淺埋軟土工程錨桿作用機理研究及功效評價方法

何曉琴

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶　400067)

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淺埋軟土工程錨桿作用機理研究及功效評價方法

何曉琴

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400067)

摘要：采用有限元仿真模擬對某淺埋黃土隧道有代表性的豎向錨桿及水平向錨桿發(fā)揮作用的機理進行了研究，揭示了錨桿與圍巖相互作用的原理。

關鍵詞：黃土隧道；錨桿；位移場；軸力；淺埋

1計算結果分析

1.1圍巖位移場地對錨桿軸力作用的發(fā)揮

工況一計算結果表明，水平向錨桿截面最大拉應力為55.51 MPa，豎向錨桿的最大拉應力值為9.90 MPa，顯然水平向錨桿較豎直方向的錨桿受力更大。初步可判定側墻錨桿較拱部錨桿發(fā)揮了較大的作用。

隧道既可能發(fā)生拱部坍塌的失穩(wěn)，也可能發(fā)生側壁失穩(wěn)定，兩種失穩(wěn)潛在的破裂面如圖1所示。對于淺埋的黃土隧道，以拱部的塌方失穩(wěn)為主，此時整個破裂面整體發(fā)生塑向的位移，拱部的錨桿位于潛坍體內，與坍體一并向隧道內方向運動，因此豎向錨桿不能產生較大的軸力。

圖1　隧道開挖完成后位移場

針對工況2，沿著豎向錨桿徑向提取徑向個點豎直方向的位移，沿著水平向錨桿徑向提取徑向各個點的水平方向的位移，如圖2所示。(說明：錨桿的徑向起點為初期支護與錨桿交接的位置，方向為沿著錨桿的方向。)從圖2可以看出，豎向錨桿3.5 m長度產生的徑向位移差值為0.23 mm，水平向錨桿3.5 m長度上的徑向位移差值為0.522 mm。可見水平向錨桿施加位置產生了更大的徑向位移差值，這是錨桿產生了更大拉力的原因。

黃土隧道可以近似的看做均質圍巖，錨桿植入圍巖中，圍巖產生變形，使錨桿產生軸力，錨桿軸力反作用于圍巖，使圍巖的變形能得到遏制，增加圍巖的穩(wěn)定性。錨桿與圍巖相互作用可以分以下幾個步驟進行說明：

圖2　豎直錨桿及水平錨桿的徑向位移

第一步：錨桿植入圍巖，與圍巖融為一體。

第二步：隨著掌子面向前掘進，掌子面對當前位置的約束越來越弱，導致圍巖產生變形，產生沿著錨桿方向的徑向位移梯度。

第三步：圍巖變形作用于錨桿，錨桿四周產生剪力，錨桿徑向產生軸力。

第四步：錨桿受力反作用于圍巖，對圍巖變形產生約束，使圍巖位移得到約束。

為了研究錨桿對圍巖位移場的影響，提取錨桿施加前后豎向錨桿徑向位移值及水平向錨桿徑向位移值。

對于A點(拱頂沉降點)，若不施工錨桿(工況二)豎向位移值為1.301 mm，若施工錨桿(工況一)，A點豎向位移值變?yōu)?.271 mm，錨桿的施加使用豎向位移值減少0.03 mm，錨桿使位移減少比率了2.3%。

對于B點(周邊收斂點)，若不施工錨桿(工況二)水平向位移值為0.672 mm，若施工錨桿(工況一)，B點水平位移值變?yōu)?.588 mm，錨桿的施加使用水平向位移值減少0.084 mm，減少比率為12.50%。

1.3圍巖軟硬對錨桿功效的影響

為了研究圍巖軟硬對錨桿功效的發(fā)揮，人為的修改黃土的彈性模型2.1×104kPa(工況三、工況四)。工況三計算結果表明，水平向錨桿截面最大拉應力為374.77 MPa，豎向錨桿的最大拉應力值為267.33 MPa，此時錨桿的軸力值大大增加。

