+5 m，Z轴取土坡竖向高度±5 m，重力方向沿Z轴负方向。

图2 锚固体数值模型示意

3 计算结果分析

3.1 极限抗拔承载力

计算中采用分级加载，若计算的位移不收敛或者材料塑性破坏时，则停止计算，取上一级荷载为极限抗拔荷载。

设置2个承载体时，锚索极限承载力约660 kN (承载体间距L=5 m)，当承载体个数增至3时，锚索极限承载力约为900 kN(承载体间距L=5 m)。

压力分散型锚索计算的极限承载力分别为516 kN(承载体个数N=2，间距L=6 m)和690 kN(承载体个数N=3，间距L=6 m)。

3.2 注浆体与孔壁间剪应力分析

从多段扩孔压力分散型锚索注浆体与孔壁间的剪应力沿锚索轴向的分布图(图3、图4)可以看出:

1)非扩孔段注浆段剪应力分布较均匀且应力值小，随着荷载水平的增加剪应力增加的幅度很小。

2)扩孔段的剪应力总体上均衡分布，剪应力峰值接近。在低应力水平时，位于岩土体锚固深处的承载体附近的剪应力值稍大，随着荷载水平的增加，剪应力逐渐向锚固浅处传递。

3)分布在两扩孔段之间的非扩孔段的剪应力随着荷载水平的增加有所提高，随着承载体间距的增加有所降低。

3.3 扩孔段荷载分析

表1为多段扩孔压力型锚索锚固段的荷载分担情况。从表中可以看出:

1)当布置2个承载体时，扩孔段分担的荷载约为拉拔荷载的78%，设置3个承载体时，扩孔段分担的荷载约为拉拔荷载的82%。

2)非扩孔段分担的荷载比重小，说明在承载体附近增大承载体周长能有效地减少注浆长度。

图3 M1-1注浆体与孔壁间的剪应力沿锚索轴向的分布曲线(N=2，L=5 m)

图4 M1-3注浆体与孔壁间的剪应力沿锚索轴向的分布曲线(N=3，L=5 m)

表1 扩孔段荷载分担情况

3)各组模型中非扩孔段承担的荷载值接近，表明非扩孔段应力值分布基本相近且数值较小。

3.4 扩孔与否对锚固效果的影响

除锚固注浆段钻孔直径不同以外，在其它条件相同的情况下，在注浆体—孔壁应力分布集中的区域扩孔，能有效地提高钻孔直径。从数值计算的结果来看，当设置2个承载体时，锚固承载力提高约28%，设置3个承载体时，锚固承载力提高约30%。

3.5 承载体个数对锚固效果的影响

相同条件下扩孔承载力可提高约34%。扩孔后设置3个承载体的承载力比设置2个承载体的承载力提高36%。说明扩孔能有效改善锚索的受力特性，提高承载力。承载体的布置，存在一个合理的承载体个数，而不是简单的线性递增规律。

3.6 承载体间距对锚固效果的影响

承载体间距L=5 m和L=6 m情况下，锚索承载力数值变化不大。承载体间距5 m时，承载体之间注浆体与孔壁间的剪应力分布叠加现象不明显;增大间距至6 m(净间距3 m)后，锚固深处承载体端部比前一个注浆体前段的剪应力峰值大，但承载力提高不明显。

3.7 承载体布置对被锚固土体的影响

从数值计算的结果来看，多段扩孔压力分散型锚索对周边岩土体位移的影响较小，使用过程中对周边环境的扰动小，并能有效限制不利变形。

多段扩孔压力分散型锚索对被锚固土体应力的影响，主要集中在扩孔锚固段和承载体底端附近的受压区，其他范围影响小。

4 与现场试验的对比分析

对M1-2的数值计算结果与现场3组试验结果进行对比，得到锚索的极限拉拔荷载和最大弹塑性位移见表2，极限拉拔荷载最小值为658 kN，与数值计算结果670 kN相近。

表2 锚索极限拉拔荷载和最大弹塑性位移

选取锚索C3对循环加载过程中的锚固段混凝土应变进行测试，结果如图5所示。图中5-2-310 kN表示5次加载中第2次加载到310 kN。

从图5中可以看出:

图5 C3第5循环测试结果与M1-1数值计算结果对比

现场测试的应力分布特点与多段扩孔压力分散型锚索的数值计算结果具有相似的受力规律，且剪应力峰值接近，验证了数值计算结果的可靠性和合理性。

5 结语

1)多段扩孔压力分散型锚索，承载体的布置存在一个合理的个数，在合理范围内，承载体个数越多，抗拔承载力越高。与普通压力分散型锚索相比，锚固体的有效直径增加能有效提高锚固力。

2)承载体间距为6 m时，应力叠加现象不明显，可以认为彼此没有影响，为避免应力的叠加，承载体的净间距不得小于3 m。

3)多段扩孔压力分散型锚索对锚固土体的影响主要集中在孔壁附近，且数量级较小，能有效地限制不利变形，扰动小。对锚固土体应力的影响主要集中在扩孔锚固段和承载体底端的局部区域。

［1］饶枭宇．预应力岩锚内锚固段锚固性能及荷载传递机理研究［D］．重庆:重庆大学，2007．

［2］张永兴，卢黎．压力型锚杆力学性能模型试验研究［J］．岩土力学，2010(7):.2045-2050．

［3］卢黎，张四平．压力型锚索力学机理现场试验研究［J］．岩土力学，2010(8):2435-2440．

［4］邢占清，杨健．压力分散型无黏结预应力锚索作用机理及内锚固段长度研究［J］．中国水利水电科学研究院院报，2006，4(2):88-92．

［5］罗渝，何江达．围岩变形模量对压力分散型锚索力学性能的影响研究［J］．红水河，2006(1):66-69．

［6］夏元友，范卫琴．压力分散型锚索作用效果的数值模拟分析［J］．岩土力学，2008(11):3144-3148．

［7］靖洪文，曲天智．压力分散型锚杆力学特征影响因素的数值分析［J］．西安理工大学学报，2008(1):32-36．

［8］林蔚勋，张永兴．压力分散型锚索承载板布置方式及其受力性能分析［J］．工程勘察，2010(8):1-5．

(责任审编赵其文)

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，助理研究员，博士。