加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)：承載機(jī)制剖析與支護(hù)效應(yīng)探究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn)，地下工程在交通、能源、水利等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展不可或缺的一部分。然而，地下工程建設(shè)往往面臨復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，如軟土地層、破碎巖體、高水壓、高地應(yīng)力等，這些惡劣的地質(zhì)環(huán)境給地下工程的設(shè)計(jì)、施工與長期穩(wěn)定性帶來了巨大挑戰(zhàn)。在軟土地層中進(jìn)行隧道開挖時(shí)，土體的自穩(wěn)能力差，極易發(fā)生坍塌、沉降等問題，嚴(yán)重影響施工安全與工程質(zhì)量；而在高地應(yīng)力地區(qū)，巖體開挖后容易產(chǎn)生巖爆、大變形等災(zāi)害，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。為了確保地下工程在復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全穩(wěn)定，有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)作為一種新型的支護(hù)形式，融合了加筋噴砼拱肋的高強(qiáng)度和鎖腳錨桿的錨固作用，在實(shí)際工程中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。加筋噴砼拱肋通過在噴射混凝土中加入鋼筋或鋼纖維，提高了混凝土的抗拉、抗彎和抗剪性能，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力；鎖腳錨桿則通過將拱腳與穩(wěn)定的巖體相連，有效限制了拱腳的位移和變形，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。目前，針對(duì)加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的研究尚處于發(fā)展階段，對(duì)其承載機(jī)制和支護(hù)效應(yīng)的認(rèn)識(shí)還不夠深入。在承載機(jī)制方面，組合結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件之間的協(xié)同工作原理、荷載傳遞規(guī)律以及與圍巖的相互作用機(jī)制等問題仍有待進(jìn)一步研究；在支護(hù)效應(yīng)方面，不同地質(zhì)條件下組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化、支護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立以及如何根據(jù)工程實(shí)際情況合理選擇支護(hù)方案等，都是亟待解決的關(guān)鍵問題。深入研究加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的承載機(jī)制與支護(hù)效應(yīng)，對(duì)于完善地下工程支護(hù)理論、提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平、保障地下工程的安全穩(wěn)定具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本研究將為該組合結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，有助于推動(dòng)地下工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，促進(jìn)地下空間資源的合理開發(fā)與利用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1加筋噴砼拱肋研究現(xiàn)狀加筋噴砼拱肋作為一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，近年來在地下工程領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。國外學(xué)者EysteinGrimstad等通過計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和彎矩，給出了15個(gè)推薦的拱肋厚度、間距和鋼筋直徑、根數(shù)、排數(shù)，并將其繪制在Q系統(tǒng)圍巖分類支護(hù)材料設(shè)計(jì)表中，為非常軟弱圍巖中加筋噴混凝土拱肋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工提供了指導(dǎo)。在國內(nèi)，王敬武等以大朝山水電站地下廠房作為背景，介紹了拱頂開挖施工的過程，對(duì)鋼纖維噴射混凝土進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究。在該工程的某段采用了樹脂錨桿及濕噴鋼纖維加鋼筋肋拱混凝土支護(hù)方案，觀測表明該技術(shù)應(yīng)用效果良好，安全可靠。左正波、陳俊濤、肖明等學(xué)者基于三維彈塑性有限元方法，用隱式錨桿柱單元模擬錨桿，實(shí)體單元模擬鋼筋拱肋，在開挖荷載分級(jí)迭代過程中，根據(jù)鋼筋拱肋的應(yīng)力推求作用于拱肋法向的圍巖壓力，并將此壓力作為支護(hù)抗力反向作用于圍巖，進(jìn)而以頂拱含斷層帶的某地下廠房工程為例，對(duì)比分析考慮與不考慮支護(hù)抗力時(shí)加筋噴混凝土拱肋對(duì)頂拱的支護(hù)效應(yīng)。