拉力集中型与压力分散型预应力锚索锚固机理

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2005.03.006 第27卷第3期 北京科技大学学报 Vol.27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 拉力集中型与压力分散型预应力锚索锚固机理 王树仁”何满潮2)金永军) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国矿业大学（北京）岩土工程研究所，北京100083 3)中国地质人学（北京）岩上工程研究所，北京100083 摘要利用有限差分程序FLAC对一种新型预应力锚索一压力分散型锚索的锚固机理进 行了数值模拟研究，与拉力集中型预应力锚索相比，压力分散型锚索具有许多优点，尤其适 用于对大变形软岩工程的锚固，对比分析结果表明：压力分散型锚索锚固段浆体轴力峰值仅 为拉力集中型锚索的I/(n为承载体的数量)，且浆体处于受压状态：锚固段浆体-岩体界面上 的剪力峰值也小于拉力集中型锚索，并沿内锚固段轴向均匀分布：在相同条件下，压力分散 型锚紧比拉力集中型锚索能提供更大的锚固力：适当增加承载体的数量是提高压力分散型 锚索锚固力，改善锚固段浆体受力状态的有效途径. 关键词顶应力锚索：锚固机理：数值模拟 分类号TD824.7;TD757.1 采用预应力锚索主动加固岩土工程，具有技 本文应用非线形大变形有限差分程序 术先进、经济合理、安全可靠等诸多优点，因而在 FLAC进行拉力集中型和压力分散型两类预应 边坡、基坑、堤坝、隧道、水电等大量岩土工程中 力锚索锚固机理的数值模拟研究，以期得出有价 得到了广泛的应用，由于预应力锚索加固工程多 值的结论，更好地服务于现场工程实践. 为不可见的隐蔽性工程，且预应力锚索的施工工 艺较复杂，影响锚固效果的因素众多，致使目前 1计算原理及力学模型 关于各类预应力锚索作用机理、锚固体系与围岩 1.1计算原理 的相互作用关系、影响锚固效果的因素等研究仍 在预应力锚索锚固体系中，一般认为钢绞线 处于理论探讨之中，滞后于工程实践". 索体只能轴向抗拉，不能抗压和承受弯矩.在索 传统拉力集中型锚索的索体为高强度低松 体强度足够大的情况下，锚索失效可能是由于索 弛光面钢绞线，索体全长被浆体包裹，自由段的 体与浆体的接触面受剪破坏，或是浆体与周围岩 充填浆体可认为是不受力的，一定的张拉荷载直 土体的接触面受剪破坏.钢绞线索体一浆体一岩 接作用到内锚固段浆体上，是使内锚固段浆体处 土体理想界面的剪切特性是通过浆体的粘聚力 于受拉状态的锚索加固形式 和摩擦特性来体现的.图1为弹簧一滑片体锚固 国内应用较多的压力分散性锚索的索体为 体系力学关系，将锚索单元视为理想弹塑性材 高强度低松弛PE钢绞线，索体全长也被浆体包 料，采用Mohr-Coulomb破坏准则.单位长度的锚 裹，但其钢绞线与浆体无粘结，比光面钢绞线多 索在浆体中的最大剪力是浆体材料粘聚力和摩 两层防护（第1层为防腐油脂：第2层为PE,即高 擦力的函数.图2为浆体材料力学特性曲线. 密度聚乙稀材料)，钢绞线处于自由伸缩的受拉 单位长度锚索的剪力与浆体的变形刚度有 状态，将压应力分散施加在按一定距离布置的若 关，即： 干承载体上，是使内锚固段浆体处于受压状态的 锚索加固形式， K(.-U) (1) 收稿日期：200406-15修回日期：2004-11-05 式中，无为单位长度锚索承受的剪力，K为浆体 基金项目：国家基金委创新群体基金No.50221402)和教育部 的变形刚度，U.为锚索轴向位移，Um为锚孔周围 技术研究重大项目基金No.10405) 作者简介：干树仁1968一)，男，博士研究生 岩土体的轴向位移，L为锚固长度

第 2 7 卷 第 3 期 2 0 0 5 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s iyt o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij in g V b l . 2 7 N o . 3 J u n . 2 0 0 5 拉 力集中型与压 力分散型预 应力锚索锚固机理 王 树 仁 ” 何 满 潮 2 ,3) 金永 军 2 , 1)北 京科技 大学土 木 与环境 工 程 学院 , 北 京 10 0 0 83 2 )中 国矿 业大 学(北京 )岩土 工 程研究 所 , 北京 10 0 0 8 3 3) 中国地质 大学 (北 京)岩 土 工 程研 究所 , 北京 1 00 0 83 摘 要 利 用有 限差分 程序 F L A C 对 一 种 新 型预应 力锚索— 压 力分 散型锚 索的锚 固机 理进 行 了数值模 拟研 究 . 与 拉力集 中型 预 应力锚 索相 比 , 压 力分散 型锚索 具有 许多优 点 , 尤 其适 用 于对大变 形软岩 工 程 的锚 固 . 对 比分 析结果 表 明 : 压力分散 型锚索 锚 固段 浆体轴 力峰 值仅 为 拉力集 中型锚 索的 1/试n 为 承载体 的数 量) , 且浆 体处 于受压状 态 ; 锚 固段 浆体一岩 体界 面 卜 的剪 力峰值 也小 于 拉 力集 中 型锚索 , 并沿 内锚 固段轴 向均匀分 布 ; 在 相 同条 件 下 , 压力 分散 型锚 索 比 拉力集 中型锚 索能提 供更 大的锚 固力 ; 适 当增 加承载 体 的数量是 提高 压 力分 散型 锚索 锚固 力 , 改善锚 固段 浆体受 力状态 的有 效途径 . 关键 词 预应力 锚索 ; 锚 固机 理 ; 数值模 拟 分 类号 T D 8 2 4 7 : T D 7 5 7 . 