端部锚固锚杆预应力场分布特征研究.pdf
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1、引用格式:訾信,汪波,喻炜,等.端部锚固锚杆预应力场分布特征研究J.隧道建设(中英文),2023,43(10):1750.ZI Xin,WANG Bo,YU Wei,et al.Distribution characteristics of prestressed field of end-anchored boltsJ.Tunnel Construction,2023,43(10):1750.收稿日期:2023-05-15;修回日期:2023-09-04基金项目:国家自然科学基金项目(U2034205);四川交通科技项目(2021-MS1-030,2021-B-01)第一作者简介:訾信(19
2、98),男,河南周口人,西南交通大学桥梁与隧道工程专业在读硕士,研究方向为隧道与地下空间。E-mail:864947309 。通信作者:汪波,E-mail:ahbowang 。端部锚固锚杆预应力场分布特征研究訾 信,汪 波,喻 炜,钟官峰(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031)摘要:为探明端部锚固预应力锚杆在隧道围岩中所形成的压缩带应力分布特征,先结合室内试验和数值模拟手段分析单根预应力锚杆作用下的围岩响应;然后,采用 ABAQUS 软件研究不同预应力大小、长度及间距的锚杆群在马蹄形隧道围岩中形成的径向应力的分布规律,并对压缩带内径向应力分布规律进行进一步分析探
3、讨。研究结果表明:1)端锚型锚杆预应力所形成的压缩带主要集中在未锚固段围岩中,而锚固段围岩中由于锚杆剪力作用会形成拉应力集中区;2)随着锚固长度的增加,压应力区明显减小,全长锚固时,仅在垫板端附近极小范围内形成压应力区,无法较好地发挥预应力的扩散效果;3)群锚预应力形成的连续压缩带厚度随间距减小明显增大,但随长度增大变化不明显;4)短锚杆更易在杆长范围围岩内形成连续压缩带,而长锚杆无法在整个杆长范围围岩内形成压缩带,其应力扩散效果有限。关键词:端部锚固预应力锚杆;分布式光纤;群锚压缩带;应力扩散;应力场;ABAQUS 软件DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.10
4、.011文章编号:2096-4498(2023)10-1750-10中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):D Di is st tr ri ib bu ut ti io on n C Ch ha ar ra ac ct te er ri is st ti ic cs s o of f P Pr re es st tr re es ss se ed d F Fi ie el ld d o of f E En nd d-A An nc ch ho or re ed d B Bo ol lt ts sZI Xin,WANG Bo*,YU Wei,ZHONG Gu
5、anfeng(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,the Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,Sichuan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To investigate the stress distribution characteristics of the compression zone formed by end-anchored prestressed anchor bolts in t
6、he surrounding rock of tunnels,the response of the surrounding rock under the action of a single prestressed bolt is analyzed using laboratory tests and numerical simulations.The ABAQUS software is used to explore the radial stress distribution patterns in the surrounding rock of a horseshoe-shaped
