基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的邊坡錨索應(yīng)力及變形演化規(guī)律研究

基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的邊坡錨索應(yīng)力及變形演化規(guī)律研究

1受荷后的錨固響應(yīng)錨點(diǎn)在不同巖石體中的壓力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致了相關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算工作的停滯。為了檢測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索受荷后的反應(yīng),通過(guò)某工程順層邊坡錨固現(xiàn)場(chǎng)的錨索張拉試驗(yàn),獲取了各級(jí)張拉荷載下錨頭的位移變化數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值方法(FLAC)模擬了在逐級(jí)開(kāi)挖和逐級(jí)錨固施工過(guò)程中該順層邊坡的應(yīng)力分布和錨索的受力特征,從而為研究錨索的受力形式和加固作用機(jī)理提供有效途徑。2數(shù)值模擬過(guò)程以某工程邊坡為研究對(duì)象,提取其地質(zhì)剖面圖信息,考慮了控制性的兩層軟弱夾層。通過(guò)原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)得到各項(xiàng)參數(shù)如表1和表2。邊坡地質(zhì)模型如圖1。模型按地質(zhì)屬性分為三個(gè)部分:灰?guī)r、泥灰?guī)r和軟弱夾層(泥巖)。同時(shí),考慮到邊坡的逐級(jí)開(kāi)挖,將邊坡對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖部分自上而下按施工順序分為4塊,分4步模擬開(kāi)挖和錨固施工過(guò)程(圖2)。預(yù)應(yīng)力錨索分錨頭、自由段、錨固段按不同的屬性來(lái)模擬。對(duì)于錨頭,通過(guò)刪除/建立LINK的方式模擬;對(duì)于錨固段,設(shè)置鋼絲束和注漿體的強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)和截面幾何參數(shù);對(duì)于自由段,鋼絲束的參數(shù)設(shè)置與錨固段一致,注漿體的強(qiáng)度參數(shù)設(shè)置為0。錨索參數(shù)與賦值如表3。數(shù)值模擬試驗(yàn)步驟如下:(1)建立錨1的6根錨桿,并施加預(yù)應(yīng)力,再做第一步開(kāi)挖1,設(shè)置相應(yīng)的位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),運(yùn)算到新的平衡狀態(tài)。(2)對(duì)錨索進(jìn)行張拉試驗(yàn)數(shù)值模擬:參照現(xiàn)場(chǎng)張拉試驗(yàn)的7級(jí)張拉力(見(jiàn)表4)進(jìn)行逐級(jí)張拉;記錄錨頭節(jié)點(diǎn)的位移和錨固段注漿體第一節(jié)點(diǎn)的位移。(3)將(2)中所得的張拉數(shù)值模擬值與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,并依據(jù)差值對(duì)數(shù)值模型中錨索、注漿體參數(shù)進(jìn)行修正,重復(fù)步驟(2),直至模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)張拉試驗(yàn)的結(jié)果相近為止。(4)第二步開(kāi)挖,施加錨2的錨桿,設(shè)置相應(yīng)的位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),運(yùn)算到新的平衡狀態(tài)。同樣的步驟進(jìn)行第三、四步開(kāi)挖,加錨3、錨4的錨索。(5)依次提取數(shù)據(jù)進(jìn)行錨固作用分析。3錨索張拉試驗(yàn)的數(shù)值模擬分析3.1在數(shù)值試驗(yàn)中分析和參數(shù)校正(1)注漿環(huán)荷載作用下錨固段剪應(yīng)力分布特征從圖3可以看出,全長(zhǎng)6m的錨固段只有前端約1/4長(zhǎng)度分布剪應(yīng)力。注漿環(huán)剪應(yīng)力在錨固段0～1.6m近似呈拋物線形分布,在近端0～0.4m內(nèi)出現(xiàn)最大剪應(yīng)力,峰值的大小與張拉荷載有關(guān)。剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)后,迅速減小,向遠(yuǎn)端逐漸衰減至零值,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。從圖4可以看出,注漿環(huán)剪切剛度(gr_k)影響剪應(yīng)力分布的集中程度和范圍。在同等荷載作用下,剪切剛度值越大,對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力峰值越大,剪應(yīng)力的分布也越向錨固段近端集中。從圖5可以看出,在同等荷載作用下,摩擦角越小,剪應(yīng)力的分布也越向錨固段遠(yuǎn)端擴(kuò)散。注漿環(huán)摩擦角(gr_fiction)也影響剪應(yīng)力的分布范圍,但作用不明顯。