预应力锚索锚固效应的仿真试验与数值模拟研究
锚索锚固技术的仿真实验研究
锚索锚固技术的仿真实验研究何炳银;杨永刚【摘要】The core of anchor cable reinforcement technology is the anchoring force of anchor cable .The authors make a simulation experiment of anchor cable reinforcement on the surface by using steel pipes with different in-ner diameter ,including observing the pushing process by industrial endoscope ,and checking the actual physical status of anchoring agent after agitation and the anchoring state of steel strand by cutting open the experimental steel pipe ,which shows that the mismatching diameters of anchor cable and anchoring agent would leadto dislo-cation and distortion of the anchoring agent in the process of pushing ,and the present anchor cable reinforcement technology would cause false anchoring with the package films of anchoring agent incomplete crushing due to the steel strand crossing the anchoring agent .%锚索锚固技术的核心是锚索的锚固力问题。
预应力混凝土中预应力损失的数值模拟
预应力混凝土中预应力损失的数值模拟1. 引言预应力混凝土是一种重要的结构材料，具有较高的强度和耐久性。
在预应力混凝土中，预应力损失是一种普遍存在的现象，它会对结构的性能和安全性产生影响。
因此，对预应力损失的数值模拟研究具有重要的理论和实际意义。
2. 预应力损失的分类预应力损失可以分为瞬时损失和时间依赖性损失两种类型。
瞬时损失主要包括初始损失和传递损失。
初始损失是由于张拉后混凝土的收缩产生的，而传递损失是由于张拉钢筋和混凝土之间的摩擦力和锚固力产生的。
时间依赖性损失主要包括徐变损失和松弛损失。
徐变损失是由于混凝土的徐变而引起的，而松弛损失则是由于张拉钢筋的松弛和混凝土固结引起的。
3. 预应力损失的数值模拟方法预应力损失的数值模拟方法主要包括经验公式法、理论分析法和数值模拟法三种。
（1）经验公式法经验公式法是根据实验数据和经验公式计算预应力损失的方法。
这种方法简单易行，但精度较低，适用于小型结构和初步设计。
（2）理论分析法理论分析法是根据混凝土力学和材料力学理论，通过建立数学模型求解预应力损失的方法。
这种方法精度较高，但需要较高的数学和力学知识，适用于大型结构和深入研究。
（3）数值模拟法数值模拟法是通过计算机模拟混凝土和钢筋之间的相互作用，求解预应力损失的方法。
这种方法精度较高，适用于各种结构和复杂情况。
4. 数值模拟方法的流程数值模拟预应力损失的方法主要包括以下几个步骤：（1）建立数学模型建立数学模型是数值模拟的第一步。
模型应包括混凝土、预应力钢筋以及周围环境等要素。
其中，混凝土应考虑材料的非线性性、徐变性和损伤性等因素，预应力钢筋应考虑张拉、松弛和徐变等因素。
（2）确定边界条件边界条件是数学模型的重要组成部分。
边界条件包括预应力钢筋的预应力和张拉方式，混凝土的初始状态和加载方式等。
（3）求解数学模型求解数学模型是数值模拟的核心步骤。
求解方法主要有有限元方法、网格方法和边界元方法等。
（4）验证数值模型验证数值模型是数值模拟的最后一步。
边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究
900 850 800 750 700 650 600 550 500 2002-4-4 2002-5-24 2002-7-13 2002-9-1 2002-10-21 观测日期/年-月-日 ML2 ML3 ML4 ML5 ML7 ML8
（1）昼夜温度的影响 随机选取锚索进行了现场实测，测试时环境温 度昼夜温差 5～6 ℃，12：00 左右温度最高，24：00 左右温度最低。图 1 表明，锚索拉力值的变化规律 与温度变化是相符合的，表现为先增大后减小，变 化幅度约为 24 kN，占锚索应力值的 4.2 %，表现出 一种较小幅度的循环加载特征。
（1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100Байду номын сангаас44, China; 2. Highway Bureau of Shandong Provincial Department of Communications, Jinan 250002, China;3. School of Civil and Hydraulic Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China）