1 采 用预 应力锚 索主 动加 固岩 土工 程 , 具有 技 术先进 、 经济 合 理 、 安全可靠 等诸 多优 点 , 因而 在 边坡 、 基坑 、 堤坝 、 隧 道 、 水 电等 大量 岩土 工 程 中 得 到了 广泛 的应用 . 由于预 应力锚 索加 固工 程 多 为不 可见 的隐蔽性 工 程 , 且 预应 力锚索 的施工 工 艺较 复 杂 , 影响 锚 固效果 的 因素众 多 , 致 使 目前 关于 各类预应 力锚 索作用 机理 、 锚 固体 系与 围岩 的相 互作用 关系 、 影 响锚 固效果 的因 素 等研 究仍 处 于 理论 探讨 之 中 , 滞后 于工 程实 践〔 -14] . 传 统 拉 力集 中型 锚 索 的索 体 为 高 强度 低 松 弛光 面钢 绞线 , 索体 全长 被浆 体包 裹 , 自由段 的 充填 浆体可 认为 是不受 力 的 , 一 定的张 拉荷载 直 接作 用到 内锚 固段 浆体 上 , 是使 内锚 固段浆体 处 于 受拉状 态 的锚索 加 固形 式15] . 国 内应用 较 多 的压 力 分散 性 锚 索 的索 体 为 高 强 度低 松弛 P E 钢 绞线 , 索体全 长 也被 浆体 包 裹 , 但 其钢 绞线 与浆 体无 粘 结 , 比光 面钢 绞线 多 两层 防护 ( 第 1 层 为防腐 油 脂 ; 第 2 层为 P E , 即高 密度 聚 乙 稀材 料 ) , 钢绞 线 处于 自由伸缩 的受 拉 状态 , 将 压应 力分散施 加在 按一 定距离布 置 的若 干 承 载体上 , 是 使 内锚 固段 浆体处 于 受 压状态 的 锚索 加 固形式`6] . 收稿 日期 : 加 04 we 0 -6 15 修 回 日期 : 2 0 04 一 1 刁 5 基金项 目 : 国家基金 委创新群 体基 金 困认5 0 2 21 4 0 2) 和 教育 部 技术研 究重 大项 目基金伽 0 . 10 4 0 5) 作 者简 介 : 下 树 仁 ( 19 6 8一) , 男 , 博 士 研 究生 本 文 应 用 非 线 形 大 变 形 有 限 差 分 程 序 F L A C ZD 进 行拉 力集 中型 和压 力 分散 型两类 预应 力锚索 锚 固机 理 的数值模 拟研 究 , 以期得 出有价 值 的结论 , 更好地 服务 于现 场 工 程 实践 . 1 计 算原 理 及 力 学模 型 L l 计 算原理 在 预应 力锚索 锚 固体系 中 , 一般 认为钢 绞线 索体 只 能轴 向抗拉 , 不能 抗压 和承 受 弯矩 . 在 索 体强度 足够 大的情 况下 , 锚索 失效 可能 是 由于 索 体与浆 体 的接 触面 受剪破 坏 , 或是 浆体 与周 围岩 土体 的接触 面受剪 破坏 . 钢绞 线索 体 一 浆 体 一 岩 土体 理 想界 面 的剪 切特 性 是 通 过浆 体 的粘 聚 力 和 摩擦 特 性来体 现 的 . 图 1 为弹簧 一 滑 片 体锚 固 体系 力 学关 系 . 将 锚 索 单元 视 为理 想弹 塑 性材 料 , 采用 M o h r 曰C ou l om b 破 坏准 则 . 单位 长度 的锚 索在 浆 体 中 的最 大剪 力 是浆 体材 料 粘聚 力和摩 擦 力的 函 数 . 图 2 为浆 体材料 力 学特 性 曲线口, . 单 位 长度 锚 索 的剪 力与 浆 体 的变 形 刚 度有 关 , 即 : 只 了 = 人b LU ` 一 U m ) ( l ) 式 中 , 令 为单位 长度 锚索 承受 的剪 力 , 、 为浆体 的变 形 刚度 , cU 为锚 索轴 向位 移 , 呱 为锚 孔周 围 岩土 体 的轴 向位 移 , L 为锚 固长 度 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 03. 006

Vol27 No.3 王树仁等：拉力集中型与压力分散型预应力铺索锚固机理 ·279· 周围浆体 锚素轴向刚度 锚固结点 (a) 弹簧 m m 自由段 内锚固段 日m UW2摩擦器 24m 12m 浆体剪切刚度 浆体粘聚强度 图1预应力锚索锚固体系力学关系 Fig.1 Mechanical representation of fully bonded reinforcement 60m for the grout annulus of pre-stressed anchor cables 自由段 内锚固段 1/3F 1/3F 1/3F (a) 4m 4m 4m 图3压力分散型()和拉力集中型(b)预应力锚索力学模型图 Fig.3 Computing models of two types of pre-stressed anchor cables: (a)under dispersive pressure;(b)under concentrated tension 心 P×P 同.如图3b)将压力分散型预应力锚索的内锚固 段按等间距分成三个承载体，每个承载体上作用 有均布力，其等效集中力为总拉拔力的1/3，每一 个承载体及其相邻承载体间的锚固浆体作为一 个锚单元考虑，因此，共采用了三个锚单元来进 位移，4 行压力分散型预应力锚索内锚固段加载过程的 模拟. 1.3计算参数 图2浆体剪切强度准则()和浆体剪力与位移的关系曲线b) 参考相关资料，模拟计算采用的参数如下 Fig.2 Grout material bebavior for cable elements 锚索孔径150mm,锚索长度36m(自由段长 24m,内锚固段长12m):钢绞线弹性模量195 单位长度锚索在浆体中的最大剪力由下式 GPa,波松比0.25，屈服荷载1.85GPa. 确定： 气-C+R,Pag 锚固浆体弹性模量30GPa,波松比0.30，刚度 (2) 模量5.35GPa,切变模量0.42MPa. 