淺析全長(zhǎng)錨桿在軟弱圍巖中的作用機(jī)理.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除淺析全長(zhǎng)錨桿在軟弱圍巖中的作用機(jī)理 摘要 隨著近年來(lái)隧道建設(shè)的迅速發(fā)展，各種錨桿在不同地質(zhì)條件下的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在我國(guó)隧道中應(yīng)用最普遍的就是砂漿全長(zhǎng)錨桿。而對(duì)于全長(zhǎng)錨桿的作用機(jī)理目前還沒(méi)有十分清晰的認(rèn)識(shí)，本文通過(guò)對(duì)級(jí)軟弱圍巖中不同長(zhǎng)度全長(zhǎng)錨桿的作用形式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，得到全長(zhǎng)錨桿在軟弱圍巖中的受力及變形情況，以期對(duì)指導(dǎo)工程施工有所幫助。關(guān)鍵詞 全長(zhǎng)錨固錨桿 軟弱圍巖 塑性區(qū) 豎向位移 掌子面1 引言錨桿作為一種原位巖土體加固的方法，自誕生之日起即獲得廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)幾十年的研究和工程實(shí)踐，被國(guó)內(nèi)外巖土工程界公認(rèn)為是直接加固巖土體的最具發(fā)展前途的方法。在現(xiàn)階段，巖土錨固已成為我國(guó)隧道、巷道、地下洞室、基坑、邊坡、壩體及抗傾、抗浮等工程中不可或缺的主動(dòng)加固措施。特別是隨著新奧法在隧道工程中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，錨桿的主動(dòng)加固控制變形而又允許變形充分體現(xiàn)了新奧法的思想，所以在隧道開(kāi)挖中常常會(huì)用到錨桿，特別是在土層條件差-級(jí)圍巖中。2 錨桿支護(hù)的工作原理錨桿是從內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)圍巖的技術(shù)手段，提高裂隙圍巖的抗裂強(qiáng)度，改善圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)，更可以將不連續(xù)的巖體聯(lián)系在一起，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，其作用機(jī)理可以從隧道周邊巖體和被節(jié)理、裂隙或斷層切割后的局部圍巖兩種情況來(lái)考慮：2.1錨桿在巖體中的作用機(jī)理2.1.1硬巖圍巖強(qiáng)度大，隧道周邊圍巖沒(méi)有塑性變化，不需要內(nèi)壓效果，同時(shí)，硬巖的力學(xué)強(qiáng)度是充分的，其穩(wěn)定性通常是由裂隙等力學(xué)上的不連續(xù)面所控制，錨桿可以保持巖塊和控制巖塊移動(dòng)，使圍巖成為一體，并促進(jìn)平衡拱的形成。2.1.2 軟巖軟巖中，隧道周邊圍巖發(fā)生塑性變化，錨桿提供內(nèi)壓阻止塑性變形的擴(kuò)展，在此過(guò)程中以提供內(nèi)壓效應(yīng)和形成平衡拱效應(yīng)為主。2.1.3 土砂圍巖在埋深小的土砂圍巖中，噴射混凝土的效果是明顯的，根據(jù)資料顯示，拱頂附近的錨桿幾乎不受拉力而只發(fā)生壓力的情況時(shí)有發(fā)生。因此，土砂圍巖下，錨桿以加強(qiáng)拱腳附近和防止掌子面的崩塌為主。能夠發(fā)揮錨桿效果的圍巖需要具備適當(dāng)?shù)臈l件：錨桿和圍巖間要有適當(dāng)?shù)腻^固力；在不連續(xù)圍巖中錨桿要橫切不連續(xù)面布設(shè)；連續(xù)圍巖中，在設(shè)置錨桿的范圍內(nèi)，圍巖位移要大。不滿足這些條件的圍巖，錨桿的作用是比較小的，甚至沒(méi)有效果，如含水量大的黏土、松砂等，需采用注漿等方法處理后才能設(shè)置錨桿。