预应力锚杆支护参数的确定.pdf

唐智勇预应力锚杆支护参数的确定 5 5 预应力锚杆支护参数 的确定 詹智 勇 中铁二局集团有限公司 四川成都6 1 0 0 3 1 摘要基于围岩压剪破坏模式，提 出预应力锚杆支护抗力的计算方法；采用特征曲线法推导了 预应力锚杆支护间距计算式，采用理想弹塑性荷载传递模型，通过分析极限承栽力与锚杆长度的关 系，推导了锚杆临界锚 固长度的解析算式。 关键 词 支护抗力 锚 固力 锚杆间距临界锚 固长度张拉荷载 1 引言 预应力锚固技术是一种高效 、经济的岩土体加固 技术 ，己在地下 围岩和边坡工程 中得 到广泛应用 。但 是 ，由于预应 力 锚杆 与 围 岩 问相互 作 用 机理 非 常 复 杂 ，到 目前为止 ，对预应力锚杆支护参数 的确定方法 仍处于探索阶段 ，设计依然沿用普通砂浆锚杆的方法 进行 ，理论滞后于实践 。为此 ，基于 围岩压剪破 坏模 式 、围岩和支护特征曲线以及理想弹塑性荷载传递模 型方法 ，对预应力锚杆支护参数的确定进行探讨 ，以 期为工程的设计和施工提供依据。 2 预应力锚杆应提供 的支护抗 力 围岩压剪破 坏 模式。 。 认 为，围岩 的破坏是 由于 隧道 两侧围岩在压力作 用下形成的剪切 楔 形体向隧道内侧移 动所造成的， 见图 1 。 为 了保证 支护 结构 的稳 定 ，各种 D 4 哂 图 1 压剪破坏模式下的预应力锚杆支护图 支护结构提供 的支护抗力应大 于保持 围岩稳定所需 要 提供 的支护 反力 ，可用式 1 表示 。 P ， AP ． 1 式 中P ． 为支护结构应能提供的支护抗力 ；A为安 全 系数 ；P ． 为围岩变形压 力。 支护结构 一般 由预应力 锚杆 、钢筋网和喷混凝 土 等组 成 ，其应 提供的支护抗 力可表示为 P． A P ． P ．。 P ． P ． P． m 2 式 中P ． 为 围岩作 用 在 支 护 结 构 上 变 形压 力 强 度 ， 可根据弹塑性理论推导 出 ，即 P ． C rc t g {p [ P 0 1 一 s i n o 一C O e o s o 0 C r c t g {p ] 3 、 围岩提供的支护抗力为 P 二 4 ， ’ l cost ／ 喷混凝土提供的支护抗力为 P 5 rl coso t sl no t 唐智 勇，男 ，工程师。 钢筋 网提供 的支护抗力 为 P 墨 6 ‘ l Z e o s o 0 s i n { p 0 锚杆提供的支护抗力为 P Fmo- m C O S f l s 7 Xa X r lCOSt ／ 式中P 为 围岩 的原 始应 力 ；R为控 制 的塑 性 区半 径 ；r 为剪切 面上的岩体抗 剪强度 ；o r 为法 向压力 ； r 为喷混凝 土抗剪强 度 ；6为喷 混凝土厚 度 ；r 为 隧 道开挖半径 ； 为剪切 区内锚 杆的平 均倾 角 ； s 为半个 剪切楔体在承载圈弧长 ； ，C 。 为 围岩初 始 内摩擦 角 和初始粘聚力 ； ，C 为围岩剩余内摩擦角和剩余粘 聚力 ；F ，O r 为锚 杆 的 截 面 积 和抗 拉 强 度 ；F ，Z 为钢筋 的面积 和间距 ；A ，r 为钢筋 网钢筋 的截 面积 和抗剪强度 ； ， 为预应力锚杆间距 和排距 。 3 单根预应力锚杆设计锚固力的确定 预应力锚杆加 固体见 图 2 。设 预应力锚 杆的 长度 为 L ；预应力锚杆与浆体 简称预应力锚固体的复 合半径为 R ；锚固段和自由段分别为 ￡ ，￡ 。在锚杆 钉头作 用着 P 的预 拉力 。以锚 杆 尾 端 为坐标 原 点 ， 锚杆轴线 为坐标 轴建立坐标 系。 图 2 预应力锚杆加固体示意图 石接触 面的剪应 力。 图3 预应力锚固体微单元应力图 由锚 固单 元体 轴 向应力平衡条件得 丌 O r f r 2 wR f d x 丌 O r fd { r f 8 L ． ， ’ 由 式 8 解 出 O r f％ Z d x 9 维普资讯 5 6 全国中文核心期刊 路基工程 2 0 0 7年第 6期 总第 1 3 5期 因此P 叮 T R 2 1 0 极 限承载力 ；在达 到极 限承载力之前 ，锚 固层处 于弹 式中 为工作条件系数，取0 ． 7 5 0 ． 9 0 。 性工作状态。此时，在外力 P作用下锚固体截面位移 u 应满足 4 预应 力锚杆 间距 的确定 1 普通砂浆锚杆支护 的特征 曲线 方程为 u 式 中 为支护径向反力 ；A u 为支护设置后 围岩 的 径向位移增量 ；K P ／ A u 为普通锚杆的刚度；e ， e 为普通砂浆锚杆的纵 、横间距 ；P 为普通砂浆锚 杆的工作荷载 。 