結(jié)果表明，考慮加筋噴混凝土拱肋支護(hù)抗力時(shí)支護(hù)效果更符合實(shí)際；加筋噴混凝土拱肋在圍巖變形時(shí)剛度逐漸增加，對(duì)圍巖提供法向約束力，限制圍巖向洞內(nèi)收斂變形，同時(shí)使淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)由單向或雙向轉(zhuǎn)化為三向，減少了傳遞至深部的圍巖荷載?，F(xiàn)有研究主要集中在加筋噴砼拱肋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析等方面。然而，對(duì)于加筋噴砼拱肋的承載機(jī)制，特別是其與圍巖之間的相互作用機(jī)理，尚未形成系統(tǒng)的理論體系。在不同地質(zhì)條件下，加筋噴砼拱肋的支護(hù)參數(shù)如何優(yōu)化，以達(dá)到最佳的支護(hù)效果，也有待進(jìn)一步深入研究。1.2.2鎖腳錨桿研究現(xiàn)狀鎖腳錨桿作為地下工程支護(hù)的重要手段，其作用機(jī)理和應(yīng)用效果一直是研究的熱點(diǎn)。國外在鎖腳錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用較早，上世紀(jì)初就有成功的應(yīng)用實(shí)例，并在全球范圍內(nèi)得到廣泛發(fā)展。在國內(nèi)，鎖腳錨桿支護(hù)技術(shù)起步于上世紀(jì)中葉，最初應(yīng)用于礦山隧道，后逐漸推廣到鐵路和公路隧道。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鎖腳錨桿的支護(hù)效果與錨桿數(shù)量、巖體彈性模量密切相關(guān)。有學(xué)者通過建立力學(xué)分析模型，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，對(duì)鎖腳錨桿受力和變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了各影響因素與拱頂沉降的關(guān)系，給出了鎖腳錨桿的設(shè)計(jì)和施工方法。在實(shí)際工程中，如廈門翔安隧道，針對(duì)其復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用鎖腳錨桿作為地下支撐的主要手段，有效控制了拱頂和地面下沉。還有研究通過數(shù)值模擬，分析了錨桿打入角度、注漿效果、拱架下放剛性墊塊等因素對(duì)錨桿作用效果的影響，但對(duì)于這些因素的最佳組合，理論上尚未給出明確解答。目前，雖然對(duì)鎖腳錨桿的作用機(jī)理和應(yīng)用有了一定認(rèn)識(shí)，但在一些關(guān)鍵問題上仍存在不足。例如，鎖腳錨桿在復(fù)雜地質(zhì)條件下的錨固性能和長期穩(wěn)定性研究較少，缺乏對(duì)其失效模式和破壞機(jī)制的深入分析。此外，鎖腳錨桿與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)（如加筋噴砼拱肋）的協(xié)同工作機(jī)理研究還不夠系統(tǒng)，在實(shí)際工程中如何更好地發(fā)揮其聯(lián)合支護(hù)作用，需要進(jìn)一步探索。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)承載機(jī)制研究：對(duì)加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的受力特性分別進(jìn)行深入分析，明確各構(gòu)件在不同荷載工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。通過理論推導(dǎo)，建立加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，考慮結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力、地下水壓力等多種荷載的組合作用，揭示組合結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件之間的荷載傳遞路徑和協(xié)同工作機(jī)理。運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同地質(zhì)條件下組合結(jié)構(gòu)的承載性能，研究圍巖性質(zhì)、埋深、地下水等因素對(duì)組合結(jié)構(gòu)承載能力的影響規(guī)律。加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)支護(hù)效應(yīng)研究：以實(shí)際地下工程為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測獲取組合結(jié)構(gòu)在施工過程中和運(yùn)營期間的變形、應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對(duì)比不同支護(hù)參數(shù)（如拱肋厚度、錨桿長度、間距等）下組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效應(yīng)，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提出適合不同地質(zhì)條件的加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)支護(hù)方案。