提取錨桿施加前后豎向錨桿徑向位移值及水平向錨桿徑向位移值，如圖3所示。

圖3　軟弱圍巖有無錨桿徑向位移值

對于A點(拱頂沉降點)，若不施工錨桿(工況四)豎向位移值分別為130.144 mm，若施工錨桿(工況三)，A點豎向位移值變?yōu)?04.341 mm，錨桿的施加使用豎向位移值減少25.803 mm，錨桿使位移減少比率了19.82%。

對于B點(周邊收斂點)，若不施工錨桿(工況四)水平向位移值為67.203 mm，若施工錨桿(工況一)，B點豎向位移值變?yōu)?4.06 mm，錨桿的施加使用水平向位移值減少33.123 mm，減少比率為49.29%。

可見，圍巖彈性模量越小(圍巖越軟弱)錨桿對圍巖位移場的影響越大，但是實際工程中圍巖越軟弱，錨桿與圍巖的粘結越若，難以發(fā)揮功效。

3.4支護時機對錨桿功效的影響

以上研究表明，錨桿徑向位移場對錨桿的受力有很大的影響，而位移場在很大程度上受開挖進度的影響。Hoek(1999)對Mingtam 某洞室工程的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了擬合，提出了洞壁徑向位移與至作業(yè)面距離之間的經驗關系式：

(1)

根據(jù)式(2)可以做出圍巖徑向位移—開挖關系曲線圖(如圖4所示)。圖4主要反映了掌子面對于圍巖的約束情況。從圖中可以看出隧道的變形并非一開挖就完成，隨著掘進的深入掌子面對于當前位置的約束能力越來越弱，最終的變形值達到穩(wěn)定。

圖4　圍巖徑向位移—開挖關系曲線圖

根據(jù)公式(1)做出圍巖徑向位移與開挖進度的關系曲線圖，如圖(4)所示。y為隧道縱向，正方向為掌子面指向洞口的方向，距離掌子面y時，圍巖已經發(fā)生了大小為的徑向位移，作用與錨桿上的變形為。可見：

當時，即開挖后立即施工錨桿，此時已約有30%的位移已經損失掉；

當時，隧道繼續(xù)開挖將不產生額外的變形，如果這個時候來施工錨桿，錨桿乎不受力，因此在施工時，為了保證襯砌結構的作用能充分發(fā)揮，應盡早的支護。

當時，位移幾乎為0，說明掌子面前方3倍隧道半徑的圍巖幾乎未受到開挖的擾動；

從以上分析可以得知，錨桿的之所有受力是因為錨桿與圍巖融為一體后，圍巖的變形帶動了錨桿的變形所導致。因此，錨桿受力大小取決于施做錨桿時間與圍巖最終變形位移的差值。因此，在黃土隧道中如果錨桿施工過于不及時，將不能起到作用。

2結論及建議

(1)錨桿的受力與圍巖的位移場的變化是密切相關的；在淺埋黃土隧道中，由于拱隧道豎向位移梯度較小，拱部的圍巖整體發(fā)生了豎向的運動，因此拱部錨桿的受力較小，側墻上產生了較大的位移梯度變化，因此側墻錨桿受力更大。

(2)錨桿的受力與支護時機是密切相關的，越早支護，圍巖產生位移場的變化將更多的作用于錨桿，更容易發(fā)揮其功效，因此隧道開挖完成后應立即進行錨噴支護。錨桿與圍巖的粘結材料采用早強、速凝材料，待植入圍巖的錨桿與圍巖形成一體后再進行開挖作業(yè)，才能最大限度的發(fā)揮其功效。

(3)在軟弱圍巖中錨桿更容易發(fā)揮其功效，但施工過程中要確保錨桿與圍巖粘結形成整體，否則錨桿的功效也不能得到發(fā)揮。

(4)在某些情況下，錨桿是受力的，但是對圍巖的約束是不夠的，以錨桿的受力大小來評估錨桿的功效是不合理的，應以錨桿約束圍巖變形的能力來評價錨桿的效應的做法是合理的。

(5)本文主要基于淺埋黃土隧道的變形機理對錨桿的功效的機理進行了研究，類似地，深埋黃土隧道錨桿的作用機理也可采用類似方法進行研究。

參考文獻：

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收稿日期：2016-04-18

作者簡介：何曉琴(1970-)，女，重慶南岸人，碩士，主要從事工程管理方面研究。

中圖分類號：U417.1

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)05-0067-02