才 昊

(长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710018)

黄土隧道锚杆受力机制的研究

才 昊

(长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710018)

采用数值模拟的方法，建立了锁脚锚杆模型，分析了围岩强度对锁脚锚杆承载能力的影响，并以锚杆的屈服强度为指标，来研究其对锚杆的承载能力的影响，为今后同类研究提供参考。

锚杆，黄土隧道，围岩，承载力

锚杆是黄土隧道中控制围岩变形和沉降的有效支护手段，根据锚杆埋设位置的不同将锚杆分为系统锚杆和锁脚锚杆。黄土隧道的开挖一般采用台阶法或分部开挖法，在开挖后沿隧道横向在拱、墙脚部位为限制钢拱架的自由变形而打设的具有一定数量和下插脚的锚杆，并将锚杆的末端和钢架牢固焊接，如图1所示，这种锚杆即为锁脚锚杆。

与系统锚杆不同，在黄土隧道中，锁脚锚杆应用广泛，是黄土隧道支护的主要工具之一。曾有学者对黄土隧道锁脚锚杆进行原位测试，取得一定成果，但尚未给出统一的规律。本文针对锁脚锚杆，依据其受力特点，利用ABAQUS建立三维有限元模型进行数值模拟，对围岩强度、锚杆管材强度对锁脚锚管承载能力的影响进行研究，进一步揭示各种因素影响下的锁脚锚管受力变形特性。

1 施工过程模拟

在隧道等地下结构数值计算中，一般选取某一部分岩体建立数值计算模型，用一定的边界条件去替代原始介质的连续状态，这种替代方式是否合理将影响计算结果的准确性和正确性，因此应尽量使边界条件和实际情况相符，使计算模型足够大，并把分析的重点区域置于模型的中央部位，从而减弱边界效应对计算准度的干扰。

因隧道属于深埋隧道且不考虑构造节理影响，故地应力按初始自重应力场考虑。为了使得计算结果更为可靠，故在隧道内及其周围采取细密网格划分，采用4节点结构单元K线面映射网格划分模型网格，有限元网格划分模型如图2所示。

2 锁脚锚杆模型的建立

为了更全面深入地研究锁脚锚杆的受力特性与承载特点，突出锚杆与黄土的相互作用关系，在上述开挖模型的基础上，建立如图3～图6所示的三维有限元计算模型。

由圣维南原理和实际工程经验可知，洞室开挖过程中围岩应力重分布仅发生在洞室周围3倍～5倍隧道开挖跨度范围内，此范围以外的围岩应力基本不受洞室开挖的影响。本文数值模拟中，围岩模型的尺寸以模型各面距离锚杆8倍～10倍管径建立。各个打设角度的模型尺寸见表1。

表1 各个打设角度的模型尺寸表

3 围岩强度对锁脚锚杆承载能力的影响

锁脚锚杆的承载能力体现为其控制钢拱架下沉的能力，而钢拱架的拱脚下沉量与锁脚锚杆的端部竖向位移相等，所以在此研究围岩强度对控制锁脚锚杆端部竖向位移的影响。以往的锁脚锚杆的解析计算结果显示，在相同荷载下，不同围岩弹性抗力下的锁脚锚杆的弯矩分布会呈现出不同的规律，下面采用数值模拟的方法研究围岩强度对锁脚锚杆承载能力的影响。采用控制变量的方法，通过改变围岩的弹性模量(10 MPa,31 MPa,60 MPa和90 MPa)来研究不同打设角度的锁脚锚杆的端部竖向位移的变化情况，从而反映锁脚锚杆的承载能力。

综合对比打设角度分别为0°，30°，45°和60°的锁脚锚杆在不同围岩条件下的端部位移—荷载曲线图(见图7～图10)，可以得到以下结论：

1)端部竖向位移—荷载曲线图均为下凹的曲线，说明锁脚锚杆的端部竖向位移随着荷载的均匀增大而加速增大。这趋势同时反映了随着荷载的增大，锚杆断面的屈服点逐渐由上下边缘向中间扩展。2)无论锚杆以何种角度打设，相同荷载下锚杆端部竖向位移均随着围岩强度的降低而增大。这一趋势在围岩强度较高(E>31 MPa)时不明显，但在围岩强度较低(E≤31 MPa)时显著。说明围岩弹性模量小于31 MPa时，单纯采用锁脚锚杆支护效果不够理想，应考虑结合可以改善围岩强度等方面的支护措施，如围岩注浆等。3)无论围岩强度为多少，相同荷载下锚杆端部的竖向位移均随着打设角度的增大而减小，说明增大打设角度可以控制竖向位移这个规律在各种围岩条件下都是一致的。所以在隧道中的锁脚锚杆施工时应尽量采用较大的打设角度。但考虑到实际施工的操作方便，建议锁脚锚杆的打设角度取为45°。