根据工程地质剖面图及室内岩体强度试验结果确定材料参数见表k24边坡的计算网格断面图fig9gridhighslopemodel间距根失效c有效围压b岩体与锚索之间的相对剪切位移预应力锚索黏聚力作用示意图fig7diagramgroutedcablesystem预应力锚索的内锚固段力学模型fig8mechanicalmodelfixedbodyprestressedanchorcable10锚索失效数量与失效位置示意图fig10locationfailurecables43单锚失效效应431单锚失效后周围锚索拉力值的变化1单锚失效影响范围及影响因子11可知单锚失效后对邻近锚索拉力存在影响但与现场卸荷试验中的锚索点相比计算得到的拉力增量偏小分析原因认为现场选取试验点位于出水量较大的坡体试验时岩体强度相对较低锚索承担的下滑力较大
锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟
第33卷第1期煤 炭 学 报V o.l 33 N o .1 2008年1月J OURNAL OF C H INA COAL SOC I ETY Jan . 2008 文章编号:0253-9993(2008)01-0001-06锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟王金华,康红普,高富强(煤炭科学研究总院,北京 100013)摘 要:采用FLAC 3D对锚索预应力在巷道围岩中形成的应力场-锚索预应力场分布特征进行了数值模拟.结果表明:在一定预应力条件下,单根锚索在其周围形成了类似 心 形的压应力分布区域,压应力在锚索尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚索自由段中部较小.锚索锚固段附近出现了拉应力区,但拉应力值很小;多根锚索形成的压应力区相互叠加,并连成一体,形成类似 鼓 形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.锚索预应力场分布形态与锚索长度、间距、排距、安装角度、预应力的大小及组合构件有关.关键词:锚索支护;预应力;应力场;数值模拟中图分类号:TD353 6 文献标识码:A 收稿日期:2007-07-12 责任编辑:柴海涛基金项目:国家科技支撑计划基金资助项目(2006BAB16B02,2006BAK03B06) 作者简介:王金华(1957!),男,河北故城人,研究员,博士.Te:l 010-********N u m erical si m ul ati on on load transfer m echanis m s and stressdistributi on characteristics of cable boltsWANG Jin hua ,KANG H ong pu ,GAO Fu qiang(China Coal R esearch In stit u t e ,B eiji ng 100013,C hina )Abst ract :A num ber o f num erica l si m u lation testsw ere carried out using the nu m er i c al ana l y sis code FLAC 3D to i n vesti g ate stress distri b ution characteristics caused by pretensioned stress of cable bo lts .The results sho w thatwhen a si n g le cab le bo lts insta ll w ith pretensioned stress ,a heart shape co mpressi v e stress fields w ill be f o r m ed around t h e m ost length o f cab le .The h i g hest co m pressi v e stress w ill locate near the co llar ,and the higher near the lo w er part o f the grouted portion ,and the lo w est near the free portion .A tensile stress fields w ill also be for m ed by the near o f the upper part of the grouted porti o n ,but the tensile stressm agnitude is ver y s m al.l W hen m any cab le bo lts are insta lled w ith i n certai n spacing ,co m pressi v e stress fi e l d s caused by sing le cab l e s w ill superpose w ith each other and w ill for m a dru m shape ho listic suppo rting construction.The pretensioned stress and acti v e support effectsw ill diffuse to the w ho le ancho rage rockm ass .The distribution characteristics of C able Bo lts Pretensioned Stress F i e l d s (CBPSF)are relati v e to cab le leng th ,num bers per ro w ,row spac i n g ,m agnit u de of pretensioned stress ,and the strap .K ey w ords :cab le bo lts suppor;t pretensi o ned stress ;stress fie l d s ;num erical si m u lation锚索具有锚固深度大、强度高、可施加较大预应力等特点,在岩体加固工程中得到广泛应用[1~6].