建立加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)支護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合考慮圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、地表沉降等因素，運(yùn)用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等方法對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，為工程決策提供科學(xué)依據(jù)。加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用研究：從理論上分析組合結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用機(jī)理，考慮圍巖的彈塑性、流變特性以及組合結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸非線性，建立組合結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的力學(xué)模型。采用數(shù)值模擬方法，研究組合結(jié)構(gòu)與圍巖在開挖過程中的相互作用過程，分析圍巖變形對(duì)組合結(jié)構(gòu)受力的影響以及組合結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的控制作用。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步完善組合結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的理論和方法。1.3.2研究方法理論分析：基于結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、巖土力學(xué)等基本理論，建立加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，推導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形計(jì)算公式，分析組合結(jié)構(gòu)的承載機(jī)制和支護(hù)效應(yīng)。數(shù)值模擬：運(yùn)用有限元分析軟件（如ANSYS、FLAC3D等），建立加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)與圍巖的三維數(shù)值模型，模擬不同地質(zhì)條件下地下工程的開挖過程，分析組合結(jié)構(gòu)的受力、變形以及與圍巖的相互作用規(guī)律，為理論分析和工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。案例研究：選取典型的地下工程案例，對(duì)加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測和分析，獲取組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的受力、變形數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，總結(jié)組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和存在的問題。二、加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)概述2.1組成與結(jié)構(gòu)形式加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)主要由加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿兩部分組成，二者相互配合，共同承擔(dān)圍巖壓力，保障地下工程的穩(wěn)定。加筋噴砼拱肋通常由鋼筋（或鋼纖維）、噴射混凝土等材料構(gòu)成。其中，鋼筋作為加筋材料，能夠顯著提高噴射混凝土的抗拉和抗彎性能，增強(qiáng)拱肋的承載能力。鋼筋一般采用高強(qiáng)度的螺紋鋼筋，其直徑和間距根據(jù)工程的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，鋼筋的布置方式有多種，常見的有單層鋼筋布置和雙層鋼筋布置。單層鋼筋布置適用于圍巖條件較好、荷載較小的情況；雙層鋼筋布置則用于圍巖條件較差、荷載較大的工程，以提供更強(qiáng)的支護(hù)能力。鋼纖維是一種短而細(xì)的纖維材料，通常由鋼制成，其長度一般在20-60mm之間，直徑在0.3-0.8mm之間。鋼纖維均勻地分布在噴射混凝土中，能夠有效地阻止混凝土裂縫的擴(kuò)展，提高混凝土的韌性和抗沖擊性能。噴射混凝土是加筋噴砼拱肋的主體材料，它通過噴射設(shè)備將混凝土混合物高速噴射到圍巖表面，在短時(shí)間內(nèi)凝固形成具有一定強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)。噴射混凝土具有施工速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形。常用的噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)有C20、C25、C30等，具體選用根據(jù)工程的地質(zhì)條件和荷載要求確定。