2.2 錨桿在局部圍巖中的作用機(jī)理隧道開(kāi)挖后圍巖的節(jié)理、裂隙或斷層切割情況是千變?nèi)f化的，從加固這些軟弱面或斷層的目的出發(fā)，錨桿加固的作用機(jī)理主要有以下幾種：2.2.1 懸吊巖塊由于隧道圍巖被節(jié)理、裂隙或斷層切割，開(kāi)挖爆破震動(dòng)可能引起局部巖塊失穩(wěn)，采用錨桿將不穩(wěn)定巖塊懸吊在穩(wěn)定的巖體上，或?qū)?yīng)力降低區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定圍巖，懸吊在應(yīng)力降低區(qū)以外的穩(wěn)定巖體上。在側(cè)壁則用錨桿阻止巖塊滑動(dòng)。在一般圍巖中采用以懸吊效果為目的的錨桿時(shí)，可采用HPB335，因發(fā)生的軸力不大，可采用直徑小的錨桿，但在裂隙發(fā)育的圍巖條件下，不能期待錨桿的懸吊效果時(shí)，考慮與輔助工法并用。錨桿應(yīng)視裂隙或節(jié)理狀況布設(shè)于隧道拱部。2.2.2 產(chǎn)生內(nèi)壓和拱效果軟弱圍巖開(kāi)挖后，使洞內(nèi)臨空面變形較大，當(dāng)坑道周邊布設(shè)系統(tǒng)錨桿，向圍巖施加徑向錨桿施加的徑向壓力而形成承載拱后，便與噴射混凝土共同承受?chē)鷰r的變形壓力，可減少圍巖的變形，提高圍巖的整體穩(wěn)定性。系統(tǒng)錨桿布置應(yīng)沿隧道周邊均勻布置，呈梅花形布置。在隧道橫斷面內(nèi)，錨桿方向宜于巖層面垂直。一般圍巖可采用HPB335，直徑22mm的錨桿，當(dāng)圍巖變形大于50mm時(shí)，可采用高強(qiáng)度或大直徑的錨桿，或者減小錨桿間距。因高強(qiáng)度鋼的延展性差，選擇時(shí)要考慮位移值的大小，同時(shí)還要考慮施工難度和經(jīng)濟(jì)性。錨桿布設(shè)于隧道全斷面或除仰拱以外的部分。2.2.3 組合梁作用在水平或傾角較小的層狀巖體中，錨桿能使巖層緊密結(jié)合，形成類(lèi)似組合梁的結(jié)構(gòu)，能增加層面間的抗剪強(qiáng)度和摩擦力，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。一般可采用HPB335鋼。3 全長(zhǎng)錨桿的受力特征3.1 全長(zhǎng)錨桿的類(lèi)型全長(zhǎng)錨桿包含有普通水泥砂漿錨桿、早強(qiáng)水泥砂漿錨桿、樹(shù)脂卷錨桿、水泥藥卷錨桿、中空注漿錨桿、自鉆式注漿錨桿等。一般是在錨孔內(nèi)填充錨固材料插入錨桿錨固，或者是錨桿插入后壓注錨固材料錨固的方法。因用錨固材料全長(zhǎng)黏結(jié)，錨桿全長(zhǎng)范圍都能約束圍巖。長(zhǎng)黏結(jié)型錨桿在硬巖、中硬巖、軟巖、土砂圍巖中均可采用。3.2 全長(zhǎng)錨桿的作用機(jī)理全長(zhǎng)錨固錨桿是靠錨桿與孔壁之間的粘結(jié)（包括錨桿與包裹物及包裹物語(yǔ)圍巖之間的摩擦）剪應(yīng)力來(lái)阻止巖石向自由面變形的。剪應(yīng)力大小與巖石和錨桿之間的相對(duì)位移成正比。錨桿錨固變形后，剪應(yīng)力的大小和分布情況，目前還未清楚。王敦子在他寫(xiě)的均勻巖體中全長(zhǎng)粘結(jié)式非預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度的探討中認(rèn)為錨桿軸向應(yīng)變與周?chē)鷰r體同一方向的應(yīng)變符號(hào)相同；有的資料如高磊等著的礦山巖體力學(xué)中就把錨桿與孔壁之間的剪應(yīng)力表示成指向同一個(gè)方向；這些都是不正確的，王明恕在他所寫(xiě)的全長(zhǎng)錨固錨桿機(jī)理的探討一文中中就認(rèn)為這不符合錨固后靜態(tài)錨桿的靜力平衡關(guān)系。 圖1 全長(zhǎng)錨桿的受力簡(jiǎn)圖據(jù)此文分析，全長(zhǎng)錨固錨桿的實(shí)際受力情況是靠近臨空面的一段錨桿，因阻止圍巖徑向變形，錨桿表面產(chǎn)生指向圍巖自由面的剪應(yīng)力。其余的一段錨桿因受該段的拉拔作用，錨桿表面的剪應(yīng)力必指向圍巖體內(nèi)部。指向相反的分界點(diǎn)，即為錨桿與孔壁巖石相對(duì)位移為零的中性點(diǎn)。此點(diǎn)剪應(yīng)力為零。錨桿的軸向力在中性點(diǎn)處為最大，向兩端逐漸減少為零。實(shí)測(cè)資料表明：錨桿的最大軸向拉力在錨桿長(zhǎng)度中間部分。