式中，≥为单位长度锚索的最大剪力，C为浆体 锚孔周围介质为全风化泥岩，容重19kNm, 的粘聚强度，P为锚孔周围的环向有效压力，为 弹性模量3.2GPa,波松比0.30，粘聚力50kPa,内 浆体的内摩擦角，P为锚孔周长。 摩擦角19° 12力学模型 2模拟结果及分析 模拟拉力集中型预应力锚索锚固机理的平 面应变力学模型如图3(a)所示.计算模型长×宽= 2.1拉拔过程中锚固段浆体的受力状态分析 60m×30m,共划分1800个平面四边形单元.模型 在不施加围压的情况下，分别对拉力集中型 左侧自由（外锚头模拟混凝土垫墩的单元固定）， 和压力分散型的单根预应力锚索进行了拉拔模 右侧边界固定：模型上下边界施加垂直于锚索轴 拟实验，得出如下结果. 向的荷载，模拟不同围压的情况.本文主要研究 (1)锚固段浆体轴力的分布.由图4(a)可见， 锚索内错固段的力学特性，因此，在锚索的内锚 对拉力集中型锚索，当张拉荷载从自由段传递到 固段左端头施加轴向拉拔力实现对锚索的加载 内锚固段后，再通过浆体向周围岩体内部转移， 过程.压力分散型预应力锚索与拉力集中型预应 形成内锚固段的始端轴向拉力较大，并向末端迅 力锚索的主要差异在于内锚固段受力状态的不 速衰减的分布形式.由于轴向拉力沿内锚固段全

Vb LZ , N o 3 王树仁 等 : 拉 力集 中型 与压 力分散 型预 应 力锚索 锚 固机理 一 2 7 9 - 周 围浆体 锚索轴向刚度 锚固结点 弹簧 日 用 摩擦器 浆体剪切刚度 浆体粘聚强度 图 1 预应 力锚索锚 固体系 力学 关系 Fi g . l M e e h二 i c a l 作 pm e o at iot n o f fu ly b o o d e d er i n of 代 e m e . t of r th e g功 u t a n n u lu s o f P份 s t r . s s e d a . e h o r c a b les 自由段 内锚固段 2 4 m红厂刃 r ! ! ! ! ! ! ! ) 6 0 m (b ) 自由段 内锚固段 l /3F l /3 F 4 m 4 m 4 m a 卜ó7L 图 3 压 力分 散型 a( )和 拉 力集 中型 伪)预应 力锚 索 力学模型 图 F i g · 3 C o m P u U o g m o d e 肠 o f wt o yt p es of p er 一 s t溉 s de a . e h o r c a b les : ( a ) u n d e r d is P e sr i v e P er s s u碑 ; 伪 ) u n d e r e o n e e n tr a t e d et n s i o n 只 x IP 图 2 桨体 剪切 强度准 则 a() 和浆体 剪 力与位移 的关 系 曲线 助 月乡 Z G川 u t . a t州 a l b . h a对 o r of r ca 目 e 日恤 e。 朽 单位 长度 锚 索 在 浆 体 中 的最 大 剪 力 由下 式 确 定 : 缪 一 c +tP .P atn a 乙 ( 2 ) 式 中 , 譬为单 位长 度 锚索 的最 大 剪 力 , C, 为浆 体 的粘聚 强度 , cP 为锚 孔周 围的环 向有 效压 力 , 0为 浆 体 的 内摩擦 角 , lP 为锚 孔 周 长 . L Z 力学 模型 模 拟 拉 力 集 中型 预 应 力 锚 索 锚 固机 理 的平 面应 变 力学模型 如 图 3 (a) 所 示 . 计算 模 型长 x 宽 = 6 0 m ` 3 0 m , 共划 分 1 8 0 0 个平 面 四边形 单 元 . 模型 左 侧 自由 ( 外 锚头 模拟 混凝 土 垫 墩 的单 元 固定 ) , 右 侧边 界 固定 ; 模 型上 下边 界施 加垂 直于 锚索 轴 向的荷 载 , 模 拟 不 同 围压 的情 况 . 本 文主 要 研 究 锚 索 内锚 固段 的力学 特 性 , 因此 , 在 锚索 的 内锚 固 段左 端 头 施加 轴 向拉 拔 力 实现 对 锚 索 的 加载 过程 . 压 力分 散 型预应 力 锚索 与拉 力集 中型 预应 力锚 索 的主 要差 异 在 于 内锚 固段 受 力 状态 的不 同 . 如 图 3伪)将 压 力 分散 型 预应 力 锚索 的 内锚 固 段按 等 间距 分成 三个 承载 体 , 每个 承 载体 上作用 有均 布力 , 其等 效 集 中力 为总 拉拔 力 的 13/ , 每一 个 承 载 体 及其 相 邻 承 载 体 间 的锚 固浆 体 作 为一 个 锚 单元 考 虑 , 因此 , 共采 用 了三 个 锚单 元来 进 行 压 力 分 散型 预 应 力 锚 索 内锚 固段 加载 过 程 的 模拟 . L 3 计 算 参数 参 考 相 关资 料 , 模 拟 计算 采用 的参 数如 下 . 锚 索 孔径 巧 0 ~ , 锚 索 长度 36 m ( 自由段 长 2 4 m , 内锚 固段 长 12 m ) ; 钢 绞 线 弹 性模 量 195 GP a , 波松 比 .0 25 , 屈 服 荷载 l . 85 G P .a 锚 固浆体 弹性 模 量 30 G P a , 波 松 比 .0 30 , 刚度 模 量 5 . 35 GP a , 切 变 模 量 .0 42 M P a . 锚 孔周 围介 质 为全 风化 泥岩 , 容重 19 k N 1/ n 3 , 弹 性模 量 3 . 2 G P a , 波 松 比 .0 30 , 粘 聚 力 50 廿 a , 内 摩 擦 角 190 . 2 模 拟结 果 及 分 析 .2 1 拉 拔 过程 中锚 固段 浆体 的 受 力状 态分 析 在 不施 加 围压 的情 况 下 , 分 别对 拉 力集 中型 和压 力 分 散 型 的单 根 预 应 力锚 索 进 行 了拉拔 模 拟 实验 , 得 出如 下 结 果 . ( l) 锚 固段浆 体 轴 力 的分布 . 由 图 4( a) 可见 , 对 拉力集 中型锚 索 , 当 张拉荷载从 自由段 传递 到 内锚 固段后 , 再 通过 浆 体 向周 围岩 体 内部转 移 , 形成 内锚 固段 的始 端轴 向拉力较 大 , 并 向末 端迅 速 衰减 的分布 形式 . 由于轴 向拉力沿 内锚 固段全