鎖腳錨桿一般由錨桿桿體、錨固裝置、墊板等部分組成。錨桿桿體是鎖腳錨桿的主要受力部件，通常采用高強(qiáng)度的鋼筋或鋼管制成。鋼筋錨桿具有較高的抗拉強(qiáng)度，適用于錨固力要求較高的情況；鋼管錨桿則具有較好的抗剪和抗彎性能，在復(fù)雜地質(zhì)條件下能夠更好地發(fā)揮作用。錨固裝置用于將錨桿固定在圍巖中，常見的錨固方式有機(jī)械式錨固、粘結(jié)式錨固和摩擦式錨固。機(jī)械式錨固通過錨桿頭部的機(jī)械結(jié)構(gòu)（如楔縫式、脹殼式等）與圍巖緊密結(jié)合，提供錨固力；粘結(jié)式錨固利用粘結(jié)劑（如水泥砂漿、樹脂等）將錨桿與圍巖粘結(jié)在一起，使錨桿能夠承受拉力和剪力；摩擦式錨固則依靠錨桿與圍巖之間的摩擦力來提供錨固力，如縫管式錨桿、楔管式錨桿等。墊板一般采用鋼板制成，安裝在錨桿的外露端，其作用是將錨桿的拉力均勻地傳遞到圍巖表面，防止圍巖局部破壞，同時(shí)增強(qiáng)錨桿與圍巖的連接穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)常見的結(jié)構(gòu)形式為：在地下工程的開挖輪廓線周邊，按照一定的間距和角度布置加筋噴砼拱肋，形成一個(gè)拱形的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以承受圍巖的豎向和側(cè)向壓力；在拱肋的拱腳部位，斜向下打入鎖腳錨桿，將拱腳與穩(wěn)定的圍巖緊密連接，有效限制拱腳的位移和變形，從而提高整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。加筋噴砼拱肋與鎖腳錨桿之間通過焊接、綁扎等方式進(jìn)行連接，確保二者能夠協(xié)同工作，共同發(fā)揮支護(hù)作用。例如，在某隧道工程中，加筋噴砼拱肋的厚度為20cm，鋼筋采用直徑為20mm的螺紋鋼筋，間距為20cm，呈雙層布置；鎖腳錨桿采用直徑為42mm的鋼管，長度為4m，與拱腳的夾角為45°，每榀拱肋的拱腳處設(shè)置2根鎖腳錨桿。通過這種結(jié)構(gòu)形式的組合，有效地控制了隧道圍巖的變形，保證了工程的安全施工。2.2工作原理與協(xié)同作用機(jī)制加筋噴砼拱肋的工作原理主要基于其組成材料的特性和結(jié)構(gòu)形式。噴射混凝土能夠與圍巖緊密貼合，及時(shí)填充圍巖表面的縫隙和孔洞，形成一層連續(xù)的支護(hù)層，有效阻止圍巖的風(fēng)化、剝落和松動(dòng)。同時(shí)，噴射混凝土還能對(duì)圍巖提供一定的徑向約束，限制圍巖的變形。鋼筋（或鋼纖維）的加入則顯著提高了噴射混凝土的抗拉和抗彎性能。在承受荷載時(shí)，鋼筋能夠承擔(dān)大部分的拉力，防止噴射混凝土因受拉而開裂破壞；鋼纖維則均勻分布在混凝土中，起到了增強(qiáng)混凝土韌性和抗裂性的作用，使混凝土在受到?jīng)_擊或變形時(shí)，能夠更好地保持整體性。當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，加筋噴砼拱肋通過與圍巖之間的摩擦力和粘結(jié)力，將圍巖的變形傳遞到自身結(jié)構(gòu)上。由于拱肋的拱形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠?qū)⒇Q向荷載轉(zhuǎn)化為拱向的壓力，從而充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能。同時(shí)，鋼筋和鋼纖維的協(xié)同作用，使得拱肋在承受壓力的同時(shí)，也具備了一定的抗拉和抗彎能力，有效地提高了拱肋的承載能力和穩(wěn)定性。鎖腳錨桿的工作原理是通過將拱腳與深部穩(wěn)定的圍巖連接起來，利用錨桿與圍巖之間的錨固力，限制拱腳的位移和變形。當(dāng)隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，拱腳部位會(huì)承受較大的壓力和剪力，容易發(fā)生下沉和滑移。鎖腳錨桿的錨固力能夠提供一個(gè)反向的作用力，平衡拱腳所受到的部分荷載，從而保證拱腳的穩(wěn)定性。此外，鎖腳錨桿還能對(duì)圍巖起到一定的加固作用，通過錨桿的錨固作用，使周圍的巖體形成一個(gè)整體，提高了巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。例如，在某隧道工程中，由于圍巖較為軟弱，采用鎖腳錨桿后，拱腳的下沉量明顯減小，有效地控制了隧道的變形。在不同工況下，加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了良好的協(xié)同承載和支護(hù)作用機(jī)制。在正常施工工況下，加筋噴砼拱肋首先承受圍巖的大部分荷載，將荷載傳遞到拱腳。鎖腳錨桿則在拱腳部位發(fā)揮錨固作用，限制拱腳的位移，保證拱肋的穩(wěn)定性。二者相互配合，共同維持圍巖的穩(wěn)定。在遇到突發(fā)荷載（如地震、涌水等）時(shí)，加筋噴砼拱肋能夠憑借其良好的整體性和承載能力，抵抗部分突發(fā)荷載。鎖腳錨桿則通過加強(qiáng)拱腳的錨固，防止拱腳在突發(fā)荷載作用下發(fā)生破壞，從而保證整個(gè)組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在軟弱圍巖工況下，圍巖的自穩(wěn)能力較差，變形較大。加筋噴砼拱肋能夠及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形。鎖腳錨桿則通過深入穩(wěn)定的圍巖，提供更強(qiáng)的錨固力，增強(qiáng)拱腳的穩(wěn)定性，確保加筋噴砼拱肋能夠有效地發(fā)揮支護(hù)作用。