基于锚杆支护效果的数值模拟研究
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作者: 雷邱
摘要：通过分析锚杆在各种边坡和隧道、公路以及其他方面的运用，分析实际工程下得到的支护效果，然后将实际的支护效果通过数值模拟的方式实现，来进行判定加固的效果。同时也将该效果和实际施工效果的情况相比较，考虑到各种荷载的变化情况，可将可靠度引入其中进行进一步的研究，最后通过反复比较，最终得到设计和施工方案。
关键字：锚杆 支护效果 数值模拟 可靠度
前言
边坡的失稳和滑坡都给人类带来了巨大的经济损失，有专家估计，我国因滑坡等地质灾害造成的经济损失。主要的发生地为自然形成或者是经过人工开挖形成的高边坡。高边坡在遇到外部或者是内部的各种物理因素的改变，发生失稳或者是滑坡灾害。所以在设计高边坡的加固方案设计的时候，地质情况和水文条件以及荷载情况都要十分的了解。
研究综述
1. 关于锚杆加固的方法
目前针对其加固的方法也有很多。概括起来其加固的方法可以分为内部加固和外部加固。外部加固体系：在边坡外部设置原位挡墙和重力挡墙支挡土压。材料一般为混凝土，形式采用预应力混凝土或者是板桩结构，有时也可以采用多种形式的联合使用。内部加固体系是在边坡土体内设置土钉、锚杆等措施改善边坡的受力性能。针对高边坡通常的加固形式有土钉墙和预应力锚索框架结构[1]。
图1 挡墙锚杆设计 图2 预应力锚杆设计
2. 锚杆支护的形式：
常见的有单锚，群锚，在某些工程中也常采用锚杆和钢带、钢梁以及金属网的联合使用。不同的支护形式在不同的支护结构中所产生的效果是不同的。同时在采用支护形式的同时要考虑岩石的硬度、节理发展情况以及完整性，地基应力和设计年限综合考虑。对于隧道的支护通常拱形的要比梯形支架的承载能力好很多，隧道初次支护设计中，视锚杆的作用可分为超前锚杆、锁脚锚杆和径向锚杆[2]。
3. 锚杆应力状态分析：
一种方法是通过实验进行确定锚杆的受力情况：可以采用光纤传感技术进行检测锚杆的应力和应变，得到的数据可靠精确[3]。
还可以通过数值模拟的方法：采用有限元进行计算，其模型的建立较为复杂。原因为锚杆拉力除锚固端外， 沿长度方向是不一定是均匀分布的。同时锚杆与钻孔间有较大空隙， 所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来[4]。对于全长锚固锚杆， 锚固剂的锚杆复杂更大。同时该受力不但取决于围岩性质和锚杆支护各组成部分（杆体、锚固剂、托盘）的材质与尺寸，而且还取决于锚杆的长度、间距、排距，以及施工过程中所施加的预紧力等主要支护技术参数[5]。
4. 模型的建立
在锚杆受力方面的数值模拟，通常将锚杆简化为杆单元或者是梁单元进行计算。该种模拟方法并没有将锚杆和岩石接触面的相对剪切力考虑在内[6]。同时界面单元的选取也是比较复杂。在网格生成的时候也是遇到了很大的阻碍。也可采用流变模型进行有限元计算或者是伯格斯模型进行应力位移场分析。也可以采用大型岩土工程数值模拟软件FLAC3D进行计算[7]，该软件对于几何的非线性和大变形的结构具有独特的优势。
评述
在现有的研究锚杆的受力计算和稳定性分析中可将可靠度引入其中，这样的设计计算对实际的情况而言是偏差很大的，因为外荷载是随着时间变化的，并不是单一的数值能够代替的。只用一个结构重要性系数是不能够反正整个体系中荷载的变化对该结构稳定性的影响。该方法虽然引入可靠度理论，但是要知道荷载的分布情况还是比较复杂的。但同种类型的荷载分布可以参考相应的规范的荷载分布情况。同时不同支护条件应该采用不同的计算模型，不能够将一种计算方式直接强加到各种模型中。在考虑锚杆受力的时候，还应该考虑到岩石面和锚杆接触面之间的剪切力，以及发生较大变形时或者是发生裂缝的时候该模型是否还能够继续，如果不能够适用应该对模型进行相应的调整。
基于上述多种因素的影响，将可靠度的理论引入到不同的锚杆支护效果中，同时采用随机数来模拟可靠度的确定。使得荷载形式不是单一特定的数值，而是荷载服从某种分布，是一个变化的值。这样模拟的数值更加的符合实际的工程情况。在设计中更加能说明该设计的可靠性，有的为实体结构考虑各种边界条件以及各种假设条件。在对现有的锚杆支护进行数值分析，同时对不同的荷载类型进行可靠度分析，提出将结构可靠度理论的锚杆支护效果的研究更加能够符合实际情况。因为该条件下是将荷载看做一个变量而不是一个常量，这也是符合实际的工程情况。所以在模拟的时候应该进行结构模拟之前应该对该结构的极限状态条件下的变量的分布函数，以及可靠指标的确定和变量之间是串联还是并联的情况。
参考文献：
[1]王光勇、顾金才、陈安敏等.顶爆作用下锚杆破坏形式及破坏机制模型试验研究.岩石力学工程学报.2012
[3]陈力华、林 志、李星平.公路隧道中系统锚杆的功效研究.岩土力学.2011
[4]张伟、刘泉声.节理岩体锚杆的综合变形分析.岩土力学.2012
[5]杨双锁、曹建平.锚杆受力演变机理及其与合理锚固长度的相关性.采矿与安全工程学报.2010
[6] 杜西岗、马志创、李明东.预应力锚杆在边坡加固工程中的应用.山西建筑.2010
[7]贾新发、方勇、杨亚辉.预应力锚钉支护在主干道旁深基坑中的应用. 山西建筑.2010
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