因此，全長(zhǎng)錨固的錨桿，并不能沿全長(zhǎng)都阻止巖石向自由面的變形。所以，僅用抗拔力來(lái)衡量全長(zhǎng)錨固錨桿的錨固程度是不確切的。真正阻止圍巖變形的錨固力，是中性點(diǎn)兩側(cè)互相平衡著的最大軸向拉力（錨桿受力狀態(tài)如上面右圖所示）。根據(jù)王明恕在他所寫(xiě)的全長(zhǎng)錨固錨桿機(jī)理一文中總結(jié)出了全長(zhǎng)錨桿的一般錨固機(jī)理：1） 全長(zhǎng)錨固錨桿，靠錨固后巖石的變形才能起錨固作用。若錨固后巖石不變形，或變形完了再錨固，錨桿就不能發(fā)揮作用。所以它適用于塑性變形的軟巖中，而且必須在塑性變形完了之前錨固。2）設(shè)計(jì)全長(zhǎng)錨固錨桿，必須求得巖石的塑性極限變形值，以及變形和時(shí)間的關(guān)系，以便按設(shè)計(jì)的控制變形量在適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行錨固。3）設(shè)計(jì)控制變形量不能超過(guò)允許控制變形量，否則錨桿將與巖石滑脫而失掉錨固作用。4）全長(zhǎng)錨固錨桿的中性點(diǎn)以外部分，約束著巖石向自由面變形，其余一段錨桿又將中性點(diǎn)以外被約束的巖石圈與其內(nèi)部組合在一起，共同支承著自重和它上面的壓力。5）當(dāng)要求的控制變形量較大，超過(guò)按粘結(jié)劑強(qiáng)度算得的允許控制變形量時(shí)，可采用長(zhǎng)短錨桿來(lái)滿足所要求的控制變形量。4 數(shù)值模擬分析4.1 工程概況 本模型為杭州地鐵某段擴(kuò)挖段，這里為了研究方便只取了擴(kuò)挖段地質(zhì)條件，開(kāi)挖尺寸也另取為更具有代表性的四心圓斷面。土層信息為：地層巖性特征及土層分布規(guī)律表分層序及土 層 名 稱(chēng)厚度平均值（m）巖 土 特 性 及 分 布 規(guī) 律 描 述2素填土2.0灰色及灰黃色，濕，松散，一般以粉性土為主，含有機(jī)質(zhì)，少量碎石及建筑垃圾。 1砂質(zhì)粉土20灰及灰黃色，飽和，稍密，含有機(jī)質(zhì)，云母屑。沿線大部分布。近代沖海相沉積范圍內(nèi)為砂質(zhì)粉土。3砂質(zhì)粉土夾粉砂15.92灰及灰黃色，飽和，中密。含有機(jī)質(zhì)，云母屑。沿線大部分布。近代沖海相沉積范圍內(nèi)為粘質(zhì)粉土。5粉砂夾砂質(zhì)粉土16.58灰黃色，飽和，稍密。含有機(jī)質(zhì)，云母屑，夾粉砂。局部分布。2淤泥質(zhì)粘土22灰色，飽和，流塑狀態(tài)。含有機(jī)質(zhì)，局部夾淤泥或粉土。局部分布。4.2 建立模型模型尺寸為寬高深=78.6176.535，隧道斷面尺寸：內(nèi)徑為5.5米，開(kāi)挖外徑為6.5米，襯砌厚度為55cm。由于圍巖自穩(wěn)性能差，故而采用了鋼支撐，來(lái)控制早期變形，這里對(duì)鋼支撐沒(méi)有進(jìn)行單獨(dú)模擬，只是對(duì)噴混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)加強(qiáng)及尺寸加厚。具體模型見(jiàn)圖2所示。錨桿長(zhǎng)度分別取3米、4米、5米、6米、7米，錨桿間距為21.4。錨桿布置見(jiàn)圖3所示。圖2 初步模型圖圖3 錨桿布置圖開(kāi)挖為每循環(huán)開(kāi)挖1.4米，縱向開(kāi)挖長(zhǎng)度為35米，整個(gè)模擬段分為25步開(kāi)挖。具體開(kāi)挖形式見(jiàn)圖4-圖5。圖4 開(kāi)挖過(guò)程圖5 開(kāi)挖完成圖4.3橫向?qū)Ρ认旅嫖覀兙歪槍?duì)不同長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，為了避免其他支護(hù)形式對(duì)錨桿作用的影響，以下的模擬實(shí)驗(yàn)中只用了打錨桿這一種支護(hù)形式。先用只開(kāi)挖而不進(jìn)行任何支護(hù)做為初始對(duì)比組（見(jiàn)圖6、圖7所示）。而施加錨桿支護(hù)的支護(hù)形式中，錨桿的施作時(shí)機(jī)為每開(kāi)挖1.4m，施作包括鎖腳錨桿在內(nèi)的11根錨桿。