CN111062087A - 地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法 - Google Patents

地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其包括获取地下工程处围岩的围岩参数；选取锚固件的类型及锚固件的直径和预应力；建立地下工程的三维模型；采用数值仿真软件模拟地下工程开挖，得到施加不同主动支护力后任一围岩深度下，同一径向上任意围岩深度某点的位移和洞周围岩某点的位移；计算任意围岩深度处的位移差/位移梯度；绘制同一主动支护力下洞周围岩位移差或位移梯度变化曲线；选取每条位移差/位移梯度变化曲线中位移差/位移梯度小于且无限接近锚固件的极限伸长量/极限延伸率的围岩深度作为锚固件长度；在所有锚固件长度中，选取满足最小成本原则的锚固件长度作为锚固件的设计长度。

Description

地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法
技术领域
本发明涉及地下工程中锚固结构，具体涉及一种地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法。
背景技术
地下工程中传统的锚固设计方法来源于规范中的设计参考，而相关规范中关于锚杆(索)长度的取值大多依据工程经验，尚无明确的试验方法或是计算公式，导致锚杆(索)长度确定缺乏有效的设计指导。而实际上，在隧道施工过程中，表征锚杆(索)支护施工效率最关键的因素之一是钻孔时间，钻孔时间与钻孔深度不是简单的正比例关系；大量的现场实验发现，锚杆(索)的钻孔时间对钻孔深度有特定的敏感区段，在孔深5m以内，钻孔时间稳定在20～30min，当孔深超过5m以后，尤其是7m后，钻孔效率显著降低，成型不理想；所以在地下工程中，锚杆(索)长度的合理设计对于隧道施工的重要性不容小觑，合理的锚杆(索)长度能够加快锚杆(索)支护施工效率，降低造价。但截至目前，对于锚杆(索)长度究竟如何确定，并无明确的方法。
发明内容
本发明针对目前锚固件长度设计的不足，提供一种地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，以解决现有技术中依赖经验选取锚固件长度造成支护施工效率低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其包括：
采用数值仿真或模型试验的方法获得地下工程处围岩的围岩参数；选取锚固件的类型，并根据锚固件类型和相应标准选取锚固件的直径和预应力；
根据地下工程的围岩参数，建立地下工程的三维模型；
采用数值仿真软件模拟地下工程开挖，得到施加不同主动支护力后任一围岩深度下，同一径向上任意围岩深度某点的位移和洞周围岩某点的位移；
根据同一径向上任意围岩深度某点的位移和洞周围岩某点的位移，计算任意围岩深度处的位移差/位移梯度；
根据同一主动支护力下的所有位移差/位移梯度，绘制同一主动支护力下洞周围岩位移差或者位移梯度变化曲线；
选取每条位移差/位移梯度变化曲线中位移差/位移梯度小于且无限接近锚固件的极限伸长量/极限延伸率的围岩深度作为锚固件长度；
在所有锚固件长度中，选取满足施加支护力和生产锚固件的最小成本原则的锚固件长度作为锚固件的设计长度。
本发明的有益效果为：与现有规范给定的采用工程类比法的经验设计方法相比，本方案通过模型试验或数值仿真结合位移差/梯度与锚固件材料极限伸长量、极限延伸率以及支护成本的综合考虑，可以确定出锚固件设计长度的最优取值。
通过确定的最优的设计长度，在施工过程中可以加工合适长度的锚固件钻孔，以提高支护施工效率；由于在选取锚固件的设计长度时，是在施加支护力和生产锚固件最小成本下选取的，使得选取锚固件的设计长度可以降低地下工程的整体支护成本。
本方案的锚固件的长度设计方法不再依赖经验选取，其可以为锚固件长度设计提供理论设计支撑，给现场施工提供科学、有效的指导。
附图说明
图1为地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法的流程图。
图2为本方案所引入的位移差/梯度示意图。
图3为以隧道为研究对象的隧道拱顶位移梯度随围岩深度变化的曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本方案中提到的所有“/”均表示或的意思。
参考图1，图1示出了地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法的流程图；如图1所示，该方法包括不足101至步骤107。
在步骤101中，采用数值仿真或模型试验的方法获得地下工程处围岩的围岩参数；选取锚固件(本方案优选锚固件为锚杆或者锚索。)的类型，并根据锚固件类型和相应标准选取锚固件的直径和预应力。其中地下工程优选为隧道。
