錨桿在邊坡工程中的錨固機制

錨桿在邊坡工程中的錨固機制

1橫向抗剪作用順巖邊坡是指面向同一個臺階和傾斜的巖石邊坡的傾斜和傾斜趨勢。大量的調(diào)查發(fā)現(xiàn),山區(qū)道路發(fā)生破壞主要是在路塹開挖的地方,尤其是順層巖石路塹邊坡滑動形成的順層滑坡最為常見。邊坡的加固方式有多種,其中全長黏結(jié)型錨桿以其施工方便、安全可靠、節(jié)約投資等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于邊坡工程中。對于錨桿的加固作用,大量的現(xiàn)場監(jiān)測和拉拔試驗結(jié)果表明錨桿抗力是由錨桿與圍巖接觸面上的抗剪作用和錨桿軸力共同提供的。國內(nèi)外學(xué)者對錨桿的橫向抗剪作用都做了詳細的研究。S.Bjurstrom利用試驗手段研究了影響加錨節(jié)理剪切強度的不同因素。C.J.Haas對端錨錨桿與全長黏結(jié)型錨桿進行了對比研究。S.Hibino和M.Motijama分別利用預(yù)應(yīng)力錨索和全長黏結(jié)型錨桿加固的混凝土試件進行了直剪試驗。G.Grasselli進行了大尺度(1∶1)試驗,研究加錨節(jié)理面的抗剪性能。K.Spang和P.Eggre通過室內(nèi)和現(xiàn)場的剪切實驗研究了節(jié)理巖體中錨桿的作用方式。P.M.Dight對錨桿的平衡狀態(tài)進行了分析,他假設(shè)錨桿材料服從Tresca屈服準則并考慮了錨桿受到的彎矩,得到一個計算錨桿對節(jié)理強度貢獻的模型。P.Egger和L.Zabuski利用表面含有節(jié)理面的混凝土試件開展了直剪試驗。葛修潤和劉建武對節(jié)理面加錨的抗剪性能進行了室內(nèi)模擬試驗研究,得到了錨桿對節(jié)理面抗剪性能的“銷釘”作用機制。鐘新谷和徐虎對巷道中錨桿的橫向作用進行了研究,定性地說明了錨桿的橫向作用機制。楊延毅等針對加錨節(jié)理巖體的特點,利用損失力學(xué)的方法,推導(dǎo)得到了加錨節(jié)理巖體的損傷演化方程。伍佑倫等研究了在拉力和剪力綜合作用下的錨桿對裂紋尖端應(yīng)力強度因子的影響,揭示了錨桿與節(jié)理面之間不同夾角下錨桿對節(jié)理面的作用規(guī)律。以上研究系統(tǒng)地闡述了錨桿橫向抗剪時的作用,但是針對順層邊坡下的錨桿受橫向剪切作用的錨固機制研究較少。本文主要結(jié)合順層巖質(zhì)邊坡的特點提出一種全長黏結(jié)型錨桿加固順層邊坡的機制。2順層邊坡發(fā)生平面滑動的必要性順層巖質(zhì)邊坡由于內(nèi)部的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與邊坡的傾向相同,其穩(wěn)定性主要受巖層的走向、夾角大小、坡角與結(jié)構(gòu)傾角組合關(guān)系、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及強度所控制。順層邊坡發(fā)生平面滑動主要表現(xiàn)為邊坡在自重及其他外力作用下沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生順層滑移破壞。順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生順層平面滑移需要以下幾個基本條件:(1)滑動面的走向與坡面平行或接近平行;(2)破壞面的傾角一般大于其內(nèi)摩擦角;(3)破壞面的傾角必須小于坡面傾角;(4)巖體中必須存在對于滑動僅有限小阻力的解離面,它決定滑動的邊界。3錨桿橫向剪切變形段內(nèi)的力學(xué)分析方法根據(jù)前面所述的順層邊坡的平面滑移破壞機制,采用全長黏結(jié)型錨桿進行加固時,其錨固如圖1所示。研究表明,錨桿在拉剪條件下,錨桿彎曲變形段長度一般為錨桿直徑的數(shù)倍,且其應(yīng)力與變形沿節(jié)理面呈反對稱分布,如圖2所示。據(jù)此可將全長黏結(jié)型錨桿滑動面處的彎曲變形段視為兩端為固定端的梁,利用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識進行求解,解除固定端點B的約束條件,得到靜定基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。記錨桿軸向點B端軸向位移、撓度及轉(zhuǎn)角為△1,△2,△3,由結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)理論,有式中:為沿作用力Xj方向上單位力引起的在作用力Xi方向上的位移;X1,X2,X3分別為點B軸力、剪力和彎矩。