我国煤矿从1996年研制成功小孔径树脂锚固预应力锚索后,锚索在煤巷中得到大面积推广应用,显著扩大了锚杆支护应用范围,提高了巷道的安全可靠性,成为深部及复杂困难巷道支护加固的主要手段[7~10].煤 炭 学 报2008年第33卷2因此,进行预应力锚索对岩体加固效应的研究具有重要的意义.近年来,许多学者采用现场测试、物理模型试验、理论分析及数值模拟等不同方法对预应力锚索的锚固效应进行了研究.丁秀丽等[5]采用三维有限差分方法,进行预应力锚固数值模拟试验,认为岩体表层的压缩效应随着锚索数量及预应力值的增加而增强;内锚固端周边岩体应力集中区的范围及应力、变形量亦随预应力锚索的数量和吨位的增加而增大.陈安敏等[6]通过物理模型试验,分析了块状岩体中锚索长度及预应力值大小对其加固效果的影响:在一般情况下,岩体塌落高度随预应力的增加而减小;但当预应力达到一定数值后再增加预应力,岩体塌落高度不仅不减小,反而还要缓慢地增大.Frith和Tho m as[11]采用不同凝固速度的树脂进行了全长锚固锚杆施加预紧力试验研究,认为预紧力可以减少0 5~0 8m直接顶范围内围岩的离层与滑动,从而改善围岩状况.Fu ller[12]进行了井下全长锚固锚杆施加预紧力试验,认为预紧力可以使全长锚固锚杆对岩体的锚固效应达到最大.为了更全面、深入地研究锚索的支护作用机理,分析锚索的传力机制,以及在巷道围岩中形成的应力场-锚索预应力场分布特征,本文采用三维有限差分软件FLAC3D进行锚索支护作用的数值模拟,研究锚索长度、间距、排距、安装角度及预应力大小等因素对锚索预应力场分布的影响.1 数值计算模型一般分析锚杆与锚索支护作用的模型是在原岩应力状态下开挖巷道,然后安装锚杆与锚索,巷道周围应力状态重新分布,围岩发生变形与破坏,锚杆与锚索受力、变形.但是,由于围岩应力比锚杆、锚索提供的应力大得多,因此,锚杆与锚索支护在围岩中产生的应力场被完全覆盖,无法进行分析与研究.为此,本文在不考虑原岩应力,即在零原岩应力场条件下,分析锚索预应力引起的应力场分布特征与影响因素.1 1 模拟对象锚固体计算采用FLAC3D建立三维数值模型.三维模型的外形尺寸为长∀宽∀高=11 0m∀5 0m∀14 6m,巷道宽∀高=5 0m∀3 6m,共划分89125个六面体单元.巷道顶板为泥岩,单轴抗压强度40M Pa.其它力学参数:弹性模量7 5GPa,泊松比0 3,黏聚力1 5M Pa,内摩擦角30#.锚索采用C a b le单元模拟,其物理力学参数:弹性模量200GPa,直径18mm,拉断力350kN,每米锚索的黏结刚度为0 2GN/m,黏结强度350kN/m,树脂锚固,锚固长度1 5m.锚索布置的基本模型:预应力200kN,锚索长度7m,排距2 0m,每排布置2根锚索,间距2 0m,垂直顶板布置.然后,在基本模型的基础上,改变各个参数,分析应力场分布特征与变化规律.1 2 模拟方案(1)锚索预应力的影响:将锚索预应力分别设为50,100,150,200,250,300k N进行计算.(2)锚索长度的影响:长度分别为4,5,6,7,8,10m时的应力分布状态.(3)锚索根数的影响:模拟每排锚索数为1,2,3,4根时的应力分布状态.(4)锚索排距的影响:排距分别为1 0,1 5,2 0,2 5,3 0m的应力分布状态.(5)锚索角度的影响:模拟锚索与垂线的角度为0,5,10,15,20,30#的应力分布状态.2 锚索预应力形成的应力场分布特征模拟锚索预应力从50~300kN(间隔50kN)形成的预应力场分布.图1(a)为预应力50kN,垂直巷道轴线截面垂直应力分布.锚索尾部附近出现了明显的应力集中现象,最大压应力达0 18M Pa.随着深入顶板远离锚索尾部,压应力迅速减小.至锚索长度的1/6处,压应力减小到0 02MPa.在锚索长度一半的范围内形成了应力值大于0 01M Pa的压应力区,之上为应力很小的近零应力区.在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象,但应力集中程度与范围都比较小.在锚索锚固端出现了较大范围的拉应力区,但应力值很小.图1(b)为预应力50kN,平行于巷道轴线、在距顶板0 4m高度水平截面垂直应力分第1期王金华等:锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟布.锚索附近出现了应力集中,随着远离锚索位置,压应力逐渐减小,很快降低到0 01MPa .两根锚索之间有效压应力区(压应力大于0 02MPa 的区域)小,而且相互独立,没有连成整体.两根锚索之间中部应力值很小,出现较大范围的近零应力区,在此区域,锚索几乎无支护作用.在巷道顶角附近出现了一定范围的拉应力区,但应力值很小.