·280 北京科技大学学报 2005年第3期 长并非均匀分布，而是在内锚固段的始端出现拉 (2)浆体与岩体界面的剪力分布.由图5(a)可 力严重集中现象，因而在该部位最易发生浆体拉 见，拉力集中型锚索的锚固浆体与岩土体界面的 裂破坏，导致锚索预应力损失或锚固失效 剪力，在内锚段的起始位置剪力较小，随着向锚 从图4b)可知，对压力分散型锚索，作用在每 固段末端推进，剪力在距起始端较近的一段距离 段锚固浆体上的轴力仅为拉力集中型锚索的 内迅速增大到峰值，之后呈指数规律缓慢衰减， 13,且浆体处于受压状态，能够充分利用浆体及 到一定距离后剪力递减为零，从图5b)可知，压 岩土等材料耐压怕拉的力学特性，因此压力分散 力分散型锚索锚固浆体与岩土体界面的剪力值 型锚索内锚固段浆体的受力效果要比拉力集中 较拉力集中型锚索小，而且剪力峰值与剪力均值 型锚索好，上述计算结果与文献[8]中实测的结 相差很小，能够沿内锚固段长度内均匀分布，可 果是一致的. 以充分发挥整个锚固浆体材料的抗剪作用， (b) 轴力蜂值1.3MN 轴力峰值0.43MN 图4锚索内锚固段浆体的轴力分布图.()拉力集中型；)压力分散型 Fig.4 Axial forces of two types pre-stressed anchor cables along the bonded sections:(a)under concentrated tension;(b)under dispersive pressure (a) (b) 剪力峰值0.13MN 剪力峰值0.11MN 图5锚索内锚固段浆体的剪力分布，©)拉力集中型：b)压力分散型 Fig.5 Shear forces of two types pre-stressed anchor cables along the grout annulus:(a)under concentrated tension;(b)under dispersive pressure 上述计算结果也得到了与文献[8]中实测结 展，这有利于调动更大范围岩体的强度 果一致的结论 (2)最小主应力的分布.如图7所示，压力分 22拉拔过程中锚孔周围岩体的受力状态分析 散型锚索在锚孔周围的受压区范围明显比拉力 (1)最大主应力的分布.如图6所示，压力分 集中型锚索的大，受拉区范围明显比拉力集中型 散型锚索在锚孔周围的受压区范围明显比拉力 锚索的小：垂直于锚索轴向的受压区应力值比拉 集中型锚索的大，最大拉应力集中区不只是局限 力集中型锚索的大，说明压力分散型锚索更能够 于锚固段浆体，而是沿锚索轴向向岩体深部扩 改善垂直于锚索轴向的岩体的受力状态， O一其t时E和0月营传立s 7一经n种两库0售n确产5 1,752+55 -1,25里+05 影。海艺+理 4。与白笔●4 一7：5里+4 ,54 1.5每事华通 2,50E+04 7,5绿E+日4 15◆ XX-stress eontours -1,75+a5 -1.25E+5 了，小绿#修线 名件补置车滑浦 -7,50E4 -2,50+84 1,58r+94 7,5E+4 图6锚孔周圈岩体的最大主应力分布图.(@)拉力集中型； 图7锚孔周圈岩体的最小主应力分布图.（®）拉力集中型： b)压力分散型 (b)压力分散型 Fig.6 Major principal stress of two types pre-stressed anchor Fig.7 Minor principal stress of two types pre-stressed anchor cables along the axial length:(a)under concentrated teasion; cables along the axial length:(a)under concentrated tension; (b)under dispersive pressure (b)under dispersive pressure

. 2 80 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 3 期 长 并非均 匀 分布 , 而 是在 内锚 固段 的始端 出现 拉 力严重 集中现象 , 因而在 该部位 最 易发 生浆 体拉 裂 破坏 , 导致 锚 索预 应 力损 失或 锚 固失 效 . 从 图 4伪) 可知 , 对压 力分 散型锚 索 , 作用 在每 段 锚 固 浆体 上 的 轴 力 仅 为 拉 力 集 中 型 锚 索 的 l 3/ , 且浆 体 处于 受 压状 态 , 能够 充分 利用 浆体 及 岩土等 材料 耐压 怕拉 的 力学特 性 , 因此 压力 分散 型锚 索 内锚 固段 浆体的受 力 效 果要 比 拉 力集 中 型锚 索好 . 上述 计 算结 果 与文 献 8[ 」中实测 的结 果是 一致 的 . (2 )浆体 与 岩体 界 面 的剪力 分布 . 由图 5( a) 可 见 , 拉 力集中型锚 索 的锚 固浆体与岩 土体 界面 的 剪 力 , 在 内锚 段 的起 始位 置 剪力较小 , 随着 向锚 固段末 端推进 , 剪力在 距起 始端 较近 的 一段距 离 内迅速 增 大到峰值 , 之 后呈 指数规 律缓 慢衰 减 , 到 一 定距 离后 剪力递减 为零 . 