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法求解方程中的系數(shù),將系數(shù)代入式(1)可得式中:A為錨桿橫截面面積;E為錨桿的彈性模量;l為錨桿彎曲變形段長度;G為錨桿的剪切模量;I為錨桿的截面慣性矩;k為剪應(yīng)力沿截面分布不均勻系數(shù),,其值與截面形狀有關(guān)。由此可求出X1,X2,X3表達式如下:錨桿剪切變形與層面位移關(guān)系如圖4所示。記層間法向和切向位移分別為u,v,錨桿與豎直方向夾角為uf061,則根據(jù)圖4有令u=0,即不考慮層面的剪脹(縮)效應(yīng),有工程錨桿在滑動荷載作用下A,B兩點發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動,同時,巖石層面開度一般比錨桿直徑小1~2個數(shù)量級,而且在錨桿直徑3~4倍范圍內(nèi)出現(xiàn)剪切變形效應(yīng)。為簡化計算,剪切變形區(qū)段內(nèi)錨桿所受巖石的橫向約束荷載采用三角形分布(見圖5)。圖5中,q1為錨桿受到的軸向切應(yīng)力,q2為三角形橫向切應(yīng)力的最大值。假設(shè)錨桿橫向剪切變形段荷載分布q(x)及軸向荷載分布具有如下形式:錨桿剪切變形段端點剪應(yīng)力與轉(zhuǎn)角為0,即X2=0,△3=0,則力法的基本方程為由材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)理論,可求得由圖4可知,層面處錨桿剪力Q0與軸力N0分別為記層面剪脹角為β,則由此可知:則有由于錨桿剪切變形段提供的剪切力相對于錨桿錨固段總的剪力可以忽略不計,則由此可得層面處錨桿剪力與軸力間的關(guān)系:記由層面處錨桿抗剪力與軸力提供的抗滑力分別為RNb,Rd,其表達式為式中:φ為層面內(nèi)摩擦角。則記式中:K為與錨桿截面特性相關(guān)的常數(shù)。則式(17)可以簡化為式(19)表明,錨桿加固巖質(zhì)邊坡時,錨桿抗力由錨桿軸力與抗剪力共同提供,在錨桿處于彈性小變形階段,由錨桿抗剪作用(即“銷釘”作用)提供的抗滑力與錨桿軸力提供的抗滑力可以用線性關(guān)系來描述。4數(shù)值模擬4.1順層邊坡錨桿錨固結(jié)構(gòu)為驗證所推導(dǎo)的力學(xué)模型的正確性,采用大型有限元模擬軟件ABAQUS對錨桿加固順層邊坡進行數(shù)值模擬。模型的尺寸為300mm×600mm×600mm(X×Y×Z),如圖6所示。錨桿鋼筋的直徑為10mm,注漿孔直徑為20mm。模型的邊界條件是在左邊界及下邊界固定,錨桿與灌漿,灌漿與巖石之間采用黏連接觸。材料彈性模量和泊松比見表1。假設(shè)一順層邊坡的傾角為40°,分別取錨固角15°,20°和35°進行研究,則錨桿與巖層層面的夾角uf061=55°,60°和75°。模型的剪脹角設(shè)為5°,錨桿的布置方式及模型的網(wǎng)格劃分如圖7所示。4.2錨桿抗拉力分析圖8為錨桿主要受力區(qū)的Mises應(yīng)力分布,其中變形放大了100倍。從圖8可以看出,錨桿上的Mises應(yīng)力沿節(jié)理面成反對稱分布,最大Mises應(yīng)力點位于節(jié)理面附近。錨桿的橫向剪切變形主要在節(jié)理面附近的有效長度l內(nèi)出現(xiàn),并且變形沿節(jié)理面成反對稱分布。因此理論分析中只取有效剪切變形段l=nd(d為鋼筋直徑)進行分析是合理的。對于n的取值,可以直觀的由應(yīng)力分布圖測量求得。將不同荷載下錨桿節(jié)理面處截面的軸力與剪力數(shù)據(jù)輸出,繪制成曲線。同時,對圓形截面,k=10/9,G=E/[2(1+μ)],A=πd2/4,I=πd4/64,取l=nd,對式(15)進行化簡,并將n取不同值時軸力與剪力的關(guān)系繪成的曲線與數(shù)值模擬結(jié)果的進行對比,結(jié)果如圖9所示,從圖中可以看出,對于不同的傾角,n取不同的值,理論曲線與數(shù)值模擬結(jié)果能有較好的吻合。n的取值在2~4范圍內(nèi)較為合理,對于不同的傾角,其剪切變形影響長度不同。通過理論曲線與數(shù)值模擬結(jié)果的對比可以看出,在彈性階段,錨桿的軸力與橫向剪力基本呈線性關(guān)系,即式(15)成立。進而有式(17)成立,即錨桿的抗剪力提供的抗滑力與錨桿軸力提供的抗滑力可以用線性關(guān)系來描述。5基于abaqus的支護力學(xué)模型根據(jù)順層邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,運用彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)理論對全長黏結(jié)型錨桿加固順層邊坡的機制進行研究,提出了新的錨桿加固順層邊坡的解析力學(xué)模型。并運用有限元軟件ABAQUS