CN103336905A - 一种基于弹性地基梁理论的隧道锁脚锚杆受力测量方法 - Google Patents
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Description
一、技术领域:
本发明涉及一种基于弹性地基梁理论的隧道锁脚锚杆受力测量方法。
二、背景技术:
锁脚锚杆主要用于采用台阶法开挖,先拱后墙法支护的Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道。隧道上断面开挖支护完成后,基底软化和下断面开挖会引起上断面初期支护下沉或悬空。因此,下断面开挖前,在拱脚处斜向下打入1~3排锚杆,并将锚杆的端头与钢架焊接牢固,以增加隧道的整体性和承载能力。
尽管目前锁脚锚杆在软弱地层隧道中已经应用的非常普遍,但涉及隧道锁脚锚杆力学计算的内容很少,大多数的分析计算都是根据施工经验和有限元数值模拟,而且大多数有限元数值模拟计算都是将砂浆锚杆的相关理论应用到锁脚锚杆,简单的认为锁脚锚杆和砂浆锚杆的作用一样,都是靠约束围岩变形发挥作用。然而,软弱围岩隧道钢架支护条件下,3-5m长的系统锚杆受力都比较小,拱部甚至受压,其约束围岩变形的能力有限。如果简单的认为锁脚锚杆也是靠约束围岩变形来发挥作用,那和实际情况将不符。因为工程现场实测发现锁脚锚杆的受力一般都比较大,这说明锁脚锚杆主要发挥约束钢架变形的作用。由于对锁脚锚杆的作用原理和荷载传递机理认识不到位必然导致计算结果和实际相差较大,甚至出现错误。因此,采用砂浆锚杆的理论计算得到的结果,必然与实际不符。
三、发明内容:
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处,提供一种基于弹性地基梁理论的隧道锁脚锚杆受力测量方法,该方法简单、方便,可得到准确的隧道锁脚锚杆受力的结果。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为 :一种基于弹性地基梁理论的隧道锁脚锚杆受力测量方法,其特征在于:采用弹性地基梁理论,根据梁的挠曲线近似微分方程 (式中为锚杆体的弹性模量,为弹性体横截面的惯性矩)和级数解法,并利用边界条件分析出锁脚锚杆的受力分布规律,通过在现场对锁脚锚杆轴向应变和钢架应力进行测量,将测量数据应用到基于弹性地基梁理论分析的锁脚锚杆受力规律中即可得到其受力特征。
所述的边界条件为:
所述的锁脚锚杆所承的受荷载由钢架施加的作用力和围岩对锁脚锚杆的作用力由两部分组成,钢架施加的作用力包括锁脚锚杆端头的竖向压力,水平推力及弯矩作用,围岩对锁脚锚杆的作用力包括围岩与锚杆侧壁挤压产生的沿锚杆横向的支撑力、锚杆与围岩相对滑移产生的摩阻力及因锚杆尾端作用于围岩产生的沿锚杆轴向的端部反作用力。
与现有技术相比,本发明具有的优点和效果如下:在发明在简单分析隧道锁脚锚杆力学作用原理的基础上,提出了隧道锁脚锚杆力学分析模型,采用弹性地基梁理论,分析了隧道锁脚锚杆力学特性,并结合工程实例,将应用本发明方法测得的结果与现场实测数据进行对比,验证了本发明测量方法的正确性。利用此方法得到的结果比较符合锁脚锚杆的实际受力情况。
四、附图说明:
图1是锁脚锚杆受力图;
图2是锁脚锚杆受力分解图;
图3是锁脚锚杆在端头剪力和弯矩作用下的受力分析图;
图4是锁脚锚杆在端头轴向拉力作用下的受力分析图;
图5是锁脚锚杆在端头轴向压力作用下的受力分析图
图6是基于弹性地基梁的压杆模型图;
图7是锁脚锚杆不同深度处应力时态曲线图;
图8是钢架内外侧应力时态曲线图;
图9是锚杆体弯矩分布图;
图10是计算和实测锚杆应变对比图。
五、具体实施方式:
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明进行详细说明。
采用弹性地基梁理论,根据梁的挠曲线近似微分方程(式中为锚杆体的弹性模量,为弹性体横截面的惯性矩)和级数解法,利用边界条件和锚杆端头的受力,可得到锁脚锚杆的受力分布情况。将测量的隧道初期支护钢架应力和锁脚锚杆轴向应变应用到锁脚锚杆的受力分布情况中,可得到锁脚锚杆任意位置的受力。
所述的锁脚锚杆所承的受荷载由钢架施加的作用力和围岩对锁脚锚杆的作用力由两部分组成,钢架施加的作用力包括锁脚锚杆端头的竖向压力,水平推力及弯矩作用,围岩对锁脚锚杆的作用力包括围岩与锚杆侧壁挤压产生的沿锚杆横向的支撑力、锚杆与围岩相对滑移产生的摩阻力及因锚杆尾端作用于围岩产生的沿锚杆轴向的端部反作用力。
具体步骤如下,锁脚锚杆采用全长粘结型灌浆锚杆,端头与钢架焊接,杆体插入预先钻好的孔内,并用锚固剂填充密实。假设焊接点为刚节点,且位于孔口位置,灌浆体密实。如图1所示,设钻孔直径为D,锚杆直径为d,以锚杆端口为中心建立水平坐标系xoy,锚杆的水平夹角为,锚杆端头受钢架拱脚处的轴力、弯矩和剪力,轴力的水平夹角为。
(1)