从 图 5助 可知 , 压 力分 散 型锚 索锚 固浆体 与 岩 土体 界 面 的剪力 值 较 拉力集 中型锚 索小 , 而 且剪 力峰值 与剪力均值 相差 很小 , 能够 沿 内锚 固段 长度 内均匀 分布 , 可 以充 分发 挥整 个锚 固浆 体材 料 的抗剪 作用 . 轴 力峰 值 I . 3 M N 轴 力 峰值 .0 43 M N 图 4 锚 索 内锚固段 桨体 的轴 力分布 图 . a( )拉力集 中型 ; 伪)压 力分散型 n .g 4 A血l fo 代es o f 幻胃 0 yt P . P民-s t月翻 . ed a . c 卜o r ca b俪 a lo 鳍 伪 e bo . d曰 , ce 肠。 “ : a( ) 二d e r co n沈川 , t曰 加 . is o n ;向 u . d e r 曲 P e“ 加 . P r吧日吕1比 剪力峰 值 0 . 13 州囚 剪 力峰值 .0 1 M N 图 5 锚 索 内锚 固段桨体 的剪力分布 . a() 拉 力集 中型 ; 向压力分 散型 n 乡 5 5卜ae r of r c e月 of wt o yt p es p比 . . lt限” de a n比 o r ca b l. 目。 . g t七e g or u t a n . u俪 : (a) u . 血 r e o皿 件 . 扮时目 et . ios . ; 向 u . d e r 曲 p e . i , e p r份 日U代 上述 计 算 结果 也得 到 了 与文献 〔8 1中实 测 结 展 , 这 有利 于 调动 更大 范 围岩 体 的强度 . 果一 致 的结论 . (2) 最 小主应 力 的分 布 . 如 图 7 所 示 , 压 力 分 .2 2 拉 拔 过程 中锚 孔 周 围岩体 的受 力状 态分 析 散 型锚 索 在 锚 孔 周 围的受 压 区 范 围 明显 比拉 力 ( l) 最大 主应 力 的分 布 . 如 图 6 所 示 , 压 力 分 集 中型锚 索 的大 , 受 拉 区范 围明显 比 拉力集 中型 散 型锚 索 在锚 孔 周 围 的受 压 区 范 围 明显 比 拉 力 锚索 的 小 ; 垂直 于锚索 轴 向的受压 区应 力值 比拉 集 中型锚索的 大 , 最 大拉 应力 集 中区不 只是 局 限 力集 中型 锚索 的大 , 说 明压 力 分散型锚 索更 能够 于锚 固段 浆 体 , 而 是 沿 锚 索轴 向 向岩 体 深 部扩 改善 垂 直于 锚索 轴 向 的岩体 的受力 状 态 . 圈 ` 锚 孔周 圈岩体的最 大主应 力分 布圈 . a( )拉 力集中型 ; 伪)压 力分散型 F i已 . ` M . 」or p血 d p . l ,坛目心 of 加 。 加. p 曰卜 , 扮” ,曰 a . 比。 .c b les al o . g ht . ” 加 , le n咖 : a( ) u . d e r c o . 勃加吸曰 et 二 ol n ; 助 二血 r 山衅几 iv e p r . s. u碑 圈 , 锚孔周 圈岩体 的最 小主应 力分布图 . a( )拉 力集中型 ; 向压力分 散型 川 .9 7 树 . or p血d P al s幻, ” of wt o yt P es P , 卜心 扮 . 漪 d a . e卜o r e a b l” . 10 . 9 t b e a 目 a l 】e . 砂七二 a( ) u . d e r c o n 晰atr t曰 et . , 1 0 . ; 助 u . d er d 如P e ” 加 . p出 su 民

Vol.27 No.3 王树仁等：拉力集中型与压力分散型预应力锚索锚固机理 ·281 (3)主应力差值的分布，主应力差值实际上反 锚索具有更好的柔性，更适用于软岩类边坡发生 映了剪应力的分布与变化情况.如图8所示，压 大变形情形下的加固 力分散型锚索在内锚固段调动深部岩体强度的 24承载体数量与锚固力的关系 范围大于拉力集中型锚索，而且剪应力沿锚固段 分别取承载体数量为2,3,4和5个，承载体 浆体分布较均匀：剪应力值比拉力集中型锚索的 间的间距均匀，锚固段长度为12m,锚索长度为 小，也没有出现明显的剪应力集中现象. 36m,围压为150kN情况进行模拟.由图10可见， 2.3锚索拉拔力与位移的关系 压力分散型锚索的锚固力随承载体数量的增加 两类预应力锚索的拉拔力与位移关系曲线 而显著增加.这主要是由于承载体数量增加后， 如图9所示.锚索屈服前拉拔力与位移基本成线 每个承载体所分担的压力相应减少，从而使浆体 性关系.对拉力型锚索，当拉拔力达到1.38MN、 达到屈服破坏的拉拔力提高，当承载体数量为2， 位移达到54mm时，锚固段浆体发生剪切破坏， 3,4,5个时，锚固浆体-岩体界面最大剪应力为 此后，随着拉拔位移的继续增加，锚索拉拔力保 262,114,102,98kN,表明承载体数量增加后，锚 持恒定；对压力分散型锚索，当拉拔力为1.56 索浆体-岩体界面上的剪力值也相应减小了，所 MN、位移达到84mm时，浆体受压发生屈服破 以增加承载体数量是提高压力分散型锚索锚固 坏，之后随着位移的继续增加，锚索拉拔力保持 力和改善其受力状态的有效途径 恒定， 3.0 在保持两类预应力锚索锚固段长度相等的 2.5 情况下，压力分散型锚索的最大拉拔力要高于拉 2.0 力集中型锚索，且压力分散型锚索较拉力集中型 R 1.5 。一2个 1.0 一3个 ◆一4个 1.5 一5个 0 0 50 100150 200250 位移，w/mm 图10不同承裁体数量时锚索拉拔力与位移的关系 2:00K+84 Fig.10 Relations of tensile force with displacement of several (b) +得正来维 pre-stressed anchor cables under dispersive pressure 目，他0配#44 直，结自45 1法积量◆市 3结论 图8锚孔周围岩体的剪应力分布图.