基于錨桿支護(hù)效果的數(shù)值模擬研究

前言
　　邊坡的失穩(wěn)和滑坡都給人類(lèi)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，有專(zhuān)家估計(jì)，我國(guó)因滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失。主要的發(fā)生地為自然形成或者是經(jīng)過(guò)人工開(kāi)挖形成的高邊坡。高邊坡在遇到外部或者是內(nèi)部的各種物理因素的改變，發(fā)生失穩(wěn)或者是滑坡災(zāi)害。所以在設(shè)計(jì)高邊坡的加固方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，地質(zhì)情況和水文條件以及荷載情況都要十分的了解。
　　研究綜述
　　1. 關(guān)于錨桿加固的方法
　　目前針對(duì)其加固的方法也有很多。概括起來(lái)其加固的方法可以分為內(nèi)部加固和外部加固。外部加固體系：在邊坡外部設(shè)置原位擋墻和重力擋墻支擋土壓。材料一般為混凝土，形式采用預(yù)應(yīng)力混凝土或者是板樁結(jié)構(gòu)，有時(shí)也可以采用多種形式的聯(lián)合使用。內(nèi)部加固體系是在邊坡土體內(nèi)設(shè)置土釘、錨桿等措施改善邊坡的受力性能。針對(duì)高邊坡通常的加固形式有土釘墻和預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)[1]。
　　圖1 擋墻錨桿設(shè)計(jì) 圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計(jì)
　　2. 錨桿支護(hù)的形式：
　　常見(jiàn)的有單錨，群錨，在某些工程中也常采用錨桿和鋼帶、鋼梁以及金屬網(wǎng)的聯(lián)合使用。不同的支護(hù)形式在不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的效果是不同的。同時(shí)在采用支護(hù)形式的同時(shí)要考慮巖石的硬度、節(jié)理發(fā)展情況以及完整性，地基應(yīng)力和設(shè)計(jì)年限綜合考慮。對(duì)于隧道的支護(hù)通常拱形的要比梯形支架的承載能力好很多，隧道初次支護(hù)設(shè)計(jì)中，視錨桿的作用可分為超前錨桿、鎖腳錨桿和徑向錨桿[2]。
　　3. 錨桿應(yīng)力狀態(tài)分析：
　　一種方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定錨桿的受力情況：可以采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)錨桿的應(yīng)力和應(yīng)變，得到的數(shù)據(jù)可靠精確[3]。
　　還可以通過(guò)數(shù)值模擬的方法：采用有限元進(jìn)行計(jì)算，其模型的建立較為復(fù)雜。原因?yàn)殄^桿拉力除錨固端外， 沿長(zhǎng)度方向是不一定是均勻分布的。同時(shí)錨桿與鉆孔間有較大空隙， 所以錨桿的抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)后才能發(fā)揮出來(lái)[4]。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿， 錨固劑的錨桿復(fù)雜更大。同時(shí)該受力不但取決于圍巖性質(zhì)和錨桿支護(hù)各組成部分（桿體、錨固劑、托盤(pán)）的材質(zhì)與尺寸，而且還取決于錨桿的長(zhǎng)度、間距、排距，以及施工過(guò)程中所施加的預(yù)緊力等主要支護(hù)技術(shù)參數(shù)[5]。
　　4. 模型的建立
　　在錨桿受力方面的數(shù)值模擬，通常將錨桿簡(jiǎn)化為桿單元或者是梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算。該種模擬方法并沒(méi)有將錨桿和巖石接觸面的相對(duì)剪切力考慮在內(nèi)[6]。同時(shí)界面單元的選取也是比較復(fù)雜。在網(wǎng)格生成的時(shí)候也是遇到了很大的阻礙。也可采用流變模型進(jìn)行有限元計(jì)算或者是伯格斯模型進(jìn)行應(yīng)力位移場(chǎng)分析。也可以采用大型巖土工程數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算[7]，該軟件對(duì)于幾何的非線性和大變形的結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
　　評(píng)述
　　在現(xiàn)有的研究錨桿的受力計(jì)算和穩(wěn)定性分析中可將可靠度引入其中，這樣的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)實(shí)際的情況而言是偏差很大的，因?yàn)橥夂奢d是隨著時(shí)間變化的，并不是單一的數(shù)值能夠代替的。只用一個(gè)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)是不能夠反正整個(gè)體系中荷載的變化對(duì)該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。該方法雖然引入可靠度理論，但是要知道荷載的分布情況還是比較復(fù)雜的。但同種類(lèi)型的荷載分布可以參考相應(yīng)的規(guī)范的荷載分布情況。同時(shí)不同支護(hù)條件應(yīng)該采用不同的計(jì)算模型，不能夠?qū)⒁环N計(jì)算方式直接強(qiáng)加到各種模型中。在考慮錨桿受力的時(shí)候，還應(yīng)該考慮到巖石面和錨桿接觸面之間的剪切力，以及發(fā)生較大變形時(shí)或者是發(fā)生裂縫的時(shí)候該模型是否還能夠繼續(xù)，如果不能夠適用應(yīng)該對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
　　基于上述多種因素的影響，將可靠度的理論引入到不同的錨桿支護(hù)效果中，同時(shí)采用隨機(jī)數(shù)來(lái)模擬可靠度的確定。使得荷載形式不是單一特定的數(shù)值，而是荷載服從某種分布，是一個(gè)變化的值。這樣模擬的數(shù)值更加的符合實(shí)際的工程情況。在設(shè)計(jì)中更加能說(shuō)明該設(shè)計(jì)的可靠性，有的為實(shí)體結(jié)構(gòu)考慮各種邊界條件以及各種假設(shè)條件。在對(duì)現(xiàn)有的錨桿支護(hù)進(jìn)行數(shù)值分析，同時(shí)對(duì)不同的荷載類(lèi)型進(jìn)行可靠度分析，提出將結(jié)構(gòu)可靠度理論的錨桿支護(hù)效果的研究更加能夠符合實(shí)際情況。因?yàn)樵摋l件下是將荷載看做一個(gè)變量而不是一個(gè)常量，這也是符合實(shí)際的工程情況。所以在模擬的時(shí)候應(yīng)該進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬之前應(yīng)該對(duì)該結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)條件下的變量的分布函數(shù)，以及可靠指標(biāo)的確定和變量之間是串聯(lián)還是并聯(lián)的情況。