(2)
3.1 锁脚锚杆端头受剪力和弯矩作用分析
当锚杆体在外荷载作用下发生挠曲时,在每一点处,连续分布的反力与该点的竖向变形成正比,设比例常数为围岩的压缩模量K,所以每一点处的应力为Ey,锚杆体直径为D,则反力应为KDy。运用梁的微分方程式:
采用级数解法。设方程的解为:
那么,可得到:
由原微分方程式(3)可得到:
展开后为如下恒等式:
比较等式两边的同次幂系数可得:
,
(13)
(13)
于是,方程的解为:
(14)
利用锚杆体端部边界条件:
将锚杆体端部边界条件代入式(15)可得:
所以有:
那么,方程可用下式表示:
(20)
所以:
因为:
所以:
因为:
所以:
(23)
通过上述推证,我们得到了埋置在围岩中锚杆体的竖向变形y,转角,弯矩,剪力的表达式,他们都是的函数,但是其中参数、还是未知的。所以,我们利用锚杆体尾端的边界条件进行推证。一般条件下,埋置在围岩中的锚杆体,其尾端的变形和转角都很小,可以忽略不计。作用在结构体尾端部的剪力值也很小,也可忽略不计,所以有条件:
求解后得:
根据位移互等定理,有:
式中:
那么(26)、(27)式可写成如下形式:
将(28)(29)式代入(20)~(23)式得:
通过计算可以看出锚杆体产生弯矩,根据材料力学理论,必然有一侧受压,另一侧受拉。我们认为锚杆体中灌浆体承受压应力,锚杆承受拉应力。根据锚杆体的弯矩可以推算出锚杆产生的拉应变。
3.2 锁脚锚杆端头受轴力作用分析
假设围岩和水泥砂浆都为弹性材料,钢筋和水泥砂浆的粘结力高于围岩和水泥砂浆的粘结力,可按全长注浆锚杆粘结应力进行分析。这里关心的是锚杆体的极限拉力和极限压力,因为一旦锚杆体的拉力和压力过大,超过围岩和水泥砂浆的极限粘结应力,锚杆体就会发生破坏。因此,这里只计算锚杆的极限拉力或压力。
当轴力为拉力,且<,则锚杆体承受围岩给它的摩擦力,处于平衡状态;当轴力为拉力,且>,则锚杆体被拔出破坏;当轴力为压力,且<,则锚杆体承受围岩给它的摩擦力,处于平衡状态;当轴力为压力,且>,则锚杆体和围岩之间开裂,锚杆体端头提供反作用力,锚杆体的稳定为压杆稳定问题。
本发明的有益效果是,可以利用钢架拱脚作用力计算隧道锁脚锚杆受力,采用弹性地基梁理论,克服了以往对锁脚锚杆(管)的作用原理和荷载传递机理认识不到位的不足,且能方便的测量出比较符合实际的锁脚锚杆的受力情况。
实施例
以某高速公路Ⅳ级围岩段钢架内外侧应力和锁脚锚杆应力测试结果为例,应用锁脚锚杆力学计算公式进行计算分析。该隧道采用三台阶法施工,先开挖上台阶,再开挖中台阶左侧、右侧,最后开挖下台阶和仰拱。现场选取典型断面埋设测试原件,采用钢弦式表面应变计测量钢架内力,采用钢弦式锚杆测力计测量锚杆轴向应力。
以断面YK152+469为例进行分析,取上台阶开挖后左侧的锁脚锚杆轴向应力测试数据,不同深度处轴向应力时态曲线如图7所示。取与锁脚锚杆连接位置处的钢架应力测试数据,钢架内外侧应力时态曲线如图8所示。
分析中台阶开挖后到下台阶开挖前的锚杆和钢架应力,钢架内外侧应力和不同深度处锚杆的轴向应力见表1所列。
由于中台阶开挖后钢架上的应力开始由锁脚锚杆承担,在下台阶开挖前锁脚锚杆承担全部钢架应力。因此,取下台阶开挖前(4月14日)的测试数据进行分析计算。上台阶开挖后,钢架拱脚置于土体的垫片上,可以自由转动,可认为该处的弯矩=0。根据钢架内外侧应力测试结果可得轴力=201.57kN,根据钢架受力特点可推算剪力=37.12kN。
锚杆体的直径D取钻孔直径0.042m,锚杆直径d=0.022m,锚杆的弹性模量取210GPa,砂浆的弹性模量取15 GPa,根据等效换算法得锚杆体弹性模量=68.5 GPa。围岩的弹性模量=7 GPa,泊松比=0.4。围岩和水泥砂浆的极限粘结强度=0.9 MPa。由公式(35)可以得到锚杆体的极限拉力或压力=90.3 kN。
根据图9锚杆体的弯矩可以推算出锚杆产生的拉应变,并和实测锚杆应变进行对比,如图10所示。
由图10可以看出:计算和实测锚杆都产生拉应变,说明锚杆体受弯;在0.6m位置处,计算值大于实测值,这是由于计算值考虑的是理想状态,导致计算值偏大。在其余位置处,锚杆应变计算值和实测值相差不大。实测值和计算值规律一致,在距离孔口0.6m位置处锚杆应变最大,随着距离孔口的长度增大,锚杆拉应变逐渐变小。
Claims (3)
3.根据权利要求1或2所述的一种基于弹性地基梁理论的隧道锁脚锚杆受力测量方法,其特征在于:所述的锁脚锚杆所承的受荷载由钢架施加的作用力和围岩对锁脚锚杆的作用力由两部分组成,钢架施加的作用力包括锁脚锚杆端头的竖向压力,水平推力及弯矩作用,围岩对锁脚锚杆的作用力包括围岩与锚杆侧壁挤压产生的沿锚杆横向的支撑力、锚杆与围岩相对滑移产生的摩阻力及因锚杆尾端作用于围岩产生的沿锚杆轴向的端部反作用力。
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