图1 锚索预应力形成的应力场((a)(b)预应力50kN;(c),(d)预应力200kN )F i g 1 Stress fie l ds caused by pretensi oned stress o f cable bo lts((a),(b)pretensioned stress 50k N;(c),(d)pre tensioned stress 200k N )可见,由于锚索预应力低,导致锚索预应力场应力值小,形成的压应力区范围小,有效压应力区孤立分布,没有连成整体.近零应力区范围大,锚索支护在近零应力区几乎没有加固围岩的作用.图1(c)为预应力200kN,垂直巷道轴线截面垂直应力分布.锚索尾部附近出现了很大的应力集中现象,最大压应力达0 72MPa .随着深入顶板远离锚索尾部,压应力逐渐减小.至锚索长度的1/5处,压应力减小到0 06M Pa .在锚索长度一半左右的范围内形成了应力值大于0 04MPa 的压应力区,有效压应力区覆盖了锚索自由段作用的整个范围,近零应力区大幅度缩小.在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象,应力集中程度与范围比预应力50k N 时明显增大.在锚索锚固端出现了较大范围的拉应力区,应力值有所增加,但总体较小.图1(d)为预应力200kN,平行于巷道轴线、在距顶板0 4m 高度水平截面垂直应力分布.锚索附近应力集中明显,随着远离锚索位置,压应力逐渐减小.但每根锚索产生的有效压应力区明显扩大,相互靠近.即使在两根锚索中部,也出现了一定数值的压应力,对锚索之间的围岩起到一定的支护作用.3 锚索各参数对预应力场的影响3 1 锚索长度对预应力场的影响图2为不同锚索长度形成的预应力场分布(锚索预应力为200k N ).由图2可看出:∃随着锚索长度增加,有效压应力区的范围在高度方向上逐渐增加,表明锚索主动支护作用的范围不断扩大;但在宽度方向上变化不明显,而且随着锚索长度增加有减小的趋势.%随着锚索长度增加,锚索长度中部及以上部分的压应力逐步减小,表明锚索对中部及上部围岩的支护作用不断减小.&随着锚索长度增加,两锚索之间中部围岩的压应力逐步减小,表明锚索对其间围岩的支护作用不断减小.可见,在预应力一定的条件下,锚索越长,锚索预应力的作用越不明显,主动支护性越差.因此,可得出以下结论:∃当预应力一定时,短锚索的主动支护作用优于长锚索.%锚索越长,施加的预应力应越大,才能充分发挥锚索的支护作用.&通过提高锚索的预应力,可适当减少锚索长度.∋根据目前锚索预应力水平(80~150k N ),锚索不宜过长,选择在4~6m 比较合理.3煤 炭 学 报2008年第33卷图2 不同锚索长度形成的应力场F i g 2 Stress fie l ds caused by cab l e bo lts w ith d iffe rent l eng th3 2 锚索间距对预应力场的影响图3为每排1,3,4根锚索时形成的预应力场分布(锚索预应力为200kN ),2根锚索时预应力场分布如图1(c)所示.由图3可看出:∃在一定预应力条件下,单根锚索在其周围形成了类似 心 形的压应力分布区域,压应力在锚索尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚索自由段中部较小.锚索锚固段附近出现了拉应力区,但拉应力值很小.%随着每排锚索根数增加,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并连成一体,近零应力区逐渐消失,形成类似 鼓 形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.&当每排锚索数增加到一定程度,再增加密度,对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响变得不明显.图3 不同间距锚索形成的应力场F i g 3 Stress fields caused by cable bo lts w ith d ifferent spaci ng i nrow图4 不同排距锚索形成的应力场F i g 4 Stress fields caused by cable bo lts w it h d ifferent row spacing 3 3 锚索排距对预应力场的影响图4为不同排距锚索形成的预应力场分布(预应力为200kN ),由图4可看出:∃当锚索排距较大时,每根锚索形成的有效压应力区彼此孤立,锚索之间及锚索长度中部的压应力值较小,锚索的主动支护作用不明显.%随着锚索排距缩小,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并沿巷道轴线方向连成一体.&当锚索排距缩小到一定程度,再缩小排距,对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响变得不明显.3 4 锚索角度对预应力场的影响当预应力为200kN,锚索与垂线呈5,15,30#时,预应力场分布如图5所示.锚索垂直布置时的应4第1期王金华等:锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟力分布如图1(c)所示.由图5可看出:图5 不同角度锚索形成的应力场F i g 5 Stress fields caused by cable bo lts w ith d ifferen t ang l es(1)当锚索垂直布置时,两根锚索形成的有效压应力区相互连接与叠加,在顶板形成厚度较大的压应力区,锚索预应力扩散与叠加效果最好.(2)随着锚索角度增加,每根锚索形成的有效压应力区逐步减小、分离,叠加区域越来越小.锚索长度中上部、锚索之间的压应力变得很小.当锚索角度达到10#时,两根锚索尾部形成的高压应力区明显分离.