摘要：利用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)全長粘結(jié)錨桿在上拔力作用下的錨固效應(yīng)進(jìn)行模擬，利用SPRING彈簧單元模擬錨桿、砂漿及巖體之間的接觸關(guān)系。結(jié)果顯示，錨桿應(yīng)力分布曲線與理論結(jié)果吻合良好，證明SPRING單元能較為準(zhǔn)確的反映全長粘結(jié)錨桿的錨固效應(yīng)。將該種錨桿應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡加固工程，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算加固后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，錨固前后，安全系數(shù)從1.3增加至1.7，錨固效果明顯。
1引言
目前錨桿錨固技術(shù)的應(yīng)用已越來越廣泛，成為在巖土工程中的一門重要技術(shù)。自20世紀(jì)70年代以來，眾多學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段對(duì)錨桿的錨固效應(yīng)進(jìn)行研究[1-4]，并得出了很多重要成果。其中尤春安[5]利用Mindlin問題的位移解導(dǎo)出全長粘結(jié)式錨桿受力的彈性解，并討論了這種錨桿的受力特征及其影響因數(shù)，促進(jìn)了錨桿的理論研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法研究錨桿的錨固效應(yīng)顯現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。戰(zhàn)玉寶等[6]采用數(shù)值模擬方法，利用實(shí)體單元模擬錨桿，分析了全長粘結(jié)錨桿在荷載作用下錨桿的剪應(yīng)力分布規(guī)律。
本論文采用大型通用有限元軟件ABAQUS模擬研究了錨桿在拉拔力作用下的的受力狀態(tài)，采用采用SPRING單元模擬錨桿、砂漿與巖體之間的軸向和切向接觸關(guān)系，得出了拉拔試驗(yàn)的錨桿應(yīng)力分布曲線和端部的荷載位移曲線，模擬結(jié)果與實(shí)際吻合良好。進(jìn)而將該成果應(yīng)用與巖質(zhì)邊坡的加固工程實(shí)例[4]，錨固效應(yīng)明顯。
2錨桿拉拔模型參數(shù)
試件模型采用邊長1000mm的立方體，在立方體中心設(shè)置錨桿。錨桿和砂漿直徑分別為24mm和30mm，錨固深度為500mm。將錨桿和砂漿作為錨固體采用錨桿單元模擬，巖體采用空間八節(jié)點(diǎn)六面體單元，采用SPRING單元模擬錨固體與巖體之間的剪切變形。
將錨固體的每個(gè)結(jié)點(diǎn)分別在三個(gè)坐標(biāo)方向上與巖體結(jié)點(diǎn)設(shè)置彈簧單元，其中沿著錨桿縱向的彈簧剛度為Ks，模擬全長砂漿錨桿與周圍巖體的剪切特性，其余兩方向彈簧剛度設(shè)為Kn，模擬接觸面間的法向硬接觸。為保證錨桿不發(fā)生剛體位移，Kn遠(yuǎn)大于Ks。
3數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析
試驗(yàn)采用位移加載方式對(duì)全長粘結(jié)錨桿施加上拔力。
文獻(xiàn)[3]利用錨桿中加應(yīng)變片的方法測(cè)得了在拉拔力作用下，錨桿的軸向拉力和剪切應(yīng)力分布曲線，本文將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)得到的結(jié)果及理論解相比較[3]，曲線變化趨勢(shì)吻合良好。
4巖質(zhì)邊坡支護(hù)中的應(yīng)用
選取帶有一組節(jié)理的巖質(zhì)邊坡，將本論文的錨桿建模方法應(yīng)用于邊坡加固，計(jì)算分析在重力作用下邊坡的錨固效應(yīng)。邊坡由一次性開挖形成，其幾何尺寸和力學(xué)參數(shù)由SharmaKG在文獻(xiàn)[4]中得來，節(jié)理以1米為間距均勻分布，與水平面的夾角為52.5°。錨桿等間距、平行錨固于邊坡，定義錨桿軸線與節(jié)理組的夾角為錨固角θ，節(jié)理邊坡的幾何尺寸。錨桿長30m，直徑直徑0.4m。
本文根據(jù)強(qiáng)度折減法原理，通過降低結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，使邊坡在重力作用下失穩(wěn)，有限元計(jì)算將不收斂，此時(shí)的折減系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。圖5為未加錨桿和加四根錨桿（錨固角度θ=90°）后，邊坡最大塑性應(yīng)變的分布云圖對(duì)比。未錨固時(shí)，邊坡塑性區(qū)形成滑動(dòng)面呈50°左右，基本與節(jié)理面平行；用錨桿錨固后，塑性區(qū)只在坡腳產(chǎn)生，說明錨固效應(yīng)顯著。
未加錨桿、加4根錨桿和8根錨桿三組情況下，坡面上A、B、C三點(diǎn)的折減系數(shù)隨水平位移的發(fā)展趨勢(shì)。錨固后，邊坡安全系數(shù)由1.3分別增加至1.6和1.7，錨固效果顯著。
5結(jié)論
本文通過有限元軟件ABAQUS，利用SPRING彈簧單元模擬錨固體與巖體之間的接觸關(guān)系，較為準(zhǔn)確的模擬出錨桿在上拔力作用下的受力狀態(tài)。錨桿的軸向拉力和剪切力分布曲線與基于Mindlin問題推導(dǎo)出的理論解曲線均吻合的很好，證明用彈簧單元可以有效地模擬錨桿與巖體之間的剪切關(guān)系。將該種方法的錨桿應(yīng)用于節(jié)理巖體邊坡加固工程，錨固效果明顯。
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