圖6反映了注漿環(huán)粘結(jié)強(qiáng)度(gr_coh)差異導(dǎo)致的剪應(yīng)力分布特征。粘結(jié)強(qiáng)度顯著地影響剪應(yīng)力的分布范圍和峰值,粘結(jié)強(qiáng)度值越大,剪應(yīng)力峰值也越大,且分布范圍向近端集中。圖7展示了超張拉荷載下的錨固段剪應(yīng)力特征。當(dāng)張拉荷載超過(guò)一定限值時(shí),在錨固段剪應(yīng)力無(wú)法形成拋物線型的峰值,而是在0.2～0.8m段保持在1.12MPa平臺(tái)上,形成截?cái)嘈?yīng)。這可能表明此段注漿體發(fā)生了局部屈服,錨固段仍能正常工作,剪應(yīng)力范圍擴(kuò)大、向遠(yuǎn)端擴(kuò)展。(2)指數(shù)形式急劇下降從圖8看,錨固段軸力集中分布在近端0～1.0m,以指數(shù)形式急劇下降,越過(guò)1.0m向遠(yuǎn)端趨近于零。各組參數(shù)條件下軸力的分布規(guī)律基本一致,分布范圍主要受注漿環(huán)剪切剛度(gr_k)的影響。(3)數(shù)值模擬試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置錨頭位移值主要由錨固段的位移和錨索筋體的彈性伸長(zhǎng)部分組成,通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)測(cè)得各級(jí)張拉荷載下錨頭節(jié)點(diǎn)的位移,并與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值比較,調(diào)整相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)。取模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近的一組(圖9),校正后的參數(shù)見(jiàn)表5。3.2預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的特點(diǎn)傳統(tǒng)理論上的錨固段應(yīng)力解析解之一,是由Mindlin問(wèn)題的位移解推導(dǎo)出的拉力型預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段應(yīng)力的彈性解。取錨索和巖體的彈性模量分別為Ea=2.0×105MPa,E=2.018×104MPa,巖體的泊松比μ=0.258,錨固體半徑a=75mm,設(shè)錨桿的張拉力P=600kN,則錨固段注漿環(huán)所受的剪應(yīng)力、軸力分布為:τ=9.077×106×z×exp(-3.56z2)(1)N=6×105×exp(-3.56z2)(2)從圖10可以看出數(shù)值模擬值比理論解要低,應(yīng)力分布范圍更加集中于錨固段前端。數(shù)值模擬結(jié)果與理論解具有一致性,張拉荷載作用下,預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的受力特征如下:(1)剪應(yīng)力經(jīng)過(guò)最大值后,隨著z的增大逐漸減小,并很快趨近于零,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。(2)作為一種中硬巖,灰?guī)r彈性模量較大,錨固段剪應(yīng)力范圍較小。錨固長(zhǎng)度達(dá)到1.5m時(shí)再增加錨固段長(zhǎng)度對(duì)抗拔力已無(wú)影響,這表明加大錨固段長(zhǎng)度的效果不好。(3)不同張拉力作用下錨固段界面剪應(yīng)力分布形態(tài)與軸力分布也大致相同。當(dāng)張拉力P逐漸增大時(shí),最大剪應(yīng)力τ也逐漸增大。最大剪應(yīng)力靠近于自由段,當(dāng)試驗(yàn)張拉力達(dá)到一定值時(shí),在靠近自由段附近的剪應(yīng)力首先超過(guò)注漿環(huán)的彈性極限而進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)。注漿環(huán)的破壞過(guò)程是從近端逐漸往遠(yuǎn)端破壞,最大粘結(jié)剪應(yīng)力點(diǎn)也逐漸向深部移動(dòng)。4錨固段至遠(yuǎn)端段利用校正后參數(shù)代入模型中,模擬逐級(jí)開(kāi)挖,同步監(jiān)測(cè)邊坡中各級(jí)錨桿的軸力、剪應(yīng)力和邊坡坡面特征點(diǎn)的位移。圖11～圖14為第一批錨索的受力情況。0～1.2m間,錨索軸力急劇減小,1.5m以后趨近于0值。錨固段近端0～1.5m間剪應(yīng)力曲線呈窄閉型的拋物線形分布,這與前述的理論彈性解是基本一致的。剪應(yīng)力曲線同理論解一樣呈拋物線形,在錨固段近端0.5～0.6m出現(xiàn)峰值,剪應(yīng)力隨后迅速降低,向遠(yuǎn)端擴(kuò)展分布,1.5m與遠(yuǎn)端點(diǎn)之間注漿體剪應(yīng)力趨近于0。另外,在兩個(gè)軟弱夾層附近(位于錨索自由段),錨索軸向應(yīng)力分布均勻,而沒(méi)有出現(xiàn)峰值等異常(圖15),表明錨固巖體沿結(jié)構(gòu)面或滑面沒(méi)有發(fā)生較大的變形或滑動(dòng)。邊坡在開(kāi)挖之前做好了上一級(jí)邊坡錨固工程,有效地控制了巖體的變形,使得軟弱夾層上部巖體并沒(méi)有沿軟弱夾層發(fā)生明顯變形。5數(shù)值模擬的可靠性通過(guò)建立某工程邊坡的數(shù)值分析模型,模擬錨索張拉試驗(yàn)過(guò)程,校正了數(shù)值模型錨固參數(shù),有效地提高數(shù)值模擬