继续加大锚索角度,高压应力区分开的更远,且锚索角度达到15#时顶板表面中部出现了拉应力区.图6 组合锚索预应力形成的应力场F i g 6 Stress fie l ds caused by pretensi oned stress o f comb i ned cable bo lts(3)当锚索角度达到30#时,锚索形成的有效压应力区变得很小,而且彼此孤立,拉应力区进一步扩大,锚索的主动支护作用大大削弱.可见,在考虑锚索预应力的条件下,在近水平煤层巷道中,顶板锚索最好垂直布置.如考虑施工需要一定的角度,最大角度不应超过10#.3 5 锚索组合构件对预应力场的影响两根锚索采用钢梁组合在一起时的应力分布如图6所示.与无组合构件相比(图1(c)),可发现以下特点:(1)无组合构件时,锚索形成的有效压应力区在锚索尾部是彼此独立的.在顶板表面附近,有效压应力区呈圆形分布,相互不连接,锚索之间的压应力很小,预应力扩散范围小,锚索不能有效支护其间的围岩.(2)有组合构件时,锚索形成的有效压应力区在沿组合构件长度方向上显著扩大.在顶板表面附近,有效压应力区呈椭圆形分布,彼此相互连接,形成连续的有效压应力带,预应力扩散范围大,锚索能有效支护其间的围岩.(3)组合构件实现了锚索预应力的有效扩散,显著提高了对锚索之间围岩的支护作用,整体支护效果明显改善.4 结 论(1)提出锚索预应力场的概念.基于零原岩应力场的锚索预应力场模拟分析方法,可清楚地计算分析锚索预应力及其它参数对预应力场的影响、分布特征与规律.(2)锚索预应力比较小时,锚索引起的压应力小,有效压应力区小,分布孤立;锚索预应力比较大时,锚索产生的应力大,在锚索自由段长度范围内,形成了相互连接成一片的、叠加的有效压应力区.(3)当预应力一定时,短锚索的主动支护作用优于长锚索;通过提高锚索预应力,可适当减小锚索长度;锚索越长,施加的预应力应越大.根据目前锚索预应力水平,锚索不宜过长,选择在4~6m 比较合5煤 炭 学 报2008年第33卷6理.(4)单根锚索在其周围形成了类似 心形的压应力分布区域.随着锚索密度增加,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并连成一体,近零应力区逐渐消失,形成类似 鼓形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.(5)顶板锚索角度对预应力场分布有显著影响.锚索垂直布置时,预应力扩散与叠加效果最好.随着锚索角度增加,每根锚索形成的有效压应力区逐步减小、分离,叠加区域越来越小.在近水平煤层巷道中,顶板锚索最好垂直布置.(6)锚索组合构件使锚索形成的有效压应力区在沿组合构件长度方向上显著扩大.组合构件实现了锚索预应力的有效扩散,显著提高了对锚索之间围岩的支护作用.参考文献:[1] 张发明,赵维炳,刘 宁,等.预应力锚索锚固载荷的变化规律及预测模型[J].岩石力学与工程学报,2004,23(1):39~43.[2] B igby D.Coa lm i ne ro ad w ay 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预应力锚索加固基坑的三维数值研究
学位论文作者签名： 年月
指导教师签名：
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年月日
摘要
摘要
目前，人们对预应力锚索加固机理的理论研究一直落后于其在工程中的应用，并且， 对预应力锚索加固机理的观点也是五花八门，从而也导致了多种预应力锚索设计计算方 法，但这些设计计算方法都存在着其各自的片面性。基于此，本文结合总参工程兵科研 三所的试验项目，采用三维数值计算的方法，对预应力锚索的加固基坑的机理进行研究。 文章具体内容包括以下几个方面：
① The general traits, calculation principle (finite difference method) and application range of the calculation software FLAC-3D were introduced firstly, then the structure elements consisting in FLAC-3D, especially the cable element were introduced as an emphasis.
关键词： 基坑；预应力锚索；模型试验；数值仿真试验；三维数值分析
i
河南理工大学硕士学位论文
Abstract
At present, the theoretical study on the reinforcement mechanics of pre-tensioned cable is lag behind its engineering application, and further more, there are many viewpoints of its reinforcement mechanics, which has lead to many design methods of the pre-tensioned cable. But all these design methods have their own limitations respectively. In the circumstance, this thesis studies the reinforcement mechanics on the pit foundation of pre-tensioned cable by the method of 3-D numerical calculation in combination with the test item of The Third Scientific Research Institute of the Corps of Engineers of PLA. The content of this paper consists of these following aspects:
基坑支护锚索预应力损失数值模拟
基坑支护锚索预应力损失数值模拟“基坑支护锚索预应力损失数值模拟”是一项对深基坑工程进行安全评估的必要措施。
在现代城市建设过程中，由于城市地区土地资源紧张和城市化进程加速，越来越多的高层建筑和地下工程项目涌现出来，并致使深基坑施工正在逐渐普及。
然而，随着建筑的高度和基坑深度的增加，它对基础构造的要求更高，同时也带来了很多不同的安全隐患。
为了确保深基坑的施工安全，需要在建造的初期对基坑支护进行精准计算和模拟，以实现对其的评估和监测。
目前，基坑支护锚索预应力损失数值模拟的方法已经完全成熟，并且广泛应用于深基坑工程的建设中。
通过预应力锚索数值模拟，可以研究各种不同情况下锚索的受力状态，并基于此来预测出锚索的应力损失情况。
在此基础上，可以对基坑支护的设计和安装进行优化，以确保其在施工过程中的安全稳定运行。
在进行基坑支护锚索预应力损失数值模拟时，需要采用专业的计算方法。
目前主要的方法包括有限元方法（FEM）、有限差分方法（FDM）、边界元方法（BEM）以及其它一些方法。
在选择合适的计算方法时，需要考虑许多因素，例如施工现场的实际情况、锚索的类型和特点、地质环境，以及预应力系统的结构等因素。
精确掌握这些因素，可以帮助我们选择最佳的数值计算方法，并减少误差和不确定性。
在进行模拟之前，先要对深基坑结构进行细致的分析和设计。
特别是要考虑基坑支护结构的型式、支撑方式、坑壁稳定性等问题，这些问题决定了支护锚索的位置、数量及空间应力状态，对模拟分析结果有很大的影响。
一些先进的计算软件，如ABAQUS、ANSYS、SAP2000、PLAXIS等可以用来模拟这些问题。
当然，需要了解针对不同情况下使用这些软件的具体技术和方法。
在进行模拟计算时，需要使用来自真实工地的数据。
用于模拟锚索预应力损失所需数据包括：锚线的参数，锚线两端端子下拉力的大小，坑壁稳定系数等信息。
根据这些信息可以确定锚索的位置和数量。
确认了锚索的空间位置和形态，就需要进一步建立锚索预应力损失模型。
龙王塘水库大坝预应力锚固工程数值模拟研究
龙王塘水库大坝预应力锚固工程数值模拟研究徐雪飞;许劲松;赵鹏;迟颖【摘要】FLAC3D软件建立复杂模型的功能有限,利用具有强大建模与网格划分功能的ANSYS软件来实现复杂模型的构建与网格划分,将建好的模型再导入到FLAC3D软件中进行模拟计算,最后将计算结果导到TECPLOT软件中进行后处理分析,以此进行预应力群锚的设计研究.【期刊名称】《东北水利水电》【年(卷),期】2010(028)011【总页数】3页(P42-44)【关键词】FLAC3D;预应力锚索;应力分布;大坝加固;龙王塘【作者】徐雪飞;许劲松;赵鹏;迟颖【作者单位】大连理工大学,建设工程学部,水工结构教研室,辽宁,大连,110624;大连理工大学,建设工程学部,水工结构教研室,辽宁,大连,110624;大连市水利建筑设计院,辽宁,大连,116001;大连市水利建筑设计院,辽宁,大连,116001【正文语种】中文【中图分类】TV223.2+4预应力锚固技术最大特点是尽可能少地扰动被锚固体，是最为高效和经济的加固技术。
世界上第一例采用预应力锚杆加固的工程是阿尔及利亚的舍尔法坝，之后预应力锚固技术广泛应用于土木、水利等工程领域。
预应力锚索加固大坝用于解决如下问题：提高大坝坝基抗滑稳定；加固补强坝体裂缝或局部损坏；抵抗上浮力，削减消除坝踵拉应力，提高整体稳定性等。
但是很多工程设计之初是基于二维计算的，现在随着大型三维土木计算软件的开发应用，可以进行更精确、合理的计算、研究与设计。
文中将ANSYS，FLAC3D，TECPLOT三大软件结合运用，对龙王塘水库重力坝预应力锚固工程进行数值模拟研究。
1 龙王塘水库预应力锚固工程原设计龙王塘水库位于大连市旅顺口区，1925年建成，已经运行80多年，坝体有很多隐患。
2008年大连市水利建筑设计院对龙王塘水库进行除险加固工程设计，校核计算发现挡水重力坝（最大坝高40.8 m）坝踵处出现拉应力，需要进行预应力加固工程消除拉应力。
预应力锚杆及其作用机理的数值模拟
拱， 并 推 导 了该 加 固拱 厚 度 与 锚杆 长 度 的 近 似 关 系 。最 后 对 预
应力锚杆的多种作用机理进行 详细 总结 ， 可 以得 出， 高预 应力
４ 结 语
２ ） 在低 围压下 ， 围岩的强 度对围压 非常敏感 ， 较 小的 围压
即可使 围岩的强 度有较大 的提升 。尤其是巷道周 边 ， 围岩的径
为锚杆施加 的预 紧力 对于巷道 的支 护起 到的作 用非常 关 键， 本文通过数值模拟软件 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ数值模拟 了端锚锚杆 预应
具有粗大孔的材料 因其水分不易存 留， 其吸水率 常小于孔
隙率 ； 而那些孔 隙率较 大 ， 且 具有细 小开 口连 通孔 的亲 水性材 料具有较大的吸水能力 。材料内部除了孔 隙的多少 以外 ， 孔隙 的特征状态也是影响其性 质 的重 要 因素之一 。材 料 的孔 特征
生冻融循环 的现象造成破 坏。
技 术研 发
Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ０ Ｌ ｏ ＧＹ Ａ Ｎ Ｄ ＭＡ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ
Ｖ ０ 【 ＿ ２ ２， ０ ． ７， ２ ０ｌ ５
径 向围压 ， 使围岩的受力状态恢 复为 三 向应 力状态 ， 从 而提 高
围岩的残余强度 ， 提高了围岩的 自承载能力 。
成 了统一 的锚 固体 ， 具有一定 的承载能力 。
向应力几乎为 ０， 锚 杆群 向围岩施 加 的径 向围压 ， 使 其强度 得
到较大提升 。 ３ ） 锚杆杆体本身具有较强 的抗剪ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用 ， 锚杆群 与围岩组 成 的锚 固体 ， 具有较大 的抗 剪切强 度 ， 减 小 了围岩切 向应力集 中
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第25卷增刊 岩 土 力 学 Vol.25 Supp.2 2004年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2004
________________ 由稿日期：2004-04-30 基金课题：湖南省自然科学基金(04JJ6002) ，中南大学科学研究基金(76163)和中国科学院应用研究与发展重点项目(高速公路边坡稳定性分析与治理资助课题 作者简介：李铀，男，1961年生，教授，博士，注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土力学与工程方面的教学和研究,E-mail: yli@mail.csu.edu.cn
文章编号：1000－7598－(2004)增－0260－05 预应力锚索锚固效应的仿真试验与数值模拟研究 李 铀1, 2 , 白世伟2, 朱维申2, 3 , 彭 意1 (1.中南大学土木建筑学院, 湖南 长沙 410004；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉430071； 3. 山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)
摘 要：预应力锚固技术在岩土工程中已得到广泛应用，对其进行的研究工作也取得了许多成果，为论证已有成果并揭示其深层次的普适的工作机理，开展了室内大型仿真试验，并以仿真试验的结果为依据，验证有限元数值分析的力学模型，之后利用数值分析进一步延伸仿真试验结果，得出了有重要实用意义的结论。 关 键 词: 预应力锚索；仿真试验；数值模拟；锚固效应 中图分类号:Tu 459+.9 TB 115 文献标识码: A
Simulation test and numerical simulation of anchoring effect of priestesses cable
LI You1, 2, BAI Shi-wei2, ZHU Wei-shen2, 3, PENG Yi1 (1. School of Civil Engineering and architecture, Central South University, Changsha 410004, China; 2. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China； 3. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)
Abstract: Prestressed cable has been widely used in geotechnical engineering; and many achievements of its anchoring effect have been obtained. For examining those achievements and gaining further conclusions about anchoring effect of prestressed cable, indoor large-scale simulation test has been made. Based on the results from the simulation test, a mechanical model for numerical simulation is established. Further analysis of anchoring effect of prestressed cable is put forward using numerical simulation, Finally, some important and practical conclusions have been drawn. Key words: prestressed cable; simulation test; numerical simulation; anchoring effect
1 引 言 实际工程环境是很复杂的，预应力锚索的作用效果也因工程而异，针对具体工程或从其中抽象出典型的地质构造体系（含裂隙、断层等）进行预应力锚索作用效果的研究是常见的研究途径之一，这类研究的结果往往是很适合于具体工程，而不宜直接应用于其它工程，这是因为具体工程的地质环境差异可能使锚索作用机理的一些有普遍意义的东西变得捉摸不定或甚至被掩盖掉。因而如何探求预应力锚索作用效果的具有普遍意义的结果是一件大家都在关注的课题[1-5]。下面我们将在这一方向上，依