（©）拉力集中型：心)压力 (1)压力分散型锚索锚固段浆体的轴力峰值 分散型 Fig.8 Shear stress of two types pre-stressed anchor cables along 仅为拉力集中型锚索的1(n为承载体的数量)， the axial length:(a)under concentrated tension;(b)under disper- 且浆体处于受压状态，这样能够充分利用浆体及 sive pressure 岩土等材料耐压的力学特性.因此，压力分散型 1.6 锚索内锚固段浆体的受力效果要好于拉力集中 1.4 型锚索 1.2 至10 (2)压力分散型锚索锚固段浆体-岩体界面上 的剪力峰值小于拉力集中型锚索，且剪力峰值与 。一拉力集中型 剪力均值差别很小，这样可以充分发挥整段锚固 0.4 ★一压力分散型 浆体材料的抗剪作用 0.2 (③)当在浆体强度和锚固段长度等条件相同 20 40 60 60 100 时，压力分散型锚索比拉力集中型锚索提供更大 位移，u/mm 的锚固力， 图9锚索拉拔力与位移的关系 (4)适当增加承载体的数量是提高压力分散 Fig.9 Relations of tensile force with displacement of two 型锚索锚固力，改善锚固段浆体受力状态的有效 types of pre-stressed anchor cables in the tensile test 途径

V b L2 7 N o J 王树 仁等 : 拉 力集 中型与 压 力分散 型预 应 力锚索 锚 固机理 (3 ) 主应 力 差值 的分 布 . 主应 力差 值 实际上 反 映 了剪 应 力 的分 布与 变 化情 况 . 如 图 8所 示 , 压 力分 散 型 锚 索在 内锚 固段 调 动 深部 岩 体 强度 的 范 围大 于 拉力 集 中型 锚索 , 而 且剪 应力 沿锚 固段 浆 体 分布 较均 匀 ; 剪应 力值 比拉力 集 中型锚 索 的 小 , 也没 有 出现 明显 的剪 应 力集 中现 象 . .2 3 锚 索拉 拔 力与 位移 的关 系 两 类 预应 力锚 索 的 拉拔 力 与 位 移 关 系 曲线 如 图 9 所 示 . 锚索 屈 服前 拉 拔 力与 位移 基本 成 线 性关 系 . 对 拉力 型锚 索 , 当 拉拔 力 达到 1 . 38 M N 、 位 移 达 到 54 r n 刃。 时 , 锚 固段 浆 体发 生 剪切 破 坏 , 此 后 , 随着拉 拔位 移 的 继续 增 加 , 锚 索拉 拔 力保 持 恒 定 : 对 压 力 分 散型 锚 索 , 当拉 拔 力 为 L 56 M N 、 位 移达 到 84 刃Qr n 时 , 浆 体 受 压发 生 屈 服 破 坏 , 之 后 随 着位 移 的继 续 增加 , 锚 索拉 拔 力保 持 恒 定 . 在 保 持两 类 预 应 力锚 索 锚 固段 长度 相 等 的 情况 下 , 压 力分 散型 锚索 的最 大 拉拔 力要 高于 拉 力集 中型 锚索 , 且压 力分 散型 锚索 较拉 力集 中 型 锚 索具 有更 好 的柔性 , 更适 用于 软岩 类边 坡发 生 大 变形 情 形 下 的加 固 . .2 4 承 载体 数 最 与锚 固 力的 关 系 分别 取承 载 体数 量 为 2 , 3 , 4 和 5 个 , 承 载 体 间 的间距 均 匀 , 锚 固段 长度 为 12 m , 锚索 长度 为 3 6 m , 围压 为 1 50 kN 情况 进行 模拟 . 由图 10 可 见 , 压 力 分 散 型锚 索 的锚 固 力 随承 载 体 数量 的增 加 而 显 著增 加 . 这 主 要 是 由于 承载 体数 量 增加 后 , 每个 承 载体 所分 担 的压 力相应 减 少 , 从而 使浆 体 达 到屈服 破坏 的 拉拔 力提 高 . 当承载 体数量 为 2 , 3 , 4 , 5 个 时 , 锚 固浆 体一岩 体 界 面最 大剪应 力为 2 6 2 , 1 14 , 10 2 , 9 8 k N , 表 明承 载体数量 增加 后 , 锚 索 浆 体一岩 体 界面 上 的剪 力 值也 相 应减 小 了 , 所 以增 加 承 载 体数 量 是 提 高压 力分 散 型锚 索 锚 固 力 和 改善 其 受力 状态 的有 效途 径 . 3 . 0 「一 一 — 一 . — 一 一一 一一 — 一一一 , 一一 目 门 0 50 10 0 位 移 , u/ m 芝、气只塌相之 、ùùn U 图 10 不同 承载体 数 l 时锚 索拉拔 力 与位移 的关 系 叭g · 10 eR l a it o n , of et n ,妞e fo cr e 初ht 曲P l a e e m e n t of s ve e ar l P n 卜 , ter , s de a n e b o r e a b l e s u . d e r d is p e sr iv e P哪 s u 代 图 8 锚 孔周 围岩体 的 剪应 力分布 图 . ( a) 拉力集 中型 ; 向压 力 分 散型 月 .9 8 5血ae r s t卿 , o f wt o yt P e s p r 吧. ,吮 , s e d a . e 卜o r e a b l e s a l o . g 山 e . 