一、研究背景及现状
(1)传统钢锚杆
•传统钢锚杆存在易锈蚀（尤其在一些锈蚀严重及地下水富集的软土地区）、更换困难、自重大、生产运输困难、温度应力大等不良特性，对锚固体系的安全性和耐久性带来严峻挑战；
(2)聚酯锚杆
•聚酯锚杆是以纤维筋为增强材料，以合成树脂为基本材料，并掺入适量的辅助剂，目前常见的聚酯锚杆有玻璃纤维锚杆（GFRP）、碳纤维锚杆(CFRP)以及芳纶纤维（AFRP）。
(3)聚酯锚杆应用前景
(4)研究现状及成果
•拉拔试验
通过室内拉拔试验，表明与传统钢锚杆相比，聚酯锚杆的弹性模量较低；与砂浆之间的粘结强度也略低于钢筋，但其极限抗拉能力高于同直径的钢筋。
•现场试验观测
聚酯锚杆代替传统钢锚杆作为支护或加固结构是可行的，克服了传统锚杆极易锈蚀的缺点，可用作永久加固。
存在问题：以上研究并未对聚酯锚杆与传统锚杆的拉拔力学性能及其在隧道支护中的作用效果进行系统比较。
技术路线：采用有限差分软件FLAC3D，首先对两种锚杆的拉拔试验进行模拟，研究其在不同锚固长度下的拉拔特性。以某山岭公路隧道为依托工程，比较两种锚杆在应变软化围岩隧道中的支护效果，并研究锚杆在不同埋深下的支护效果，以此探讨采用聚酯锚杆代替传统锚杆作为隧道支护结构的可行性。
二、拉拔试验分析
(1)拉拔试验示意图
(2)锚杆失效形式
(3)临界粘结长度
在其它条件不变情况下，随着粘结长度L增加，锚杆失效形式逐渐由（a）→（c），失效形式转变时的粘结长度称为临界粘结长度Lc。
表2破坏形式与粘结长度关系
(4)模型建立及参数选取
基体模型取为1×2×1m的立方体，采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，锚杆采用Cable单元，锚固长度分别取0.5、1、1.5、2和2.5m五种长度。
图1拉拔试验数值模型
表1聚酯锚杆与传统锚杆力学参数
（a）聚酯锚杆 （b）传统锚杆
图2不同锚固长度下锚头位移与拉拔力关系曲线
•随着锚头位移的增大，拉拔力也随之增大，当力达到一定值即锚固力时，力保持不变，而位移呈无限增大趋势，说明锚杆拉拔已经整体失稳，锚固作用失效。
•随着锚固长度增加，最终拉拔力逐渐增加，当锚固长度超过某一值后，最终拉拔力不再变化，这是因为在锚杆的拉拔过程中存在着一个临界粘结长度。
•聚酯锚杆的临界粘结长度在1~1.5m之间，传统锚杆的临界粘结长度在0.5~1m之间。
图3锚固长度与最大拉拔力关系曲线
•当锚固长度达到一定值后，聚酯锚杆表现出更好的拉拔性能。反映在隧道支护中，可以推测，相同条件下，随着围岩压力的增大，传统锚杆将首先达到杆体屈服而失效，此时聚酯锚杆可能仍处于线弹性范围，那么其对围岩的支护效果将优于传统锚杆。
三、隧道中支护效果分析
(1)工程概况
某山岭隧道是双洞双向行驶分离式隧道，全长430m，埋深为68.4m，属于浅埋公路隧道。围岩为中风化玄武岩，岩石破碎，裂隙较发育，属于V级围岩，并表现出应变软化特性。隧道衬砌内轮廓采用半径为5.5m的单心圆，单洞净宽10.5m，净高5.0m
图5应变软化模型应力应变关系曲线
图6强度参数演化曲线
（2）数值模型及参数选取
图4数值计算模型
表3围岩及支护结构力学参数
四、计算结果
（1）围岩变形
表4不同支护工况下围岩变形比较（mm）
•当埋深为50m时，施作锚杆能有效地限制边墙水平位移。由于聚酯锚杆弹性模量较小，且此时杆体均未屈服，故其拱顶沉降、仰拱隆起、边墙水平位移略大于传统锚杆。
•当埋深为200m时，施作锚杆在控制围岩变形方面明显优于无锚杆支护。由于围岩变形较大，传统锚杆杆体大部分屈服，聚酯锚杆只有少数屈服，此时聚酯锚杆较传统锚杆能够更有效地控制围岩变形。
（2）锚杆轴力分布
(a)埋深50m (b)埋深200m
•当埋深为50m时，边墙处锚杆的受力较拱顶处大，传统锚杆的受力较聚酯锚杆大，且轴力都远远小于自身的抗拉强度。
•当埋深为200m时，拱顶及边墙处的传统锚杆均达到其极限抗拉强度200kN，此时拱顶处的聚酯锚杆也达到了其抗拉强度310kN，而边墙处聚酯锚杆的最大轴力为220kN，尚未失效。
（3）塑性区分布
•围岩在无锚杆支护、传统锚杆支护和聚酯锚杆支护三种情况下的塑性区面积分别是2128.58m2、1555.5m2、1517.1m2，施作聚酯锚杆后，围岩塑性区面积较传统锚杆支护减小2.7%，较无锚杆支护减小28.7%，说明聚酯锚杆较传统锚杆更好地限制围岩塑性区的发展。
（4）初期支护受力
表5初期支护受力（MPa）
•从表中可以看出，垂直应力在边墙处集中，水平应力在拱顶处集中。当埋深为50m时，锚杆受力较小，三种工况下初期支护受力并无明显差别。
•当埋深为200m时，与无锚杆支护相比，边墙垂直应力减小了14.8%，拱顶水平应力减小了11.9%。说明聚酯锚杆能有效地改善衬砌受力状态，减小应力集中。
五、主要结论
（1）拉拔试验中，传统锚杆的临界粘结长度小于聚酯锚杆，当锚固长度达到一定值后，聚酯锚杆表现出更好的拉拔性能。
（2）聚酯锚杆较传统锚杆具有更强的变形适应能力，特别是当隧道埋深及围岩变形较大时，传统锚杆杆体大部分进入屈服失效，此时，聚酯锚杆在控制围岩变形方面优于传统锚杆。
（3）施作锚杆能有效控制围岩塑性区的发展，改善支护受力。当埋深较大时，聚酯锚杆在控制围岩塑性区发展及改善支护受力方面优于传统锚杆。
成功提示
错误提示
警告提示
评论 （0）