通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)在不同工況下的協(xié)同作用效果顯著。在某隧道工程的現(xiàn)場監(jiān)測中，當(dāng)隧道開挖后，加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿共同作用，使得隧道周邊圍巖的位移和應(yīng)力得到了有效的控制。數(shù)值模擬結(jié)果也表明，組合結(jié)構(gòu)能夠顯著提高支護(hù)體系的承載能力和穩(wěn)定性，在不同工況下都能較好地適應(yīng)圍巖的變化，保障地下工程的安全。三、加筋噴砼拱肋的承載機(jī)制3.1力學(xué)模型建立在建立加筋噴砼拱肋的力學(xué)模型時(shí)，充分考慮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力狀態(tài)，基于彈性力學(xué)和材料力學(xué)理論，將加筋噴砼拱肋簡化為承受均布荷載的曲梁結(jié)構(gòu)。假設(shè)加筋噴砼拱肋的截面為矩形，鋼筋均勻分布在混凝土中，且鋼筋與混凝土之間粘結(jié)良好，能夠協(xié)同變形。對(duì)于彈性力學(xué)理論的運(yùn)用，主要體現(xiàn)在對(duì)拱肋結(jié)構(gòu)整體受力的分析上，考慮拱肋在圍巖壓力、結(jié)構(gòu)自重等荷載作用下的應(yīng)力和應(yīng)變分布。依據(jù)彈性力學(xué)中的平面應(yīng)力問題或空間應(yīng)力問題的基本方程，結(jié)合拱肋的邊界條件和受力情況，推導(dǎo)其應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算公式。在分析拱肋的彎曲和剪切變形時(shí)，運(yùn)用彈性力學(xué)中的梁理論，將拱肋視為彈性梁，考慮其抗彎剛度和抗剪剛度對(duì)變形的影響。在材料力學(xué)方面，著重考慮鋼筋和混凝土兩種材料的力學(xué)性能差異以及它們之間的協(xié)同工作?；炷林饕惺軌毫?，其抗壓強(qiáng)度是模型中的重要參數(shù)，通過試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式確定。例如，根據(jù)相關(guān)的混凝土材料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，進(jìn)行混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度測試，得到其抗壓強(qiáng)度值，并將其代入力學(xué)模型中。鋼筋則主要承受拉力，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量是關(guān)鍵參數(shù)。同樣通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，獲取鋼筋的抗拉強(qiáng)度和彈性模量數(shù)據(jù)。在模型中，考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力，通過粘結(jié)強(qiáng)度參數(shù)來體現(xiàn)。粘結(jié)強(qiáng)度的確定可以參考相關(guān)的研究成果或工程經(jīng)驗(yàn)，也可以通過專門的粘結(jié)試驗(yàn)來測定。在建立力學(xué)模型的過程中，確定了以下關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)：截面幾何參數(shù)：包括拱肋的高度h、寬度b，這些參數(shù)直接影響拱肋的抗彎和抗剪能力。通過對(duì)工程實(shí)際需求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的分析，確定合理的截面尺寸。在某隧道工程中，根據(jù)圍巖條件和預(yù)計(jì)的荷載大小，經(jīng)過計(jì)算和分析，確定加筋噴砼拱肋的高度為0.3m，寬度為0.2m。材料力學(xué)參數(shù)：混凝土的彈性模量E_c、泊松比\nu_c、抗壓強(qiáng)度f_c，鋼筋的彈性模量E_s、抗拉強(qiáng)度f_s等。這些參數(shù)通過材料試驗(yàn)獲取，以確保模型的準(zhǔn)確性。例如，對(duì)工程中使用的混凝土進(jìn)行彈性模量測試，采用標(biāo)準(zhǔn)的壓縮試驗(yàn)方法，得到其彈性模量為3.0\times10^4MPa；對(duì)鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測定其抗拉強(qiáng)度為400MPa。荷載參數(shù)：結(jié)構(gòu)自重g，通過計(jì)算拱肋的體積和材料密度得到；圍巖壓力q，根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件、埋深等因素，運(yùn)用相關(guān)的圍巖壓力計(jì)算方法確定。在一個(gè)埋深為50m的地下工程中，根據(jù)圍巖的力學(xué)性質(zhì)和覆蓋層厚度，采用太沙基理論計(jì)算得到圍巖壓力為150kPa。此外，還考慮了可能存在的地下水壓力等其他荷載。若工程處于地下水位以下，根據(jù)地下水的水位高度和水的密度，計(jì)算地下水壓力，并將其作為荷載參數(shù)納入力學(xué)模型中?；谏鲜黾僭O(shè)和參數(shù)，建立加筋噴砼拱肋的力學(xué)分析模型，通過求解該模型，可以得到拱肋在不同荷載工況下的內(nèi)力（彎矩M、剪力V、軸力N）和變形（豎向位移w、水平位移u）。