4 锚杆强度对其承载能力的影响

下面以锚杆的屈服强度为指标来研究其对锚杆的承载能力的影响。锚杆的管材钢号分别选择Q205,Q235,Q275和Q305。其相应指标如表2所示。

表2 各工况锚杆强度指标

综合对比打设角度分别为0°，30°，45°和60°的不同屈服强度的锚杆在端部竖向位移—荷载曲线图(见图11～图14)，可以得到以下结论：1)各个打设角度的锁脚锚杆的端部竖向位移—荷载曲线图走势规律基本一致，且对于同一打设角度，不同屈服强度对应的曲线在荷载较小时是重合的，当荷载增大到一定值时，各曲线逐渐分离，分离后的端部竖向位移—荷载曲线表现为端部竖向位移随屈服强度减小而逐渐增大的规律。2)将同一角度不同屈服强度下锚杆的曲线分离的点称为分离点，则分离点所对应的荷载大小因锚杆打设角度而异。打设角度为0°，30°，45°和60°时锚杆的分离点荷载值分别为6.48 kN，7.56 kN，9.72 kN和12.96 kN，所以大角度打设时，锚杆屈服强度的影响不明显。3)无论锚杆屈服强度为多少，相同荷载下锚杆端部的竖向位移均随着打设角度的增大而显著减小，说明增大打设角度可以有效控制竖向位移，且其效果比提高锚杆的屈服强度明显。所以在锁脚锚杆的设计施工时，应将重点放在采用合理打设角度而非提高锚杆强度。

5 结语

1)围岩强度对锁脚锚杆承载能力的影响：无论锚杆以何种角度打设，相同荷载下锚杆端部竖向位移均随着围岩强度的提高而减小。围岩强度较高(E>31 MPa)时，提高围岩强度对锁脚锚杆的承载力影响不明显；但围岩强度较低(E≤31 MPa)时，提高围岩的强度会显著增强锁脚锚杆的承载能力。所以当隧道围岩强度较低时可以通过改善围岩的物理力学特性如围岩注浆等措施来提高锁脚锚杆的承载能力。2)锚杆强度对其承载能力的影响：提高锚杆强度对提高其承载能力的作用非常有限，没有提高锚杆的合理打设角度效果显著，所以锁脚锚杆没必要采用高强度钢管。

[1] 陈建勋,乔 雄,王梦恕.黄土隧道锚杆受力与作用机制[J].岩石力学与工程学报,2011,30(8):1690-1697.

[2] 周 宇.锁脚锚杆和仰拱注浆对控制大断面海底隧道位移的有效性分析[J].岩土力学与工程学报,2007(S2)：3830-3834.

[3] 伍毅敏.软基隧道支护机理与病害防治技术研究[D].西安：长安大学，2008.

[4] 李 健.大断面黄土隧道初支作用机理及变形控制技术研究[D].北京:北京交通大学，2012.

[5] 黄 彬.大断面黄土隧道土石分界段施工技术[J].现代隧道技术，2013,50(1):139-142.

On stressed mechanism for anchor rod in loess tunnels

Cai Hao

(CollegeofArchitecturalEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710018,China)

Adopts the method of the numeric simulation, establishes the model of the feet-lock anchor rod, analyzes the strength of the surrounding rocks on the loading capacity of the feet-lock anchor rod, researches its influence on the loading capacity of the anchor rod by taking the yield strength of the anchor rod, so as to provide some reference for similar research.

anchor rod, loess tunnels, surround rocks, load capacity

1009-6825(2017)20-0183-03

2017-04-25

才 昊(1996- )，男，在读本科生

TD355.9

A