第６５卷第１期 有 色 金 属（矿山部分） ２０１３年１月 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—４１７２．２０１３．Ｏ１．０１９ 盘式锚杆微观锚固机理数值模拟分析 辛方超，孙世国，关宇 （北方工业大学建筑工程学院，北京１００１４４） 摘 要：盘式锚杆通过锚盘在土体中发挥作用，很大程度上提高了锚杆的极限拉拔力，表明盘式锚杆在微观锚 固机理上有其自身的特殊性。通过ＭＩＤＡＳ－ＧＴＳ数值模拟软件进行建模，分析普通锚杆和盘式锚杆的微观锚固机 理，总结出盘式锚杆的特点和优势，更好地指导盘式锚杆在工程实践中的应用。 关键词：盘式锚杆；微观机理；数值模拟；极限拉拔力 中图分类号：ＴＤ３５３ ．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—４１７２（２０１３）０１ ００８０—０３ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏ１２ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｉｓｃ ｂｏｌｔｓ ＸＩＮ Ｆａｎｇｃｈａｏ，ＳＵＮ Ｓｈｉｇｕｏ，ＧＵＡＮ Ｙｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｓｃ ｂｏｌｔｓ ｐｌａｙ ａｎ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｒｏｌｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒ ｄｉｓｃ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ．Ｔｈｉｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｄｉｓｃ ｂｏｌｔ ｈａｓ ｉｔｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｍｅｃｈａ ｎｉｓｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｋｅｓ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｌｔｓ ａｎｄ ｄｉｓｃ ｂｏｌｔｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＩＤＡＳ—ＧＴＳ，ｔｈｅｎ ｓｕｍｓ ｕｐ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｄｉｓｃ ｂｏｌｔｓ． ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｓ ｔＯ ｍａｋｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｃ ｂｏｌｔｓ ｂｅｔｔｅｒ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｃ ｂｏｌｔｓ；ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｕｌｔｉｍａｔｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｆｏｒｃｅ 锚杆能很大程度地改善锚固土体的性能，在工 出盘式锚杆与普通锚杆在微观加固方面的区别，更 程加固中的成效明显，因此在边坡治理、矿山巷道支 好地指导盘式锚杆在实际加固工程中的应用。 护以及地下工程等领域都有广泛应用口］。然而众多 的锚杆理论研究表明，普通锚杆存在着自身的缺陷， １ 力学模型的建立 尤其是在微观机理上，普通锚杆容易在锚固段的最 从形式上讲，一个完整的锚固体系主要包括锚 外端产生较大应力集中，不能充分调动整根锚杆的 杆、灌浆体和周围围岩三部分。但本文主要针对的是 抗力性能，影响锚杆整体抗拔力的发挥。与之相比， 锚盘的存在对整根锚杆微观加固机理的影响，因此灌 带盘锚杆可以通过锚盘发挥锚固作用，用锚盘调动 浆体的因素不予考虑。周围围岩采用实验室土样的 周围岩体的抗剪能力，分担整体的拉拔力，能比普通 属性，不考虑不同围岩对应力应变规律的影响。另外 锚杆提高极限拉拔力数倍 ］。 锚杆锚固的自由段由于不会受锚盘因素的影响，所以 从加固形式上讲，盘式锚杆不同于分压锚索的 只是对锚固单元锚固段的锚固规律进行模拟。