CC BY
13
УДК 624.153.7
ГРУНТОВЫЕ АНКЕРЫ С ГИБКОЙ ТЯГОЙ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОПОРОЙ: К ВОПРОСУ О МОДЕЛИРОВАНИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОСНОВАНИЕМ
Арестакес Арамович Крамаджян
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геомеханики, тел. (383)217-01-71, e-mail: [email protected]
Евгений Павлович Русин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геомеханики, тел. (383)217-07-38, e-mail: [email protected]
Станислав Борисович Стажевский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией прикладной геомеханики, тел. (383)217-07-63, e-mail: [email protected]
Хан Гил Нам
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект 54, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геомеханики, тел. (383)217-05-78, e-mail: [email protected]
Рассматриваются грунтовые анкеры с повышенной несущей способностью, реализуемой за счет натяжения их гибкой тяги под углом к оси установочной скважины. Сила трения, развивающаяся при этом между изогнутым участком анкерной тяги и основанием, увеличивает общее сопротивление конструкции выдергиванию. Для улучшения ее нагрузочной характеристики в грунтовое основание в области перегиба тяги устанавливают жесткую промежуточную опору. Взаимодействие такого анкера с основанием для случая крепления ограждения котлована смоделировано методом дискретных элементов. Получены исходные данные для выбора конструктивных параметров анкера, предназначенного для работы в данных конкретных условиях.
Ключевые слова: анкер, грунтовое основание, гибкая анкерная тяга, жесткая промежуточная опора, сила трения, несущая способность, ограждение котлована, метод дискретных элементов.
GROUND ANCHORS WITH A FLEXIBLE TENDON AND INTERMEDIATE SUPPORT: SIMULATION OF INTERACTION WITH THE GROUND BASE
Arestakes A. Kramadzhyan
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)217-01-71, e-mail: [email protected]
Evgeny P. Rusin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)217-07-38, e-mail: [email protected]
Stanislav B. Stazhevsky
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Head of Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)217-07-63, e-mail: [email protected]
Guil Nam Khan
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Physico-Mathematical Sciences , Senior Researcher, Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)217-05-78, e-mail: [email protected]
Ground anchors with flexible tendon are considered, the anchor bearing capacity being increased at the expense of pull force deviation from the anchor installation hole axis. The friction force, developing between the tendon bent portion and the ground base, increases the overall pull-out resistance of the anchor. To improve the anchor load-displacement diagram, a rigid intermediate support is installed in the ground base in the tendon bend area. Interaction of such anchor with the ground base has been simulated for the case of excavation shoring support using the discrete element method. Initial data have been obtained for selecting the anchor design parameters.
Key words: anchor, ground base, anchor flexible tendon, rigid intermediate support, friction force, bearing capacity, excavation sheeting, discrete element method.
В ИГД СО РАН разработаны грунтовые анкеры с гибкой тягой, в которых, в отличие от традиционных решений [1], повышение несущей способности, достигается за счет поворота выдергивающей силы на некоторый угол к оси установочной скважины анкера [2, 3]. При этом тяга изгибается и на контакте между ее изогнутым участком и огибаемой им опорной областью грунтового основания развивается сила трения, которая существенно увеличивает общее сопротивление конструкции выдергиванию. Анкеры такого типа названы Э-анкерами [3]. Для улучшения их эксплуатационных свойств предложено ввести в конструкцию новый элемент - промежуточную опору, которая фрикционно взаимодействует с огибающей ее анкерной тягой. Сопротивление такого анкера выдергиванию, как и в предыдущем случае, возрастает за счет реализующейся между тягой и опорой силы трения. Ее величина, согласно формуле Эйлера [4], экспоненциально растет с увеличением угла охвата опоры тягой и коэффициента трения между ними. Физические и численные эксперименты показали, что введение промежуточной опоры в конструкцию Э-анкеров позволяет существенно улучшить их нагрузочную характеристику [5].
Один из возможных вариантов применения Э-анкеров - временное крепление котлована станции метрополитена (рис. 1). В соответствии с представленной на рисунке схемой пята 1 анкера вместе с присоединенным концом пассивного участка 2 гибкой тяги (троса) размещены в вертикальной монтажной скважине 3 глубиной hc . В приямке 4 установлена жесткая опора 5. Активный (натягиваемый) участок 2' троса уложен в траншею 6. Скважина 3, приямок 4 и траншея 6 заполнены уплотненным тампонирующим материалом 7. Активный участок 2' троса через подхват 8 с помощью зажима 9 закреплен на продольном силовом поясе 10. Замковая часть анкера - пята 1 с пассивным участ-
ком троса 2, размещенные в монтажной скважине 3, - вынесена за границу 11 призмы обрушения. Устойчивость последней поддерживается ограждением 12. Пассивный 2 и активный 2' участки троса образуют между собой угол равный углу а охвата тросом опоры 5. Несущая способность такого анкера увеличена, по сравнению с устанавливаемыми по традиционной схеме (см. поз. 13), за счет развития при его нагружении сил трения на участке контакта троса 2 с опорой 5.