其中锚固件的类型一般是随机选取的，隧道工程中设计到具体施工时，可以选取多种类型的锚固件，每种类型的锚杆都采用本方案的方法选取出一个设计长度，之后再从所有类型锚固件中选取一个最合理的锚固件进行具体的锚固施工。
在本发明的一个实施例中，围岩参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和密度；
弹性模量的获取方法为：选取地下工程现场的岩块制备岩样，并利用压力试验机测得岩样的弹性模量；
泊松比的获取方法为：根据地下工程现场围岩的岩体结构，确定地下工程围岩评定等级，之后根据围岩评定等级选取泊松比；
采用三轴试验获取地下工程现场围岩的粘聚力、内摩擦角；采用现场环刀法测得地下工程现场围岩的密度。
在步骤102中，根据地下工程的围岩参数，建立地下工程的三维模型；实施时，本方案优选步骤102的具体实现为步骤为：
建立洞径为5m的隧道洞室，隧道洞室上下左右边界长度取5倍洞径，边界条件限制左右两边界的水平位移和下边界的竖向位移；模型厚度取2m，并限定模型前后两面的水平位移。
在步骤103中，采用数值仿真软件(数值仿真软件可以为FLAC3D软件)模拟地下工程开挖，得到施加不同主动支护力后任一围岩深度下，同一径向上任意围岩深度某点的位移和洞周围岩某点的位移；
在步骤104中，根据同一径向上任意围岩深度Lx某点的位移δx和洞周围岩某点的位移δ0，计算任意围岩深度Lx处的位移差/位移梯度，具体计算公式分别为：
Δδx＝δ0-δx，
Figure BDA0002363062560000041
其中，Lx为围岩深度，Δδx为位移差，δ0为洞周围岩某点的位移，δx为任意围岩深度Lx某点的位移。
在步骤105中，根据同一主动支护力下的所有位移差/位移梯度，绘制同一主动支护力下洞周围岩位移差或者位移梯度变化曲线；其中同一主动支护力下洞周围岩位移差变化曲线可以参考图2，图2中的圆圈表示隧道，Pn表示施加主动支护力。主动支护力下洞周围岩位移梯度变化曲线可以参考图3。
实施时，本方案优选在采用FLAC3D软件模拟地下工程开挖时，围岩深度的范围为1～7m，在获取不同围岩深度的位移差/位移梯度时，围岩深度的增幅为1m。
例如：围岩深度1m处位移差/梯度为：
Figure BDA0002363062560000051
Δδ1＝δ0-δ1；围岩深度2m处的位移差/梯度为：
Figure BDA0002363062560000052
Δδ2＝δ0-δ2……依此类推得到1～7m围岩深度对应的位移差/梯度，通过1～7m围岩深度对应的位移差/梯度绘制同一主动支护力下洞周围岩位移差或者位移梯度变化曲线。
在步骤106中，选取每条位移差/位移梯度变化曲线中位移差/位移梯度小于且无限接近锚固件的极限伸长量/极限延伸率的围岩深度作为锚固件长度；
在步骤107中，在所有锚固件长度中，选取满足施加支护力和生产锚固件的最小成本原则的锚固件长度作为锚固件的设计长度。
下面结合具体的隧道工程实例对锚杆长度的设计进行说明：
选取围岩参数为：围岩重度27kN/m3、弹性模量1GPa、泊松比0.35、内摩擦角33°、粘聚力0.8Mpa；
选取锚杆为：锚杆为预应力锚杆，直径25mm，预应力为200kN，极限延伸率为5％。
围岩深度范围为3～6m，施加的主动支护力分别为0.4Mpa、0.55Mpa、0.75Mpa。
采用本方案提供的设计方法的步骤102至步骤105的步骤可以得到如图2和3所示的位移差变化曲线或者位移梯度变化曲线。
结合图3可知，在支护力为0.4Mpa时，各个锚杆长度的位移梯度均大于5％，处于6％～7％之间，超过了锚杆的极限延伸率，说明此支护力过小，使锚杆变形过大，超过极限延伸率，无法满足设计要求，需要增大支护力来减小锚杆的变形，也即支护力为0.4Mpa时无满足要求的锚杆设计长度
在支护力为0.55Mpa时，锚杆长度为3m、4m的位移梯度亦大于5％，在锚杆长度为5m时，位移梯度为约4.8％，既小于5％的极限延伸率，也最大限度的使锚杆在安全范围内发生变形，满足了充分发挥锚杆的材料性能的设计理念，并且锚杆长度适中；而锚杆长度为6m时，锚杆延伸率为4.5％，增加1m锚杆长度对延伸率影响并不大，所以6m锚杆增加锚杆材料的造价，不符合尽可能采用较短锚杆长度理念，不适合采用。
再增大支护力到0.75MPa，锚杆的位移梯度即延伸率变小较多(即延伸率偏移极限延伸率较大)，导致没有充分发挥锚杆材料的性能，而增大支护力也需要经济成本，故不适合采用更大的支护力来设计锚杆。
所以综上选择支护力大小为0.55Mpa，锚杆长度5m作为此次锚杆设计的最理想长度。
综上所述，本方案通过引入位移差/梯度可以规避数值模拟/模型试验无法完全准确模拟锚固件的支护难点，通过位移差/梯度反应隧道洞周变形的差异状况，依此来设计锚固件长度，使得设计的锚固件长度更加合理。

