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探究粘结式锚固系统荷载传递机理、应力分布及演化规律

2020-07-04 379 上传者：管理员

摘要：锚固技术广泛应用于工程支护领域。文中通过建立粘结式锚杆系统有限元数值模型，探讨了粘结式锚固系统荷载传递机理、应力分布及演化规律。研究表明，（1）锚固界面剪应力先增加后呈负指数递减；（2）轴向应力也呈现负指数递减规律；（3）锚固体界面剪应力主要分布在锚杆前端，并且呈现先增加再减小的规律。

关键词：
有限元
流变学
粘结式锚杆
锚固机理
锚固界面剪应力
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1、引言

锚固系统主要由锚杆、注浆材料、岩体及粘结剂等组成。除杆体力学特性较简单外，注浆材料和岩体等材料均具有复杂的力学特性，各介质之间相互作用及荷载传递机理、应力分布及演化规律非常复杂。

国内外学者开展了许多研究工作。黄明华[1]等通过建立非线性剪切滑移模型，获得锚固段轴力和剪应力解析解，发现剪应力峰值点。Farmer[2]以弹性假设推导出一维情况下剪应力沿着锚固段呈负指数分布。黄生根[3]等通过建立颗粒流数值模型，分析了锚固系统细观力学特性。张季如[4]等，通过假定界面剪应力与位移呈线性关系，建立了荷载双曲线模型。叶根飞[5]等通过实验，研究了应力沿界面长度分布规律。但是考虑岩土体剪胀效应及粘结剂与岩体界面作用的研究还较少。本文通过设置界面层单元，利用ANSYS建立有限元模型，探讨粘结式锚固系统荷载传递机理。

2、粘锚力计算

假设杆体与钻孔间的间隙为定值，则剪应力同杆体与孔壁间相对位移成正比，则x点处的粘结力[5]:

式中：ε（x）为x点处拉应变；K为刚度系数；B为间隙宽；l为锚固长度。轴力：

3、数值分析

3.1几何模型

建立轴对称模型，如图1所示。围岩外施加x方向约束，底部施加y方向约束。岩体、灌浆体采用弹塑性模型，锚杆采用线性弹性模型。岩体、注浆体和界面层采用实体单元plane42单元。杆体直径20mm，锚固长度1000mm，灌浆体直径40mm，界面层厚度2mm，深度1500mm，模型围岩直径1000mm。

图1划分网格后的有限元模型

3.2定义属性

岩体与粘结剂选择Drucker-Prager本构模型。锚杆材料为线弹性材料，采用Mises模型。屈服准则D-P:

式中：I1,J2分别为力张量的第一、第二不变量；α、k是与材料性质有关的参数。锚杆、界面层、注浆体、岩体的材料属性如表1所示。

表1材料属性表

4、计算及分析

（1）施加25KN、50KN、140KN的载荷，结果如图2所示。剪应力呈现非线性分布，沿锚固方向先增加，后逐渐减小，达到峰值后成负指数递减。轴向应力随载荷的增加而增大，也呈现负指数递减的规律。

图2剪应力与轴应力演化曲线

（2）建立锚固长度分别为0.5m、0.8m和1m的模型，施加10KN、35KN和50KN集中载荷，结果如图3所示。当长度为0.5m时，有效锚固长度占总长度比重较大，锚杆得到有效利用。长度为0.8m和1.0m时，随着荷载的增加，剪应力分布逐渐向深部扩展。只是荷载向深部传递的速度不是很快。并没有明显增加有效的锚固长度。因此，当锚固长度较小时，适当增加锚固长度能够增大锚固力；当锚固长度比较大时，单纯的增加锚固长度对提高锚固力贡献不大。

图3不同锚固长度下剪应力图（50KN)

5、结论

拉拔状态下锚固体界面剪应力呈现非线性分布，先增加后呈负指数递减。荷载越大，峰值剪应力越大，扩散的距离越远。轴向应力也近似呈现负指数递减的规律。

锚固长度相对比较短时，有效锚固长度占整个锚固长度比重较大，此时，适当增加锚固长度能够增大锚固力；但当锚固长度比较大时，可以通过提高前端粘结性能提高锚固能力。

参考文献:

[1]黄明华,周智,欧进萍.全长黏结式锚杆锚固段荷载传递机制非线性分析[J].岩石力学与工程学报,2014,033(0z2):3992-3997.

[3]黄生根,庞德聪,吴明磊.锚固结构荷载传递机理离散元模拟研究[J].铁道工程学报,2020,37(01):12-17.

[4]张季如,唐保付.锚杆荷载传递机理分析的双曲函数模型[J].岩土工程学报,2002(02):188-192.

[5]叶根飞.岩土锚固荷载传递规律与锚固特性试验研究[D].西安:西安科技大学,2012.

张守文.粘结式锚杆锚固机理数值模拟研究[J].江西建材,2020(06):38-39.