加筋土挡土墙加固预应力锚杆参数数值模拟与优化.pdf

加筋土挡土墙加固预应力锚杆参数数值模拟与优化 金爱兵， 高永涛， 王金安， 吴顺川 （北京科技大学土木与环境工程学院， 北京“““） 摘要以 “ 国道预应力锚杆加固加筋土挡土墙为例， 运用国际流行的数值模拟计算软件 ；泊 松 比， “ ./； 粘 聚 力， “ /9;；内摩擦角， ““ 20;A; BCDEF GC6 HBDI CA 开发的有限差分计算程序 C6G;C ’C;EJG BK BCGCD;） 进行计算。 该程序主要适用模拟计算地质材料和岩土工程的力 学行为， 特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流 动。材料通过单元和区域表示， 根据计算对象形状 构成相应的网格。每个单元在外载和边界约束条件 下， 按照约定的线性或非线性应力应变关系产生力 学响应。 .单根预应力锚杆锚锚固机理的模拟 对预应力锚杆作用机理研究从而达到对预应力 锚杆设计参数优化是重点研究内容。在外载荷作用 下， 在土体边缘和开挖边界处通常产生局部变形与 破坏。锚杆加固作用是提供局部阻力限制边缘土体 的变形， 此外， 锚杆在注浆后可以在注浆段提供抗剪 力。因此， 在模拟加固体系中， 杆单元的建模是非常 重要的， 这涉及锚杆浆体由于局部剪切破坏而失效 的问题。 “预应力锚杆计算模型 模拟预应力锚杆作用机理的平面计算模型如图 图 模拟预应力锚杆作用机理计算简图 G6“LAMN8N BK IHNHNNO ;CAMBH 8NAM;CG8 G8DE;GBC “ 所示。计算模型长 28， 高 “8， 共划分 4 个尺 第 /0 卷第 “ 期 2 年 2 月 有色金属 PBCKNHHBD 9N;E QBE/0，PB“ NRHD;HJ2 万方数据 寸为 “ “ 的平面四边形单元。边界条件 是（9A ’. 9,A,9BCA 9DAEC F DGCA G;HHCACB FDAADG;GCA G;HHCACB FD 在图 5 中， 给出了不同围压下单根预应力锚杆 张拉周围土体主应力矢量场。图中显示， 随着围压 的提高， 周围土体最大主应力方向逐渐调整到与锚 杆轴线相垂直的方向， 从而提高锚浆体的抗剪强度， 同时增加锚杆浆体土体之间的摩擦力。 研究表明，二次高压注浆除了在土体改性方面 图 不同围压下张拉 H ,9A K;B G;9A DGCA G;HHCACB FDAADG; IACFF 产生重要作用外， 同时也直接对锚固段杆体施加了 径向围压。因此， 在加固失稳加筋土挡土墙这类低 原始应力岩土工程时， 通过二次高压注浆， 可以人为 提高锚固段杆体周围的 “径向载荷” ， 从而提高预应 力锚杆承载力。 “锚杆总长度与锚固力的关系 对于不同加固工程， 锚杆长度的确定主要依据 加固体的范围和载荷。通过数值模拟， 可以获得在 相同背景下锚杆长度与锚固力的关系。这里， 分别 取锚杆长度为 M， ） 7 8 ；（） 7 8 ；（3） 7 8 ， ， 9， 。围压为 ； （;） 7 8 ； （） 7 8 图 /-“1* 12 5/’’1/*3“* 51“4 21’ *,1’5 “-, 3“22.’.*- *,1’“* 5.-“1* 4.*-, E预应力锚杆的相互作用关系 通过以上数值模拟， 对单根锚杆的作用机理和 有关参数的影响有了深入的认识。在实际工程中， 锚杆是以簇的形式出现， 在实施拉拔时， 存在锚杆之 间的相互作用和影响。在此探讨锚杆簇在不同锚杆 间距和锚杆在不同张拉顺序的情况下， 锚杆间的相 互作用关系。模拟计算取锚杆长度为 ， 自由段 和锚固段均为 ， 围压 BC， 其他几何与力学参 数同前。在锚杆簇中有 F 根锚杆， 模型尺寸、 边界条 件以及锚杆编号见图 9。 在各种不同锚杆间距的条件下， 模拟 F 种不同 顺序的张拉 从一侧按顺序张拉， “； 从中 间向两侧张拉， “； 从两侧向中间张拉， “。 9G 有色金属第 卷 万方数据 图 数值模拟锚杆相互作用计算简图 “*。表 7 给出不同锚杆间距时， 首拉锚杆最大轴 向锚固力损失率的模拟计算结果。可见， 锚杆簇无 论以何种顺序张拉， 都存在相邻锚杆对首拉锚杆轴 向张力的影响， 基本规律是锚杆间距越小， 首拉锚杆 轴力降低越多。 表 不同锚杆间距和拉拔顺序下 锚固力损失率B 7） 7） 拉拔 “ B8998798CD7DE 顺序 “ EEED9BFF “ ;89B7EDFF 7） 引用了锚杆间距为 * 和 ;* 的拉拔数据。 “’ 锚杆拉拔顺序与锚固力的关系 从表 7 可以看出， 锚杆簇拉拔顺序对首拉锚杆 的锚固力损失有明显的影响。在相同锚杆间距下， 顺序拉拔“引起的首拉锚杆锚固力损失率 最小， 其次是间隔拉拔“， 而由中间向两侧 的拉拔顺序“， 首拉锚杆的锚固力损失率 最大。显然， 这是由于受两侧锚杆两次拉拔作用影 响的缘故。 此外， 不同的拉拔顺序对首拉锚杆的最终锚固 力水平也有不同程度的影响。表 9 是在不同锚杆间 距和拉拔顺序下， 锚杆簇首拉锚杆在相邻锚杆张拉 后的锚固力的模拟计算结果。其中第一行是首拉锚 杆的初始张拉力， 第二行是相邻锚杆拉拔结束后， 首 拉锚杆的锚固力。结果表明， 在相同锚杆间距下， 锚 杆张拉顺序为“可以保持较高的最终锚固 力， 而锚杆拉拔顺序为“时， 首拉锚杆的最 终锚固力最低。 