7、tunnel anchored by bolt groups with various prestresses,lengths,and bolt spacings.The results reveal the following:(1)The compression zone formed by end-anchored prestressed bolts primarily concentrates in the unanchored section of the surrounding rock.By contrast,the anchored section experiences a
8、tensile stress concentration due to the shearing effect of the anchors.(2)With increasing anchorage length,the compression zone noticeably decreases;when full anchorage is conducted,a compression zone is formed only within a very small range near the bearing plate,limiting the diffusion effect of pr
9、estress.(3)The thickness of the continuous compression zone formed by a group of prestressed anchors considerably increases as the bolt spacing decreases.However,it shows less variation with increasing anchor length.(4)A continuous compression zone is more likely to form by short anchors within thei
10、r range,whereas it cannot be formed by long anchors within their range,thereby limiting the effectiveness of stress diffusion.K Ke ey yw wo or rd ds s:end-anchored prestressed anchor bolt;distributed optical fiber;compression zone under bolt group;stress diffusion;stress field;ABAQUS software第 10 期訾
11、 信,等:端部锚固锚杆预应力场分布特征研究0 引言近年来,随着预应力锚杆(索)系统在木寨岭公路隧道等软岩大变形地下工程中的成功应用1-4,预应力主动支护技术为软岩隧道大变形控制开辟了新的途径。与隧道常用全长黏结式锚杆不同,树脂端锚+后注浆型预应力锚固系统在满足耐久性需求的基础上具有使围岩中形成更大预应力扩散范围的能力5-7,这也是主动支护得以调动和发挥较深部围岩自承能力的基础8。对预应力锚杆支护机制的探究离不开对其在围岩中产生的应力场的研究。现有研究中,对锚杆所形成的围岩预应力场的分布规律研究主要为不同锚固系统参数对围岩预应力场分布规律的影响。例如:顾金才等9-10通过室内试验和数值模拟,研究
12、了均质岩体中单根预应力锚杆的加固范围,并分析了锚杆长度和预应力值对锚固范围的影响;康红普等11-12通过数值模拟和室内试验研究了不同预应力下锚杆、锚索产生的应力场分布特征,以及钢带对锚杆预应力扩散的作用;张镇等13采用数值模拟,研究了锚杆(索)施加不同组合预紧力时围岩产生的应力场分布特征与规律;王文才等14采用数值模拟研究了锚杆长度和预紧力对围岩中产生的附加应力场的影响;林健等15通过室内试验研究了预应力端部锚固锚杆预应力场在围岩体中的分布特征;王晓卿等16通过数值模拟研究了原岩应力条件下不同黏结刚度预应力锚杆对层状顶板的支护作用;李建忠等17通过数值模拟研究了原岩应力场作用中不同预紧力及不同
13、支护密度下锚杆支护的应力场;刘林胜等18通过数值模拟研究了锚杆在不同预应力下的支护效果差异。既有研究中,试验数据采集多采用单点式测量元件,未能实现测线全长范围内的数据采集;且对不同锚杆参数下围岩应力场分布的研究多集中于矩形断面巷道中,而在马蹄形断面交通隧道中还少有研究。故本文将采用分布式光纤进行单根预应力锚杆应力场测试,并在马蹄形断面围岩中研究不同锚杆参数下预应力场分布规律,以期为预应力锚固系统作用机制研究提供一种思路。1 单根锚杆室内试验1.1 试验材料及传感器布置为研究单根锚杆预应力扩散效应,开展室内锚杆拉拔试验。以混凝土试块模拟围岩19,所浇筑的 C35混凝土试块尺寸为 0.5 m0.5