以運(yùn)行50步來(lái)模擬開(kāi)挖段消耗的時(shí)間。為了使模擬更具對(duì)比性，鑒于無(wú)支護(hù)情況下開(kāi)挖進(jìn)行到7米（即開(kāi)挖了5步），下面的只加錨桿支護(hù)的開(kāi)挖長(zhǎng)度也都取為7米。圖6無(wú)支護(hù)（開(kāi)挖5步）時(shí)豎向位移圖圖7只有3米錨桿支護(hù)時(shí)同樣開(kāi)挖7米（5步）豎向位移圖圖8只有7米錨桿支護(hù)時(shí)同樣開(kāi)挖7米（5步）豎向位移圖圖9 無(wú)支護(hù)時(shí)（開(kāi)挖5步）的塑性區(qū)發(fā)展圖10只有3米錨桿支護(hù)時(shí)同樣開(kāi)挖7米（5步）塑性區(qū)圖圖11只有7米錨桿支護(hù)時(shí)同樣開(kāi)挖7米（5步）塑性區(qū)圖 為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，上面只列舉了無(wú)支護(hù)、開(kāi)挖3米、開(kāi)挖5米這三種情況，從上面圖6、圖7及圖9、圖10的對(duì)比中，我們明顯可以看到施加全長(zhǎng)錨桿后對(duì)拱頂位移、塑性區(qū)的發(fā)展起到了明顯的約束作用。而通過(guò)圖7、圖8及圖10、圖11的對(duì)比，隨著錨桿的增長(zhǎng)，全長(zhǎng)錨固錨桿對(duì)拱頂豎向位移及塑性區(qū)的發(fā)展的約束也明顯加強(qiáng)。但是我們需要注意的是，當(dāng)沒(méi)有輔助的強(qiáng)力支撐，如二襯等的情況下，隨著開(kāi)挖的前進(jìn)，圍巖塑性區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，施加較長(zhǎng)錨桿的開(kāi)挖斷面將面臨更多更大量的塌方土體的掩埋（見(jiàn)下圖12-14圖），這一點(diǎn)與長(zhǎng)錨桿本身是通過(guò)自身摩擦來(lái)提供支護(hù)拉力有關(guān)，錨桿越長(zhǎng)則受拉的軟弱圍巖越多，塑性區(qū)就發(fā)展得越大越廣，最終導(dǎo)致的塑性破壞會(huì)更嚴(yán)重，所以，根據(jù)模擬情況，在較強(qiáng)支護(hù)不能及時(shí)有效的承力的情況下，不建議使用較長(zhǎng)的錨桿。圖12 3米錨桿塑性區(qū)圖13 5米錨桿塑性區(qū)圖14 7米錨桿塑性區(qū)4.4 縱向?qū)Ρ仍趯?duì)不同長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行縱向?qū)Ρ群螅ㄟ^(guò)下面的模擬，將同一長(zhǎng)度（這里取7米）的錨桿在開(kāi)挖不同深度時(shí)進(jìn)行了比較，見(jiàn)下圖15-22圖所示。圖15 施加7米錨桿只開(kāi)挖2步塑性區(qū)圖圖16施加7米錨桿只開(kāi)挖5步塑性區(qū)圖圖17施加7米錨桿開(kāi)挖7步塑性區(qū)圖圖18施加7米錨桿開(kāi)挖11步塑性區(qū)圖圖19施加7米錨桿只開(kāi)挖2步塑性區(qū)加錨桿圖圖20施加7米錨桿只開(kāi)挖5步塑性區(qū)加錨桿圖圖21施加7米錨桿只開(kāi)挖7步塑性區(qū)加錨桿圖圖22 施加7米錨桿開(kāi)挖11步塑性區(qū)加錨桿圖 從上面圖示橫向?qū)Ρ戎?，我們顯然可以看到隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，塑性區(qū)也不斷的發(fā)展擴(kuò)大，雖然全長(zhǎng)錨桿在全長(zhǎng)段均對(duì)圍巖有約束作用，但是隨著塑性取得發(fā)展，當(dāng)塑性區(qū)發(fā)展到包含整個(gè)支護(hù)的錨桿時(shí)（如上圖20所示），此時(shí)，錨桿的約束已沒(méi)有效果，而只會(huì)隨著整個(gè)塑性區(qū)一起滑動(dòng)，最終隨著滑移的發(fā)展而破壞（如上圖22所示）。所以，全長(zhǎng)錨桿在軟弱圍巖中施作時(shí)，應(yīng)及時(shí)施作強(qiáng)支護(hù)如二襯等來(lái)限制塑性區(qū)德塑性流動(dòng)，從而將塑性區(qū)控制在全長(zhǎng)錨桿范圍之內(nèi)，這樣才能發(fā)揮全長(zhǎng)錨桿的作用。