在求解過程中，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法、位移法等基本方法，結(jié)合拱肋的力學(xué)模型和邊界條件，進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和推導(dǎo)。以力法為例，首先確定基本結(jié)構(gòu)，解除多余約束，得到靜定的基本體系。然后，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，建立力法方程，求解多余未知力。最后，根據(jù)平衡條件，計(jì)算拱肋的內(nèi)力和變形。在實(shí)際計(jì)算中，借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值求解，提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。3.2承載特性分析為深入研究加筋噴砼拱肋在不同荷載作用下的承載特性，采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法進(jìn)行全面分析。運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立加筋噴砼拱肋的三維數(shù)值模型，模型中，混凝土采用Solid65單元進(jìn)行模擬，該單元能夠較好地模擬混凝土的抗壓、抗拉性能以及開裂、壓碎等非線性行為；鋼筋采用Link8單元模擬，可準(zhǔn)確模擬鋼筋的受拉性能。通過合理設(shè)置單元尺寸和網(wǎng)格劃分，確保模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。對(duì)模型施加不同類型的荷載，包括均布荷載、集中荷載以及考慮圍巖壓力分布的非均勻荷載等。均布荷載模擬較為簡單，直接在拱肋的上表面施加均布的壓力荷載；集中荷載則根據(jù)實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的集中力作用點(diǎn)，在相應(yīng)位置施加集中力；對(duì)于非均勻荷載，根據(jù)圍巖壓力的理論計(jì)算公式或現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，確定荷載在拱肋上的分布形式，然后在模型中進(jìn)行施加。在均布荷載作用下，加筋噴砼拱肋的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。拱頂部位主要承受壓力，應(yīng)力分布較為均勻，混凝土承擔(dān)了大部分的壓力荷載。隨著荷載的增加，拱頂混凝土的壓應(yīng)力逐漸增大，但由于鋼筋的存在，限制了混凝土裂縫的開展，使得拱頂能夠承受較大的壓力。在某一均布荷載作用下，通過數(shù)值模擬計(jì)算得到拱頂混凝土的最大壓應(yīng)力為15MPa，而此時(shí)鋼筋的拉應(yīng)力較小，主要起到輔助增強(qiáng)的作用。拱腳部位除了承受壓力外，還承受較大的彎矩和剪力。彎矩使得拱腳內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓，鋼筋在受拉區(qū)發(fā)揮主要作用，承擔(dān)拉力；混凝土在受壓區(qū)承受壓力。剪力則由混凝土和鋼筋共同承擔(dān)，其中混凝土主要承受剪力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，鋼筋通過與混凝土的粘結(jié)作用，協(xié)助抵抗剪力。在同樣的均布荷載下，拱腳內(nèi)側(cè)鋼筋的拉應(yīng)力達(dá)到200MPa，混凝土的壓應(yīng)力為18MPa，剪應(yīng)力為5MPa。應(yīng)變分布方面，拱頂部位的豎向應(yīng)變較大，隨著荷載的增加，豎向應(yīng)變逐漸增大，且應(yīng)變分布較為均勻。在拱腳部位，由于彎矩和剪力的作用，豎向應(yīng)變和水平應(yīng)變都較為復(fù)雜，靠近內(nèi)側(cè)受拉區(qū)的豎向應(yīng)變較大，而靠近外側(cè)受壓區(qū)的水平應(yīng)變較大。當(dāng)施加集中荷載時(shí)，加筋噴砼拱肋的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。在集中荷載作用點(diǎn)附近，混凝土和鋼筋的應(yīng)力急劇增大。以在拱頂施加集中荷載為例，荷載作用點(diǎn)處混凝土的壓應(yīng)力可達(dá)30MPa，鋼筋的拉應(yīng)力也顯著增加。隨著距離集中荷載作用點(diǎn)的距離增大，應(yīng)力逐漸減小。應(yīng)變分布同樣呈現(xiàn)出明顯的局部性，集中荷載作用點(diǎn)附近的應(yīng)變較大，遠(yuǎn)離作用點(diǎn)的區(qū)域應(yīng)變相對(duì)較小。在承載能力方面，集中荷載作用下加筋噴砼拱肋的承載能力低于均布荷載作用時(shí)。當(dāng)集中荷載達(dá)到一定值時(shí)，拱肋會(huì)首先在集中荷載作用點(diǎn)附近出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致拱肋破壞。考慮圍巖壓力分布的非均勻荷載作用下，加筋噴砼拱肋的應(yīng)力、應(yīng)變分布更加復(fù)雜。由于圍巖壓力在不同部位的大小和方向不同，拱肋各部位的受力狀態(tài)也相應(yīng)變化。在圍巖壓力較大的部位，拱肋承受的壓力和彎矩較大，應(yīng)力和應(yīng)變也較大；而在圍巖壓力較小的部位，拱肋的受力相對(duì)較小。