14、 m1 m,配合比为水泥 砂 石=400 980 1 160,外加剂质量比为 0.3,中心留直径 0.04 m、长 0.8 m 的孔。混凝土弹性模量可取31.5 GPa,泊 松 比 取 0.220。Q345 锚 杆 内 直 径 为0.015 m,外直径为 0.025 m,长 1.3 m。混凝土预留孔底部 0.3 m 范围内用树脂进行锚固。由于工程中预应力主动支护锚固系统在预应力锁定后才进行后注浆1,8,故该试验未考虑后注浆。锚杆抗拉强度不低于 470 MPa,断后伸长率不低于 20%21。采用微机电子万能试验机通过单轴压缩试验测得所用树脂材料(见图 1)弹性模量为 13.2 GPa,泊松比为
15、0.17。图 1 树脂试件Fig.1 Resin specimens为测得锚杆预应力在试块中所产生的沿锚杆轴向的应力场分布,在浇筑混凝土时预埋 2 片布设应变测量传感器的钢筋网,钢筋直径为 0.006 m,其中一片布有 30 个应变片,另一个则布有分布式光纤,传感器布置方案见图 2。考虑到试验加载条件下,除加载端面外混凝土内响应应变较小,可认为浇筑于其中的钢筋网与混凝土协同变形,故可近似将光纤所测得的钢筋应变视为混凝土应变。(a)实物图(b)示意图图 2 光纤/应变片传感器布置方案Fig.2 Optical fibers/strain gauges sensor deployment plan
16、 分布式光纤数据和应变片数据分别由 OBR4600光背向反射仪和 TST3826F 静态应变测试分析系统处理得到,主要试验仪器见图 3。通过锚杆拉拔仪进行预应力的施加,由带数显的手动泵按 5 kN 左右 1 级,逐级施加预应力至 60 kN 左右停止。1571隧道建设(中英文)第 43 卷图 3 主要试验仪器Fig.3 Main experimental equipment1.2 结果分析不同预应力量值下,分布式光纤测得的应变沿长度变化规律如图 4(a)所示。有效光纤长度为 4.76 m,定义内端为起始点0,外端为终点4.76 m 处(见图2(b),各区段 00.95 m,0.951.91 m
17、,1.912.86 m,2.863.81 m 与 3.814.76 m 分别对应距锚孔 0.21、0.16、0.11、0.06、0.01 m(最靠近锚孔处)的测线数据。可以看出,距锚孔不同距离处,应变沿深度的分布均由大范围的压应变区和小范围的拉应变区组成。由图 4(b)可知,压应变在垫板端面最大,随远离垫板端先快速减小而后又增大到第 2 个压应变极值,随后减小到转变为拉应变;2 个压应变极值和 1 个拉应变极值分别出现在距垫板端面约 0.02 m、0.52 m 和 0.69 m 处。由图 4(a)可以看出,应变量值随施加预应力的增大而明显增大。在距锚孔 0.01 m(最靠近锚孔)处,施加 60
18、.09 kN 预应力时,2 个压应变极值分别为-106 和-37.9,拉 应 变 极 值 则 为 18.5。在 施 加50.19 kN、40.25 kN 和 30.31 kN 预应力时,最大压应变极值分别为-64.4、-54.7 和-38.8。同时,应变量值随靠近锚孔而明显增大。施加 60.09 kN 预应力时,在距锚孔 0.06 m 处,2 个压应变极值分别为-55.1 和-16.5,拉应变极值则为 4.2。在距锚孔 0.06 m、0.11 m 和 0.16 m 处,最大压应变极值分别为-55.1、-16.6 和-12.5。可以看出,预应力诱发应变量值减小速度随远离锚孔逐渐减小。提取施加预应
19、力 60 kN 左右时,最靠近锚孔处(距锚孔 0.01 m)测线上分布式光纤与应变片测得的应变数据作图,如图 4(b)所示。可以看出,2 种方式所测得的应变量值和分布规律均较为一致。对上述端部锚固锚杆作用现象的微观机制作进一步定性分析22,锚杆支护下杆体结构受力状态如图 5所示。在自由段内不存在围岩-锚杆摩擦接触,因此该区段内轴力大小等于杆体所承受的拉拔力;在锚固段内,锚固剂与围岩存在黏结作用,在施加预紧力后锚固段范围内围岩受到沿钻孔壁分布的黏锚力作用,因此杆体轴力逐渐减小为 0。(a)沿分布式光纤长度方向的应变分布规律(b)分布式光纤/应变片应变数据对比图 4 光纤/应变片应变数据测量Fig