Рис. 1. Схема закрепления ограждения котлована станции метрополитена Э-анкерами:
1 - пята анкера; 2 - пассивный участок тяги; 2'- активный участок тяги; 3 - монтажная скважина анкера; 4 - приямок; 5 - опора; 6 - траншея для укладки троса; 7 - тампонажный сыпучий материал; 8 - подхват; 9 - зажим троса; 10 - силовой пояс; 11 - граница призмы обрушения; 12 - ограждение котлована; 13 - положение тяги анкера при его установке по традиционной схеме; а - угол охвата опоры тросом; Ис - глубина монтажной скважины анкера; 1С -длина монтажной скважины анкера при его установке по традиционной схеме
Численное моделирование крепления котлована глубиной 10 м в грунте с углом внутреннего трения р = 30° и сцеплением с = 5кПа проделано с использованием программы ВБЫ2В, реализующей разработанные в ИГД СО РАН мо-
дель геосреды [6-8] и версию метода дискретных элементов [9]. Предельно до*
пустимой нагрузкой на анкер является F, при которой геосреда в области его
*
пяты и опоры переходит в предельное состояние и они под действием F = const начинают непрерывно смещаться, а борт котлована и ограждение теряют устойчивость.
На рис. 2 представлен результат численного эксперимента при а = 0, иллюстрирующий поле контактных сил между частицами грунта, взаимодействующего с анкерной пятой диаметром 150 мм, на момент начала разрушения
$
геосреды с указанными характеристиками. Значение Fc = F = 56 кН для рассматриваемой (традиционной) конструкции анкера удалось получить лишь при доведении глубины hc (см. рис. 1) скважины, предназначенной для его установки до 5.5 м. При меньших ее значениях его несущая способность Fc < F . Это означает, что длина скважины при креплении борта котлована конструкцией, показанной на рис. 1, в случае ее установки по традиционной схеме, должна составлять не менее lc = 11 м (см. рис. 1).
F
t L Г С
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние грунтового массива,
нагружаемого анкером с гибкой тягой при приложении к ней силы ¥с = F = 56 кН (сеть линий, развившихся в основании от пяты анкера при нагружении, образована силами на контакте частиц, слагающих грунт)
На рис. 3 приведено НДС того же грунтового основания, усиленного Э-анкером. Оснащен он опять же пятой диаметром 150 мм, а также опорой, которая имеет радиус 0.25 м, площадь основания 0.5 м , угол а контакта с перекинутым через нее анкерным тросом равный 90° и коэффициент трения между ними к = 0.35. Численное моделирование показывает, что рассматриваемая конструкция крепления борта обеспечивает восприятие им заданной нагрузки F = 56 кН при глубине установки анкерной пяты на расстоянии от поверхности
кс = 3.5 м. Эта цифра в три раза меньше, чем в случае 1С = 11 м, для анкера с той же несущей способностью, но устанавливаемого по традиционной схеме. Экономические и иные следствия от сокращения объема работ, связанных с проходкой сотен намного более коротких анкерных скважин для временного крепления бортов котлованов при строительстве метрополитенов, очевидны. Таким образом, Э-анкер с заданными выше параметрами пяты, опоры и троса, при его натяжении силой F = 56 кН в грунте с характеристиками, указанными выше, обеспечивает устойчивость погонного метра борта котлована глубиной 10 м.
F*
Рис. 3. Напряженно-деформированное состояние грунтового массива, нагружаемого Э-анкером, при приложении к перекинутому через опору тросу горизонтальной силы F = 56 кН
Полученные данные являются исходными для выбора конструктивных параметров элементов Э-анкера, предназначенного для работы в данных конкретных условиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Xanthakos, P.P. Ground Anchors and Anchored Structures [Текст] / P.P. Xanthakos. -N.Y: Wiley, John & Sons. -1991. - 686 pp.
2. Пат. 2457293 Российская Федерация, E02D 5/80. Способ сооружения грунтового анкера [Текст] / С.Б. Стажевский, А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, Г.Н. Хан; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН. - № 2011101239/03; заявл. 12.01.2011; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21. - 6 с.
3. Крамаджян, А.А. О повышении несущей способности грунтовых анкеров с гибкой тягой [Текст] / А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, С.Б. Стажевский, Г.Н. Хан // ФТПРПИ.- 2014.-№6. - С. 96-106.
4. Бутенин, Н.В. Курс теоретической механики. В двух томах. Т. I: Статика и кинематика [Текст] / Н.В. Бутенин, Я. Лунц, Д.Р. Меркин. - 4-е изд., исправл. - М.: Наука, 1985. -240 с.
5. Об улучшении нагрузочной характеристики грунтовых анкеров с гибкой тягой / А. А. Крамаджян, Е. П. Русин, С. Б. Стажевский, Г. Н. Хан // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископае-
мых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 107-111.
6. Хан, Г.Н. Исследование процесса обрушения смерзшейся породы методом дискретных элементов [Текст] / Г.Н.Хан // Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых. Материалы III-ей международной научно-практической конференции. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2003. - С. 98 - 103.
7. Хан, Г.Н. О несимметричном режиме разрушения массива горных пород в окрестности полости [Текст] / Г.Н. Хан // Физическая мезомеханика. - 2008. - Т.11. - № 1. - С. 109 -
114.
8. Хан Г.Н. Моделирование методом дискретных элементов динамического разрушения горной породы [Текст] / Г.Н. Хан // ФТПРПИ. - 2012. - № 1. - С.110 - 117.
9. Cundall, P.A. A discrete numerical model for granular assemblies [Текст] / P.A. Cundall, O.D.L. Strack // Geotechnique. - 1979. - V. 29, no. 1. - Pp. 47 - 65.
© А. А. Крамаджян, Е. П. Русин, С. Б. Стажевский, Хан Гил Нам, 2016