2 预应力锚杆的支护特征曲线方程为 △ M 1 2 式中 P ／ x 为预应力提供的支护反力。 以上两种特征 曲线见 图 4 。 图4中①为围 岩的特征曲线 ；②为 普通砂 浆锚杆 的支 护 特征曲线；③为预应 力锚杆的支 护特征 曲 线。图中 点为普通 砂 浆 锚 杆 的 工作 点。 如果逐 渐增 大预应 力 锚杆支护 间距 而其 它 参数与普通砂浆锚杆 图 4围岩与支护特 征曲线 图 支护相 同，使预应力锚杆与普通砂 浆锚杆支护具 有 同 一 工作点 ，也就是使预应力锚杆支护效 果 、它的收 敛位移 、作用到围岩上的名义支护反力与普 通砂浆锚 杆相 当，则根据式 1 1 和式 1 2 有 K NAUr l K NAUr ．4 - f l 3 一 一一 I _ ’I e aec a c a c 由式 1 3 可得 P 1 e a e 。 1 4 j W 如果取 e e e ，则 厂 ／ 1 1 5 式 1 5 说 明 ，当预 应力 锚 杆 的张拉 荷 载为 P 时 ，如果使预应力 锚杆与普通砂浆 锚杆达到 相同的支 护效果 ，则预应力锚 杆的间距可增 大为普通砂 浆锚杆 的 、 ／ ／ l P ／ P 倍。但应注意的是，单根预应力锚杆 试验表明 ，预应力锚杆在岩层 内沿垂直锚 杆轴线 的 应变分布 主 要集 中在 宽约 1 ／ 3锚 杆 长度 范 围 内。因 此 ，预应力锚杆 的最大间距不宜超过 2 ／ 3 L 。 5 预应力锚杆最小长度的确 定 文献 [ 3 ]指出，锚杆锚固段长度存在一个临界 值 ，当锚固段长度超过该值后 ，长度的增加对锚杆极 限承载力的提高不起 作用 。根据 图 2 ，设恰 好与锚 杆 极限承载力无关的锚固体长度定义为锚杆的临界锚固 长度。采用理想弹塑性模型 ，即当锚固层前端 截面处 设 为 M 点 达到极 限摩 阻 力时 ，锚杆 达到 一 f l u0 1 6 考虑边界条件 du I du I 0 1 7 d I ～ l Il f x l ￡ d E A d x l 0 、 求解式 1 6 和式 1 7 ，可得摩阻力分布为 r ㈩ 1 8 S1 1 ‘ L J 式中 k -, 7 ／ 4 E；E为预应力锚固体综合模量；A 为预应力锚固体综合截面积。 点 预应力锚固体前端截面摩阻力 r 为 r P k c o t [ h k L ] 1 9 当 点达 到极 限摩阻 力 时 ，锚 杆达 到极 限 承载 力 P 可得 P r m t a n [ h k L ] 2 0 由式 2 0 ，当 k L 4时，t a n[ h ] 0 ． 9 9 9 1 ，此时 P 达到最大值，记做 P ⋯ ；P ⋯ 与 锚 固长度 无关 ，即 P ⋯ r ／ 2 1 根据文 中定义 ，l 临界锚 固长度为 L 4 ／ k4 Ev ／ E A ／ r l 2 2 综上所述 ，预应力锚杆最小长度 L m i． 应为 L ⋯ Lf 。 6 预 应力锚 杆张拉 荷载的确定 在锚杆上施加 的预应力越 大 ，对 围岩应力场 的改 善越显著 ，围岩 的承载力也提高得越 多。但是预 应力 不能无 限增 大 ，预应力锚杆 张拉荷 载的确定还应 考虑 锚杆 的极 限承载力 。一般情 况下有 P RP uK P 2 3 式中 为安全 系数 ，临时支护 宜取 K1 ． 5 ，永久支 护宜取 K 2 ． 0 。 上述计算结果还应满足 P ≤0 ． 7 P 。 一P ，否则 取 P 0 ． 7 P 。 一P 。但在施工 中所施加 的预应力要 比理论计算值略大，一般为 1 ． 1 5～ 1 ． 2 5倍。 7结 论 提出和推导的预应力锚杆支护抗力的计算式 、锚 杆锚固力计算式 、锚杆间距计算式以及锚杆临界锚固 长度的解析算式 ，可为设计和施工预应力锚杆支护参 数的确定提供参考。 参考文献 [ 1 ]郑颖人，杨会龙．锚喷支护参数分析与选用原则[ M] ．地 下工 程经验 交流会论文集 ，1 9 8 6． [ 2 ]顾金才．李家峡水电站 岩质边坡单 根锚索 加固机 理模拟试 验研 究报告 [ R ] ．1 9 9 4 ． [ 3 ]张乐 文． 岩土锚 固理 论研究 之现状[ J ] ． 岩土力学 ，2 0 0 2 ，2 3 5 6 2 76 3 1 ． [ 4 ]孔宪宾，余跃欣，李 炜等． 土 一 锚杆相互作用机理的研究 [ J ] ．工程 力学 ，2 0 0 0 ，1 7 3 8 0 8 6 ． 收稿 13期 2 0 0 6 0 82 4 维普资讯