在某一非均勻圍巖壓力分布情況下，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，拱頂一側(cè)由于圍巖壓力較大，混凝土的壓應(yīng)力達(dá)到18MPa，鋼筋拉應(yīng)力為220MPa；而另一側(cè)圍巖壓力較小，混凝土壓應(yīng)力為10MPa，鋼筋拉應(yīng)力為150MPa。這種非均勻的應(yīng)力分布對(duì)拱肋的承載能力產(chǎn)生了顯著影響，使得拱肋更容易在受力較大的部位出現(xiàn)破壞。通過對(duì)不同荷載作用下加筋噴砼拱肋的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律及承載能力變化情況的分析，發(fā)現(xiàn)加筋噴砼拱肋在均布荷載作用下，受力較為均勻，承載能力相對(duì)較高；集中荷載作用下，應(yīng)力集中明顯，承載能力較低；非均勻荷載作用下，應(yīng)力、應(yīng)變分布復(fù)雜，對(duì)承載能力的影響較大。鋼筋在拱肋中起到了關(guān)鍵的作用，能夠有效提高拱肋的抗拉和抗彎能力，限制混凝土裂縫的開展，從而增強(qiáng)拱肋的承載能力。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體的荷載情況，合理設(shè)計(jì)加筋噴砼拱肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)和配筋率，以確保其具有足夠的承載能力和穩(wěn)定性。3.3影響因素探討為深入探究拱肋厚度、配筋率、混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)加筋噴砼拱肋承載性能的影響，運(yùn)用控制變量法，借助有限元軟件進(jìn)行細(xì)致模擬分析。在模擬過程中，每次僅改變一個(gè)因素，保持其他因素不變，從而準(zhǔn)確分析每個(gè)因素對(duì)承載性能的單獨(dú)影響。拱肋厚度對(duì)加筋噴砼拱肋的承載性能有著顯著影響。當(dāng)拱肋厚度逐漸增加時(shí)，其承載能力得到明顯提升。以某地下工程的加筋噴砼拱肋為例，在其他條件相同的情況下，將拱肋厚度從20cm增加到30cm，通過有限元模擬計(jì)算得到，拱肋的最大承載能力提高了30%。這是因?yàn)楣袄吆穸鹊脑黾?，使得其截面慣性矩增大，抗彎和抗剪能力增強(qiáng)。在承受荷載時(shí)，能夠更好地抵抗彎矩和剪力的作用，減少拱肋的變形和裂縫開展。從應(yīng)力分布角度來看，隨著拱肋厚度的增加，拱肋內(nèi)部的應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。在拱頂和拱腳等關(guān)鍵部位，應(yīng)力值明顯降低，從而提高了拱肋的整體承載性能。然而，拱肋厚度的增加也并非無限制，當(dāng)厚度超過一定值后，承載能力的提升幅度逐漸減小，同時(shí)會(huì)增加工程成本和施工難度。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮工程需求、地質(zhì)條件和成本等因素，合理確定拱肋厚度。配筋率也是影響加筋噴砼拱肋承載性能的重要因素。隨著配筋率的提高，加筋噴砼拱肋的承載能力顯著增強(qiáng)。在模擬中，將配筋率從1%提高到2%，拱肋的極限承載能力提高了25%。這是因?yàn)殇摻钅軌虺袚?dān)更多的拉力，彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度不足的缺陷。在受彎和受拉工況下，鋼筋能夠有效地限制混凝土裂縫的開展，使拱肋在破壞前能夠承受更大的荷載。同時(shí)，配筋率的提高還能改善拱肋的延性，使其在承受較大變形時(shí)仍能保持一定的承載能力。當(dāng)配筋率達(dá)到一定程度后，再繼續(xù)增加配筋率，承載能力的提升效果不再明顯。過高的配筋率還可能導(dǎo)致鋼筋之間的握裹力不足，影響鋼筋與混凝土的協(xié)同工作效果。因此，在設(shè)計(jì)加筋噴砼拱肋時(shí)，需要根據(jù)工程的具體情況，合理確定配筋率，以達(dá)到最佳的承載性能和經(jīng)濟(jì)效益。混凝土強(qiáng)度對(duì)加筋噴砼拱肋的承載性能同樣起著關(guān)鍵作用。提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，能夠顯著提高拱肋的承載能力。例如，將混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C20提高到C30，拱肋的抗壓強(qiáng)度提高了50%，在承受相同荷載時(shí)，拱肋的變形明顯減小。這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度的提高，使其能夠承受更大的壓力，在拱肋受壓區(qū)能夠更好地發(fā)揮作用。在承受較大荷載時(shí)，高強(qiáng)度的混凝土能夠有效抵抗壓應(yīng)力，減少混凝土的壓碎破壞風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，混凝土強(qiáng)度的提高還能增強(qiáng)其與鋼筋之間的粘結(jié)力，使鋼筋和混凝土能夠更好地協(xié)同工作，進(jìn)一步提高拱肋的承載性能。然而，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)也會(huì)增加材料成本和施工難度。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)工程的重要性、荷載大小和地質(zhì)條件等因素，合理選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)。通過控制變量法模擬分析可知，拱肋厚度、配筋率和混凝土強(qiáng)度對(duì)加筋噴砼拱肋的承載性能均有顯著影響。