锚盘 多锚固单元的分压锚固，而是更接近于实际工程中 的模拟，虽然实际工程中采用的是不同强度的混凝土 的扩底支盘桩（Ｄｘ桩）。但与ＤＸ桩不同的是，盘式 挤拓盘，但由于混凝土盘属性的确定性较复杂（与本 锚杆受拉拔力、剪力上比ＤＸ桩要复杂很多，因此在 身强度、混凝土盘的厚度都有关系），因此采用统一的 应力应变规律等微观机理上也差别很大。本文运用 钢盘代替，直径为１５ ｃｍ，高度为１ ａｍ。盘间距采用 ＭＩＤＡＳ＿ＧＴｓ建模并进行数值模拟分析，将普通锚 最小盘距，盘距的最优确定公式［３ 见公式（１）。 杆和盘式锚杆的应力应变规律进行分析对比，并把 ＝＝＝ （１） 不同锚盘数量的锚杆的微观规律进行比较，希望得 式中： 一直杆段的锚身直径；Ｄ一拓盘直径；ｆ 一盘 基金项目：国家自然科学基金（４１１７２２５０）。 作者简介：辛方超（１９８７一），男，硕士研究生，岩土工程专业，主要从 与盘之间土体承载力标准值；ｑ 一盘与盘之间土体 事锚杆课题研究。 侧摩阻力标准值。 ８２ 有 色 金 属（矿山部分） 第６５卷 图５ 多盘锚杆微观锚固规律模拟图 Ｆｉｇ．５ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｌａｗ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｄｉｓｃｓ ｂｏｌｔ ３）规律分析：盘式锚杆的重要特点是把锚盘对 土体的抗剪能力充分调动起来，在锚盘作用的初期， 即土体尚未产生滑动破坏时，锚盘对上部土体的冲 剪力比本身锚杆的摩阻力要大很多，对土体的剪切 力是影响抗拔力的主要因素。一旦土体发生相应滑 动，此时会超过锚杆抗拔力的极限，锚盘会带动土体 发生冲剪破坏，主要有圆柱型、喇叭型和复合型三 种［６Ｊ。但无论哪种破坏，其主要抗力因素都为以锚 盘为圆底面的圆柱体滑动摩擦力，因此需要将盘式 锚杆的锚固分两个阶段来考虑。 未产生土体滑动阶段，此时锚盘上部会对土体 产生较大的剪切力，因此在锚盘偏上的地方会出现 一定的应力集中现象，同时土体对锚盘也会作用相 反的作用力，这部分作用力大部分作用于锚杆本身， 还有一小部分引起锚杆变形，对下部土体产生很轻 微的挤压，即锚盘下部应力会偏小一点。第一阶段 单盘微观锚固规律如图６。 拉拔力 Ｊ ｌ Ｊ１ ｛ １ ｌ 一锚盘 ｊ Ｉ Ｊ ｌ Ｉ图６第一阶段盘式锚杆单盘剪应力分布规律 Ｆｉｇ．６ Ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｄｉｓｃ ｂｏｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ 多盘锚杆可以看作是很多单盘锚杆的集合，其微观 锚固规律在每个锚盘处都会出现相近的剪切破坏规律； 不同的是，越接近自由段的锚盘，其应力集中越明显。 产生土体滑动的第二阶段，此时如果锚盘间距 合适，采用最优间距，其滑动之后，虽然土体产生塑 性变形，但整体滑动类似于加大直径的普通锚杆，其 微观锚固规律与普通锚杆相近。在规范Ｅ 中，锚杆 的极限拉拔力值公式见式（２）。 一∑７ｃ ｄＬ （２） 式中：Ｐ 锚杆的极限拉拔力； 一锚杆直径；Ｌ 一锚 杆在第ｉ层土体中的锚固长度；ｑ 一第ｉ层土体与 锚杆的平均粘接强度。 由公式可看出，直径的加大可以成倍提高锚杆 极限拉拔力，因此，其抗拉拔力有很明显的提高。第 二阶段多盘微观锚固规律如图７所示。 拉拔力 剪应力 ｙ 图７第二阶段盘式锚杆多盘剪应力分布规律 Ｆ ．７ Ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｄｉｓｃ ｂｏｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｓｔａｇｅ ３．３ 盘式锚杆和普通锚杆的综合对比分析 数值模拟的过程中，为使模拟结果明显，无盘锚 杆采用了５ ｋＮ拉拔力，盘式锚杆采用了２０ ｋＮ拉 拔力。其中，锚固段最外端、有盘锚杆锚盘处是最容 易出现剪应力集中的部位，总结此两部位的应力值， 可得出表１。 表１ 剪应力较大处的数值模拟结果 ｈｌｅ １ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆｔｈｅｍａｘｉｎｌｕｌｎ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ 各处对应的剪应力值 无盘锚杆 单盘锚杆 双盘锚杆 ／（ｋＮ・ｍ ） ５ｋＮ拉拔力２０ｋＮ拉拔力２０ｋＮ拉拔力 通过对比数值模拟结果和锚杆的微观锚固机理 分析，可以得出以下结论： ’ １）与无盘锚杆相比，盘式锚杆能够很好地实现剪 应力较均匀分布，尤其是多盘锚杆，能很大程度上改善 锚杆在锚固段最外端应力集中的现象，这是盘式锚杆 （下转第１００页） ｌＯＯ 有 色 金 属（矿山部分） 第６５卷 高于岩石的抗压强度，只会增加岩石过粉碎，消耗大 部分爆炸能量。 ４６处，束状孔为９．６７ ＭＰａ，等效单孔为７．１０ ＭＰａ。 综上所述，束状孔较等效单孔而言，爆破近区消 耗能量较少，传递到中远区的能量较高，尤其是在爆 破中区形成的裂隙范围比等效单孔大，这有利于破 ３）在相同的相对距离处，束状孔单元峰值压力 大于等效单孔，相对距离为６时，束状孔为８３．８ ＭＰａ，等效单孔为４１．２ ＭＰａ；在最远处相对距离为 ５（） 碎更多的岩石，爆破效果比等效单孑Ｌ好。 ＥｌｅｍｌｅＩ＇ｔｎｏ． ■ｍ祷 ｊＬ＿７湖Ｏ －ｊ．Ｌ∞ ＇ ＪＬ５１６１９ ＪＬ３９４５＇１ Ｆ ２嘲Ｂ ４（１ ：；｛１ Ｊ ＿１瑚・ Ｐ ２（１ Ｉ ｌ（） ｎ ０ ｂ Ｅ Ｆ ，Ｌ『＼ ／ 八 ／、 且ｃ－ Ｆ吐／ ｌ Ｂ／ｎｌ＃ Ｉ 且Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ ６ ｃ Ｖ －厂２ 一 ３ ４ Ｓ １０ ０ １ 时间／／／１Ｓ 图１０ 中远区单元压力一时间曲线 Ｆｉｇ．１０ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｔ ｚｏｎｅ 参 考 文 献 ［１］孙忠铭，陈何，王湖鑫．束状孔等效直径当量球形药包大量落 矿采矿技术ＥＪ］．矿业研究与开发，２００６，２６（增刊２）：４—７． Ｅ２３李裕春，时党勇，赵远．ＡＮＳＹＳ１０．０／ＬＳ－ＤＹＮＡ理论基础与 ［３］尚晓江，苏建宇－ＡＮＳＹＳ ＬＳ－ＤＹＮＡ动力分析方法与工程实 例［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６． ［４］ 白金泽．ＬＳ－ＤＹＮＡ３Ｄ理论基础与实例分析［Ｍ］．北京：科学 出版社，２００５． 工程实践［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６． ［５］赵海鸥．ＬＳ－ＤＹＮＡ动力分析指南［Ｍ］．北京：兵器工业出版 社。２００３． （上接第８２页） 能够提高锚杆极限拉拔力数倍的一个很重要因素， 可以说，盘式锚杆实现了锚杆应力分布的较合理化。 ２）与普通锚杆相比，在土体未滑动阶段盘式锚 杆，通过锚盘的抗剪力调动整根锚杆的抗拔能力，能 ２）通过微观锚固机理的研究分析，盘式锚杆无论 在外力作用的前期还是后期，都能极大地改善锚杆对 土体的作用条件，从而较大程度地提高锚杆性能。 ３）改善锚固段的最外端，提高其强度，可以减轻 因应力集中而造成的强度破坏，是改进普通锚杆和 盘式锚杆的一个很重要的探讨方向。 参 考 文 献 ［１］程良奎，范景伦，韩军，等．岩土锚固［Ｍ］．北京：中国建筑工业 出版社，２００３． 大幅提高初期锚杆的性能。在引发土体滑动的后期， 盘式锚杆通过改变本身直径来成倍提高锚杆的拉拔 力，不至于瞬间失稳，有效保证了锚杆的安全性。 ３）通过微观图显示，普通锚杆在锚固段的最外 端有很明显的应力集中现象，盘式锚杆在锚固段的 最外端和锚盘处也有应力集中现象，但盘式锚杆通 过挤拓盘实现了锚盘周围土体的强度提高，也减小 了锚固段最外端的应力集中现象，有效地提高了锚 杆抗拉拔性能。 Ｅ２］ 周密．盘式锚杆破坏机理及其应用技术的研究ＥＤ］．北京：北 方工业大学，２０１１． ［３］武熙，武维城，孙和．挤扩支盘桩及其成型设备一技术与应 用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４． ［４］朱训国．地下工程中注浆岩石锚杆锚固机理研究［Ｄ］．大连： 大连理工大学，２００６． ４ 结语 １）盘式锚杆在微观锚固机理方面与普通锚杆有 ［５］苏自约，林强有，丁国贵，等．岩土锚固技术的新发展与工程实 践［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００８． 很大差异，有其自身的特点，在施工的过程中，盘式 Ｌ６］郭刚，刘钟，杨松，等．不同埋深扩体锚杆竖向拉拨破坏模式 试验研究ＥＪ］．工业建筑，２０１２，４２（１）：１２３—１ ２７． ［７］梁炯望．锚固与注浆技术手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社， １ ９９９． 锚杆需要考虑的因素还很多，盘径、盘间距等因素都 会影响盘式锚杆的微观锚固机理。
