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