据已有的研究结果[6-10]，通过相对均质介质中的室
内大型仿真试验和有限元数值分析对预应力锚索的作用机理进行进一步研究。
2 实验室大型仿真试验研究 实验室仿真试验结果的可信度高，但因其周期长、花费大，不可能多做，相比之下计算机数值模拟分析只要计算模型选取合理，便可克服模型试验的不足，取得同样令人信服的结果，有鉴于此，我们开展了少量的室内仿真试验，首要目的自然是研究预应力锚索的作用机理，其次是为检验数值模型的合理性收集材料。 为了消除仿真试验的边界效应，以尽可能大的增刊 李铀等：预应力锚索锚固效应的仿真试验与数值模拟研究 尺寸并尽可能符合锚索的实际工程布置要求，我们选取了仿真模型试验尺寸长×宽×高=3.2 m×1.3 m×1.3 m，并采用相对均匀性较好的C20混凝土模拟岩体，混凝土的弹性模量约为2.6×104 MPa，泊松比为0.2~0.3。锚索采用预应力锚索工程中实用的钢绞线。钢绞线的直径为ϕ15 mm，弹性模量1.9×105 MPa。锚孔内共布置6束钢绞线。锚索孔用ϕ115 mm钢管预先埋入及稍后取出的办法制成，孔内锚索布置示意图见图1。 锚孔内灌浆采用425＃矿渣硅酸盐水泥，并掺
图1 仿真试验孔内锚索布置示意图（单位：mm） Fig.1 Sketch map of cable in an anchoring hole of simulation test
入NNO减水剂，注浆浆体配比为水 ：425＃水泥 ：减水剂（NNO）= 489:125:12.5 采用应变片和电感位移计作为测量元件，应变
片用于测量模拟岩体的混凝土部分的变形情况，电感位移计固定于锚固段内的钢铰线上，用于测量钢铰线的受力情况。测量元件的布设见图2。
图2 测量元件的布设 Fig.2 Distribution of transducer elements(unit:mm)
试验结果示于图3~图6中。 图3~5是图2所示的Ⅰ~ Ⅲ 断面上拉拔力作用方向的应变随半径变化的分布曲线。这些曲线有一个共同点就是：随着拉拔力的增加，围岩体中应变也随之增加。但应变值随离钻孔距离r的增加而很快减小，大约在r=0.6 m也就是约5倍钻孔直径处应变值都降至µε20之下。
由zε的分布规律，我们可大致确定锚索作用力的作用范围，示于图2中。本次试验，拉拔力最大达1 000 kN，在1 000 kN拉拔力作用下，锚固体的受力范围约1.8 m。径向的受力约在半径为0.6 m 的范围内。 图3 Ⅰ-Ⅰ断面zε分布图
Fig.3 Distribution of z
εin section Ⅰ-Ⅰ
261岩 土 力 学 2004年 图4 Ⅲ-Ⅲ断面εZ分布图 Fig.4 Distribution of z
εin section Ⅲ-Ⅲ
图5 Ⅱ-Ⅱ断面z
ε分布图
Fig.5 Distribution of zεin section Ⅱ-Ⅱ
在拉拔力达到 80~90 kN时，1＃电感位移计方有感，达到近200 kN时，2＃传感器有感，近500 kN时，3＃传感器有感，参见图6，这样的结果反映了扰动范围与拉拔力有着密切的关系，从图6可看出，内锚段在本次试验条件下有感的极限深度为2 m左右。
3 锚索作用效果的数值分析
数值分析工作分两个阶段进行，第一阶段，以室内仿真试验为数值分析对象，先取与仿真试验相适应的计算模型，然后，将数值分析结果与仿真试验的结果比较。两者若基本吻合，则可说明数值分析模型的选取是合理的，这一阶段实际上是计算模型的选取。第二阶段是将业已证明合理的计算模型推而广之，应用于实际工程的分析，由此得出锚索作用效果，亦即是我们所期望的结论。
图6 非功过锚索上传感器有感深度随荷载变化图 Fig.6 Relation of sensitive depth of transducer on cables with loading
3.1 数值分析模型的选取 锚固体包括岩体、锚索以及锚孔中的灌注砂浆等部分。这几种介质相结合，组成了一个加固体系，锚固力在锚固体中是如何分布的，在什么情况下锚固体会发生破坏而导致锚固体系逐渐失效等等这些都是人们所关心的问题[8-10]，也可以说这些就是锚索作用的机理所在。锚索的作用力系，一方面是由锚索作用于砂浆，砂浆再作用于岩体；另一方面是通过锚索作用于孔口托板，托板再作用于岩体。要模拟好这一传力过程，显然关键之处在于：1. 模拟好各组成部分如锚索、砂浆及岩体等；2. 模拟好各个组成部分的界面。为了达到满意的模拟结果，数值分析工作中考虑了4种单元：岩体单元、砂浆单元、锚索单元和粘结单元。 数值模拟分析采用有限元方法。因已有研究结果表明在小变形情况下，弹性分析得出的应力场也适用于弹塑性情况[11,12]，所以数值分析仅采用了弹
性轴对称分析程序。岩体单元和砂浆单元采用三角形或任意四边形等参数单元。粘接单元采用修正的四节点Goodman节理单元，锚索单元采用通称的承拉杆单元。实际上，将这4种类型的单元进行单刚矩阵叠加形成一个新的组合单刚矩阵，则可建立一个新型的锚固单元，建立新的锚固单元及其单刚矩阵对计算机和序编制来说，可以节省大量的工作量，也可节省大量的单刚叠加计算工作。本次数值分析工作中，考虑了所有4种单元，实际计算中，又可根据具体情况适当采用。 整个模型的数值分析采用轴对称单元。选取的计算参数为: 拉拔荷载1 000 kN; 岩体E=2.6×1010
N/m2,μ=0.3; 砂浆E=2.1×1010 N/m2, μ=0.3; 锚索E=1.9×1011 N/m2,μ=0. 28。 计算结果表明，虽计算结果与室内仿真试验结
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