4.5 實(shí)際工況的全長(zhǎng)錨桿效用 現(xiàn)在隧道施工最常用的為復(fù)合式襯砌，而在軟弱地質(zhì)條件下，全長(zhǎng)錨桿一般都必須與復(fù)合式襯砌協(xié)作應(yīng)用。下面的模擬過(guò)程即為各長(zhǎng)度錨桿與復(fù)合式襯砌的相互作用及錨桿在圍巖變形中所起的效用。復(fù)合襯砌下的錨桿受力及作用形式見(jiàn)下圖 圖23 3米錨桿與復(fù)合襯砌的塑性區(qū)圖圖24 5米錨桿與復(fù)合襯砌的塑性區(qū)圖圖25 7米錨桿與復(fù)合襯砌的塑性區(qū)圖圖26 3米錨桿與復(fù)合襯砌的豎向位移圖為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，各錨桿的拱頂最大位移見(jiàn)下表所示： 從塑性區(qū)分布圖及上面的拱頂位移表中可以明顯看出，及時(shí)施作二襯的軟弱圍巖的開(kāi)挖中，全長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度的影響已經(jīng)非常的小，雖然隨著錨桿的加長(zhǎng)拱頂位移有一定的下降，但是這種下降的數(shù)量級(jí)與錨桿加長(zhǎng)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)技術(shù)問(wèn)題來(lái)說(shuō)并不合算，對(duì)位移的控制還可以采用其他更有效更經(jīng)濟(jì)的措施，如超前小導(dǎo)管注漿、提前施作臨時(shí)仰拱等?？傮w來(lái)說(shuō)，在軟弱圍巖中，復(fù)合式襯砌時(shí)，錨桿的選取中，長(zhǎng)度并不是重要的控制因素，可以根據(jù)實(shí)際情況，更靈活的選取錨桿。5 總結(jié)分析 在隧道設(shè)計(jì)、施工中需重視初期支護(hù)的作用，錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)是比較常規(guī)而有效的手段，當(dāng)圍巖穩(wěn)定性差時(shí)還需結(jié)合鋼拱架、超前小導(dǎo)管和預(yù)注漿一起承受來(lái)自圍巖的變形壓力，并加固圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，共同構(gòu)成有效、經(jīng)濟(jì)的圍巖-支護(hù)體系。根據(jù)施工監(jiān)控量測(cè)及時(shí)進(jìn)行初支、二襯支護(hù)，允許圍巖-支護(hù)體系產(chǎn)生有限制的變形，充分協(xié)調(diào)地發(fā)揮兩者的共同作用，盡量使圍巖-支護(hù)體系全面、牢固接觸、應(yīng)力均勻分布，形成理想的全斷面牢固接觸，以期能經(jīng)濟(jì)、安全、有效地進(jìn)行洞內(nèi)作業(yè)?？傮w說(shuō)來(lái)，根據(jù)本文數(shù)值模擬在全長(zhǎng)錨固錨桿的作用機(jī)理方面我們可以得出以下結(jié)論：1. 在軟弱圍巖中，當(dāng)不能及時(shí)施作剛性支撐如二襯的時(shí)候，錨桿越長(zhǎng)，在初期對(duì)圍巖的變形及塑性區(qū)的發(fā)展能起到明顯的約束作用，但是如果剛性支撐滯后太長(zhǎng)時(shí)間施作，那么隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，塑性區(qū)德發(fā)展，錨桿越長(zhǎng)，所產(chǎn)生的塑性區(qū)反而會(huì)越大，產(chǎn)生的滑動(dòng)崩塌范圍會(huì)更廣，因此，在軟弱圍巖的施工中，二襯等剛性支撐不能及時(shí)施作的情況下，不建議使用較長(zhǎng)的全長(zhǎng)錨固錨桿。2. 在軟弱圍巖的施工過(guò)程中，施加全長(zhǎng)錨桿后，還應(yīng)采取其他輔助措施來(lái)限制塑性區(qū)德進(jìn)一步發(fā)展，保證全長(zhǎng)錨桿在塑性區(qū)外有錨固長(zhǎng)度。3. 在復(fù)合式