Claims (7)

1.地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其特征在于，包括：
采用数值仿真或模型试验的方法获得地下工程处围岩的围岩参数；选取锚固件的类型，并根据锚固件类型和相应标准选取锚固件的直径和预应力；
根据地下工程的围岩参数，建立地下工程的三维模型；
采用数值仿真软件模拟地下工程开挖，得到施加不同主动支护力后任一围岩深度下，同一径向上任意围岩深度某点的位移和洞周围岩某点的位移；
根据同一径向上任意围岩深度某点的位移和洞周围岩某点的位移，计算任意围岩深度处的位移差/位移梯度；
根据同一主动支护力下的所有位移差/位移梯度，绘制同一主动支护力下洞周围岩位移差或者位移梯度变化曲线；
选取每条位移差/位移梯度变化曲线中位移差/位移梯度小于且无限接近锚固件的极限伸长量/极限延伸率的围岩深度作为锚固件长度；
在所有锚固件长度中，选取满足施加支护力和生产锚固件的最小成本原则的锚固件长度作为锚固件的设计长度。
2.根据权利要求1所述的地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其特征在于，所述位移差和位移梯度的计算公式分别为：
Δδx＝δ0-δx，
Figure FDA0002363062550000011
其中，Lx为围岩深度，Δδx为位移差，δ0为洞周围岩某点的位移，δx为任意围岩深度Lx某点的位移。
3.根据权利要求1所述的地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其特征在于，所述围岩参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和密度；
所述弹性模量的获取方法为：选取地下工程现场的岩块制备岩样，并利用压力试验机测得岩样的弹性模量；
所述泊松比的获取方法为：根据地下工程现场围岩的岩体结构，确定地下工程围岩评定等级，之后根据围岩评定等级选取泊松比；
采用三轴试验获取地下工程现场围岩的粘聚力、内摩擦角；采用现场环刀法测得地下工程现场围岩的密度。
4.根据权利要求1所述的地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其特征在于，所述地下工程为隧道。
5.根据权利要求4所述的地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其特征在于，所述根据地下工程的围岩参数，建立地下工程的三维模型进一步包括：
建立洞径为5m的隧道洞室，隧道洞室上下左右边界长度取5倍洞径，边界条件限制左右两边界的水平位移和下边界的竖向位移；模型厚度取2m，并限定模型前后两面的水平位移。
6.根据权利要求1所述的地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其特征在于，在采用数值仿真软件模拟地下工程开挖时，围岩深度的范围为1～7m，在获取不同围岩深度的位移差/位移梯度时，围岩深度的增幅为1m。
7.根据权利要求1-6任一所述的地下工程中基于位移差/梯度的锚固件长度设计方法，其特征在于，所述锚固件为锚杆或者锚索。
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