五 a l l e n gt h : a( ) u o d e r e o n e e n t r . et d 扭 n s io n : 伪) u n d e r d is p e -r S W e p r e , s u代 一~ 怪一 拉力集 中型 一刊卜~ 压力分散型 0 . ` es 一一一 - - - ` ~ - 一- - 一 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 位移 , u/ r n r D 图 9 锚 索拉拔 力与位 移 的关 系 F ig . g eR 恤枷 n s O f te n . il e of rt 杭t血曲 p l a c e . e nt of 七胃 0 钾p 胎 o f P卜 , 扮韶 , e d a n 比 o r e a b les 加 t h e et . s亚 t e , t 3 结 论 ( l) 压 力 分 散型 锚 索 锚 固段 浆 体 的轴 力 峰值 仅 为拉 力 集 中型 锚 索 的 1n/ ( n 为承 载 体 的数 量 ) , 且浆体 处于 受 压状态 , 这样 能够 充分 利 用浆 体及 岩 土 等材 料 耐压 的力学 特 性 . 因此 , 压 力分散型 锚 索 内锚 固段 浆 体 的 受 力效 果 要 好 于 拉力 集 中 型锚 索 . (2 ) 压 力 分散型 锚索锚 固段浆 体一岩体 界面上 的剪 力 峰值 小于 拉力 集 中型锚 索 , 且剪 力 峰值与 剪力 均值 差 别很 小 , 这样 可 以充分 发挥 整 段锚 固 浆体 材料 的抗 剪作 用 . (3 ) 当在 浆 体 强度 和锚 固段 长 度 等 条件相 同 时 , 压 力 分散 型锚 索 比拉力 集 中型锚 索提 供更 大 的锚 固力 . (4 )适 当 增 加承 载 体 的数 量是 提 高压 力 分 散 型锚 索锚 固力 , 改善 锚 固段浆体受 力状 态 的有 效 途径 . OR ù尹04 一, , 几 n八óUO 只华翔之芝、气

·282· 北京科技大学学报 2005年第3期 参考文献 [)蒋忠信.拉力型锚素锚固段剪应力分布的高斯曲线模式 岩土工程学报，2001,23(6)：6% [】何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学.北京：科学出版 [(仇建辉，警小荐，压力分散型锚索在长滩河大坝基础处理 社，2002 上的应用.广西水利水电，2000(4)：22 [2]程良重，岩土锚固的现状与发展.土木工程学报，2001,34 [7]FLAC2D(3.3)User's Manual.Minesota:Itasca Consulting Group (37 nc,1996 [3]张哈旭.关于预应力锚索加固效应研究的几点看法.河海 [⑧)田裕甲，压力分散型锚索与拉力型锚素的比较.岩土锚固 大学学报，1999,27(4：93 2002,32(3:32 [)徐年丰，陈胜宏.我国岩土预应力锚索加固技术的发展与 存在的问题.水利水电快报，2001,22(10：20 Anchoring mechanism of prestressed anchor cables under concentrated tension and dispersive pressure WANG Shuren,HE Manchao,JIN Yongjun 1)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Geotechnique Institute,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China 3)Geotechnique Institute,China University of Geosciences,Beijing 100083,China ABSTRACT The anchoring mechanism of a Pre-stressed Anchor Cable under Dispersive Pressure (PACDP)was studied with FLAC software.Compared with a Pre-stressed Anchor Cable under Concentrated Tension(PACCT), the PACDP has several advantages and is more suitable for supporting soft rock with large deformation.The peak value of axial stress of the PACDP is only 1/n of that of the PACCT,where n is the number of supporters and the grouted part is in compression.The peak value of shear stress between the grouted part and the drilling wall of the PACDP is also smaller than that of PACCT and evenly distributed along the axis of the anchor.The PACDP can pro- vide a larger anchoring force than the PACCT.It is concluded that pre-stressed anchoring under dispersive pressure is an effective way to enhance the anchoring force and improve the mechanical conditions by suitably increasing the number of grouted parts. KEY WORDS pre-stressed anchor cable;anchoring mechanism;numerical simulation