20、.4 Optical fiber/strain gauge strain data measurement图 5 锚杆支护下杆体结构受力状态Fig.5 Stress state of structure supported by bolts结合自由段-锚固段交界面和“两压一拉”的空间位置关系,可将其进一步分为 3 个区域(见图 5)。区域为垫板作用下的压应力集中区,该区域由于垫板作用锚杆对围岩反向挤压,在混凝土表面附近形成了较大的压应力集中区。可以预见,该区域压应力最大2571第 10 期訾 信,等:端部锚固锚杆预应力场分布特征研究值位于垫板作用位置,且随着远离垫板位置,压应力区域逐渐扩展贯通
21、并与区域相连接。区域为黏锚作用下的压应力集中区,由锚杆支护围岩受力状态可知,该应力峰值在自由段和锚固段接触面附近(见图 5)。该峰值产生的原因在于在锚固段内,锚杆通过锚固剂与围岩黏接在一起,在预应力作用时,钻孔内壁受到锚杆剪力即黏锚力作用,使锚固段围岩整体对下方围岩产生压力,从而形成了黏锚作用下的压应力集中区。区域为内锚段拉应力集中区,锚固段内围岩受力表现为在锚孔内壁沿锚杆轴线方向向下的非均匀黏结力,黏锚力由自由段向锚固段呈先增大再减小的规律。在此非均匀黏锚力作用下,内锚固段围岩产生拉力作用,从而使得锚杆锚固段的部分范围产生了明显的拉应力集中区。2 单根锚杆预应力场分布规律2.1 模型建立为与
22、前述试验保持一致,ABAQUS 中模型总体尺寸设置为0.5 m0.5 m1 m(见图6(a),中心留直径0.04 m、长 0.8 m 的孔,孔内布设预应力锚杆系统,模型底面 6 个自由度全部约束。预应力锚杆系统由0.15 m0.15 m0.01 m 的垫板,内直径 0.025 m、外直径 0.038 m、厚 0.024 m 的螺母,内直径 0.025 m、外直径 0.040 m、长 0.3 m 的树脂锚固体以及内直径0.015 m、外直径 0.025 m、长 1.3 m 的锚杆体组成(见图 6(b),其中锚杆体置于围岩内 0.8 m。锚杆体、螺母、垫板及树脂锚固体采用弹性本构,试块采用 Moh
23、r-Coulomb 理想弹塑性本构23,材料物理力学参数如表1 所示。围岩-垫板、围岩-锚固体、锚固体-锚杆、垫板-螺母及螺母-锚杆间均采用 tie 接触。此外,锚杆以实体单元建立,采用 bolt load 荷载施加预应力,预应力量值为 60 kN,且不考虑材料自重。(a)整体模型(b)锚杆系统图 6 模型建立Fig.6 Model establishment表 1 材料物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of materials项目弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/()钢材206.00.28树脂13.20.17C35 混凝土31
24、.50.2030.835.62.2 结果分析预应力在试块中形成沿锚杆轴向方向应力 S33,分布如图 7 所示。由图可知,锚杆垫板端锚孔附近围岩存在明显压应力集中,而在锚杆未锚固段和锚固段分界处围岩中出现了另一压应力集中区域,2 处压应力集中区域压应力量值均在锚孔壁处最大,随远离锚孔壁而减小。锚杆尾端锚固段附近围岩中出现拉应力集中区域如图 7(b)所示。由图可知,拉应力最大值同样出现在锚孔壁处,而随远离锚孔壁逐渐减小。(a)压应力区(b)拉应力区图 7 单根锚杆锚固试块预应力场分布(单位:Pa)Fig.7 Prestress field distribution in single bolt-a
25、nchored specimen(unit:Pa)建立如图 6(a)所示坐标系,坐标原点位于垫板端围岩表面锚孔中心处,提取不同锚间距 x(某一研究面离参考锚杆锚孔中心的距离)及不同深度 z 处试块沿锚杆轴向应力 S33 作图,如图 8 所示。3571隧道建设(中英文)第 43 卷(a)不同锚间位置 x 处(b)不同深度 z 处图 8 单根预应力锚杆锚固下试块竖向应力分布Fig.8 Vertical stress distribution in single pre-stressed bolt-anchored specimen由图 8(a)可以看出,不同锚间距位置处围岩S33 沿深度分布均存在
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- 锚固 预应力 分布 特征 研究
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