表 ’ 不同锚杆间距和拉拔顺序下 首拉锚杆最终锚固力 43 9“543 45’-“5 ,-’ , ,“-1/ 6-4“5 45’- “/ 6“,,-5/ 1.4’ 456 6-4“5 -6- GH 锚杆间距 *9 ;B 7） 7） 拉 拔 顺 序 “ 9C999B799;99C999;9 7E7D7CB77DCC979998D “ 9;;9;;9;CFF 78E7;D78CFF “ 9C999B799;9FF 7;97BC7EFF 7） 引用了锚杆间距为 * 和 ;* 的拉拔数据。 通过上述结果可以明显看出， 如果锚杆间距和 拉拔顺序安排不当， 会造成锚杆簇整体锚固力的损 失和锚固力分布不均衡的现象。 E模拟计算结果总结与设计参数确定 通过对以上模拟计算结果的分析， 可以得出以 下结论。 （7） 通过人为增大预应力锚杆的 “径向围 压” ， 如进行二次高压注浆， 可以大大提高预应力锚杆 的承载能力。 （9） 在锚杆总长度一定的情况下， 在一 定范围内适当增大锚固段长度既可以达到提高锚固 力， 又可以增大对周围土体的约束范围。 （） 采取合 理的锚杆间距既可以保证整体工程对锚固力的要求， 又能有效降低相邻锚杆之间拉拔的影响。 （;） 采取合 理的张拉顺序， 可有效降低首拉锚杆锚固力的损失。 综合上述结果， 结合 I78; 界河立交桥加筋土 挡土墙的工程地质条件， 确定预应力锚杆设计与施 工中采用的锚杆参数是 锚杆长度， J 79 K 7;*； 锚固段与自由段之比， 7 L 7； 锚杆间距，* J 9E K *； 锚杆拉拔顺序， “。 根据上述预应力锚杆设计参数， 应用锚喷网联 合加固方案对 I78; 界河立交桥失稳加筋土挡土墙 进行加固， 目前加固施工已经完成一年多了， 根据加 固后的加筋土挡土墙稳定性观测结果， 加筋土挡土 墙预应力锚杆预应力值稳定， 挡土墙墙体变形为零。 加固工程取得了完全成功， 根据数值模拟计算结果 选取的预应力锚杆设计参数是科学合理的。 （下转第 78 页， M5/“526 5 .N78） DD 第 7 期金爱兵等 加筋土挡土墙加固预应力锚杆参数数值模拟与优化 万方数据 备情况、 工作面的工时利用率、 劳动组织等有机的结 合在一起考虑， 使试验结果更符合实际情况， 试验数 据对今后的生产更有意义， 在我国小型矿山的巷道 掘进以及相似的地下工程的掘进中具有推广应用价 值。该试验成果开创了国内小型矿山成功应用无轨 设备掘进的先例， 并荣获 “““ 年国防科技二等奖。 参考文献 ［］机械工程手册电机工程手册编辑委员会 铲运机 机械工程手册 （专用机械 ）［］ 北京机械工业出版社，022 0460512 65 14550657 ;1 ’, 650 62 A0236B0AC1 62 38D0A BE 1/0 ;5;657 0996605E 89 1/0 2;022 0460512 1/;1 1/0 2;022 0460512 ;30 583;E 9451685657 ./0 659657 0996605E 89 1/0 2;022 0460512 ;30 ;5;EG0A，;5A 1/0 638D657 0;24302 ;30 38820A ./0 ;46300512 938 1/0 0H036051 ;30 30903;B0 18 2; 650 B46A657 83 30B46A657 9“;/ 656570/;56;6570996605E； 1455065 7 （上接第 ,*“ --16/ ’* A’* A6-’*’*7 -.. A’*4 *2562 89 302130220A ;5/83 62 264;10A，;5A 099012 89 1/0 302130220A ;5/83 ;3;01032 85 ;5/83657 ;30 ;5;EG0A BE 42657 1/0 651035;1685; 9;2/685;B0 54036; 264;1685 2891F;30，NMOI，F61/ 1/0 30659830P 051 89 K60/0 8D030;9 Q451685 30659830A 301;65657 F; 89 “- 5;1685; 38;A 65 R/;57A857，I/65; ;2 0H;0 S61/ 1/0 6530;20 89 1/0 ;5/83 0571/，1/0 3616; 8;A B0;3657 89 1/0 ;5/83 62 6530;20A，;5A 1/0 E60A657 A62;0051 62 A0P 30;20A ./0 2/83103 1/0 A621;50 B01F005 ;5/832，1/0 730;103 1/0 822 89 ;H6; 9830 983 96321E A3;F657 ;5/83 ./0 822 89 ;5/83657 9830 62 8BD6842E 6594050A BE 1/0 A3;F657 83A03 65 ;5/83 B45/ 9“;/38;A 05765003657；30659830051 F61/ 302130220A ;5/83；54036; 264;1685；30659830A 30P 1;65657 F;；NMOI ,“ 第 期雷泽勇 小型无轨设备在掘进中的工效探讨 万方数据