8 北 京 科 技 大 学 学 报 22 5 年 第 期 3 0 2 今 考 文 献 【 何满湖 ] 1 , 景海河 , 孙 晓明 . 软岩工程 力学 北 京 : 科学 出版 社 , 2 0 2 12 程 良奎 . 岩 土锚 固的现状 与 发展 . 土木 工程学报 , 20 01 , 34 (3 ) : 7 13 ] 张晗 旭 . 关于 预应力 锚索加 固效应 研究 的几 点看法 . 河 海 大学学报 , 19 9 , 2 7 (4 ) : 9 3 4[] 徐年 丰 , 陈胜 宏 . 我 国岩 土预 应力锚 索加固技术的发展 与 存 在的问题 . 水利水 电快报 , 2 0 1 , 22 ( xo ) : 加 5[ ] 蒋 忠信 . 拉 力型锚 索锚 固段剪应 力分布的高斯 曲线模式 . 岩土工程 学报 , 20 01 , 23 (6 ) : 6 % le 仇 建辉 , 黎 小春 . 压力 分散型锚 索 在长滩河大坝 墓础 处理 上的应用 . 广西水 利水电 , 2 0 叹4) : 2 [刀 F LA C Z以3 . 3) U s e犷5 M an . 目 . M 知es oat :比` 叨 C o ns u 】t访9 G or u p 肠c , 19 6 8[ 】田裕 甲 . 压力分 散型锚 索与 拉力型锚索的 比较 . 岩 土锚 固 , 2以 )2 , 32 ( 3 ) : 3 2 冉刀e h o ir n g m e e h an i s m o f P r e s etr s s e d an hc or e ab l e s un d er e on e e n tr a t e d ent s ion a n d id sP e r s iV e Per s s uer 砰%刃G hs u 陀n’), H E aM ” e ha o劫 气刀万 oY构盯 u砂 l) C iv il an d EOv如 . . e ln川 E鸣加 e 山唱 S c h o L U in v e sr iyt of cs i e cn e an d eT c bn 0哪1 岁 Biej in乐 B iej 吨 10 0 0 83 , C h 恤a 2) G的伽肠q p. h . 均比肠 , C h 如以 U in v ers 沁 of M如如g 助d 毛邻恤 0 】0 留) 取ij 吨 10 0 0 83 , C加恤a 3) G eO 扭沁俪q娜 肠峨如加 , C h 初以 nU l v 曰 sr iyt of G冶O CS i e o c七 s , B呵吨 l 以沁 8 3 , C h让旧 A B S T RA C r Tb e an c h o inr g me c 加功i sm of a P er . str 。韶de 八刀 e h o r C ab le un d e r 压s eP sr ive Per s uer (PA C DP ) w as s加dI i e d 初ht F L A C so 几w aer . C o m Par e d 侧ht a rP O . s tr e s de 冉刀 c h or C ab le un d e r C o n c e n 坛 at e d eT ns ion (PA C C )T , het 队CDP h as s ve e n d a d y 越山堪 e s an d is 幻。 o r e s ul 加由l e for s uP op rt in g so ft ocr k iw ht l田名e de fo n n at i o n . Th e ep ak v al 讹 o f iax ia s七℃5 5 o f het n AC D P 1 5 oul y l ln o f t h at o f het PAC C T, w h e r e n i s het 翻山 . b er o f s UP op rt e sr an d het 脚以。 d Part is in c o m Pr e s ia 叻 . Th e eP ak v a l u e of s h e ar s tr e s be Wt e en het gr O u1比 d p art an d het 面 U ign w a ll of het P AC D P 15 ia os sm al er ht an t h at of P AC C T an d ve e川 y id s州 b uet d ia on g het 翻 5 of het acn h o .r Th e P AC D P c an Por - vi 业 a l吨 e r an e h o ir gn of cer ht an het PAC C.T R is c con ldu e d ht a t Per . s七七 s s de an c h丽 gn un d er id s pe 招 Iv e P r e s s ur e 15 an e反 c石ve w即 ot 。山 an c e het an c h o inr g of r c e an d如 Pr o v e het m e e抽画喇 c on diit osn by s ul 切 bI妙运“ e as 吨 ht e n . m b e r of g or 以。 d P越 st . K E V WO R D S Pr e . s tr e sse d 田 cI ho r c曲 ;le an e h o inr g me e ha 面 sm ; 叮切 m川 c al s如 ul iat o n