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高加筋噴砼拱肋的承載性能，確保地下工程的安全穩(wěn)定。四、鎖腳錨桿的支護(hù)作用機(jī)制4.1支護(hù)原理鎖腳錨桿作為地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其支護(hù)原理主要涵蓋懸吊作用、擠壓加固作用以及組合梁（拱）作用等多個(gè)方面，這些作用相互協(xié)同，共同保障地下工程的穩(wěn)定。懸吊作用是鎖腳錨桿的基本支護(hù)原理之一。在地下工程開挖過程中，由于圍巖的應(yīng)力重分布，靠近開挖面的巖體往往會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、破碎等現(xiàn)象，形成不穩(wěn)定的巖土體。鎖腳錨桿通過穿過這些軟弱、松動(dòng)、不穩(wěn)定的巖土體，將其錨固在深部穩(wěn)定的巖土體上。錨桿憑借自身的抗拉強(qiáng)度，提供足夠的拉力，克服滑落巖土體的自重和下滑力，從而有效防止洞壁的滑移和塌落。在某隧道工程中，通過在拱腳部位設(shè)置鎖腳錨桿，成功將上部不穩(wěn)定的巖體懸吊在下部穩(wěn)定的巖體上，有效控制了隧道拱腳的變形和坍塌，確保了施工的安全進(jìn)行。擠壓加固作用也是鎖腳錨桿的重要支護(hù)原理。當(dāng)鎖腳錨桿受力后，在其周圍一定范圍內(nèi)會(huì)形成壓縮區(qū)。這是因?yàn)殄^桿在受到拉力時(shí)，會(huì)對(duì)周圍的巖土體產(chǎn)生擠壓作用，使巖土體的顆粒之間更加緊密，孔隙減小。通過將錨桿以適當(dāng)?shù)姆绞脚帕?，使相鄰錨桿各自形成的壓縮區(qū)相互重疊，進(jìn)而形成一個(gè)連續(xù)的壓縮帶。在這個(gè)壓縮帶內(nèi)，原本松動(dòng)的地層通過錨桿的加固作用，整體性得到顯著增強(qiáng)，承載能力也大幅提高。在某地下洞室工程中，采用了鎖腳錨桿支護(hù)后，通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，洞室周圍巖體的彈性模量明顯增大，說明巖體的承載能力得到了提高，這正是鎖腳錨桿擠壓加固作用的體現(xiàn)。組合梁（拱）作用是鎖腳錨桿支護(hù)原理的另一個(gè)重要方面。當(dāng)鎖腳錨桿插入地層內(nèi)一定深度后，在錨固力的作用下，地層間會(huì)相互擠壓，層間摩阻力增大。這使得原本簡單疊合的數(shù)層梁（拱）結(jié)構(gòu)，通過錨桿的連接和約束作用，相當(dāng)于變成了組合梁（拱）結(jié)構(gòu)。組合梁（拱）的抗彎剛度和強(qiáng)度相比原結(jié)構(gòu)得到了極大的提高，從而增強(qiáng)了地層的承載能力。在實(shí)際工程中，鎖腳錨桿的錨固力越大，這種組合梁（拱）作用就越明顯。在某地下停車場的建設(shè)中，通過合理布置鎖腳錨桿，形成了有效的組合拱結(jié)構(gòu)，成功承受了上部土體和車輛荷載的作用，保證了停車場的穩(wěn)定。鎖腳錨桿的支護(hù)原理是一個(gè)多方面協(xié)同作用的復(fù)雜體系，懸吊作用、擠壓加固作用和組合梁（拱）作用相互配合，共同提高了圍巖的穩(wěn)定性和承載能力，為地下工程的安全施工和長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、工程要求等因素，合理設(shè)計(jì)和布置鎖腳錨桿，充分發(fā)揮其支護(hù)作用。4.2受力特性分析為深入研究鎖腳錨桿在不同地質(zhì)條件和施工工況下的受力狀態(tài)及變化規(guī)律，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，進(jìn)行多方面的分析。運(yùn)用有限元軟件FLAC3D建立包含鎖腳錨桿的地下工程模型，模型中圍巖采用實(shí)體單元模擬，根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇合適的本構(gòu)模型，如摩爾-庫侖模型、霍克-布朗模型等。鎖腳錨桿采用植入式桁架單元模擬，能準(zhǔn)確反映錨桿的軸向受力和與圍巖的相互作用。在模擬不同地質(zhì)條件時(shí)，通過改變圍巖的力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟弱圍巖，降低其彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)；對(duì)于堅(jiān)硬圍巖，則相應(yīng)提高這些參數(shù)。同時(shí)，考慮地下水的影響，通過設(shè)置孔隙水壓力和滲透系數(shù)來模擬地下水的滲流作用。在施工工況模擬方面，按照實(shí)際施工順序，依次進(jìn)行隧道開挖、初期支護(hù)、鎖腳錨桿安裝等步驟。在開挖過程中，采用分步開挖的方式，模擬不同施工階段鎖腳錨桿的受力變化。在軟弱圍巖條件下，如某隧道穿越的粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層，圍巖自穩(wěn)能力差。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，鎖腳錨桿在這種地質(zhì)條件下承受較大的拉力和剪力。在隧道開挖初期，由于圍巖的變形較大，鎖腳錨桿的拉力迅速增加，最大值可達(dá)50kN。隨著初期支護(hù)的施作，錨桿拉力有所減小，但仍保持在較高水平。同時(shí)，由于拱腳部位的應(yīng)力集中，鎖腳錨桿還承受較大的剪力，最大值約為20kN。從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，在該軟弱圍巖隧道中，通過在拱腳處安裝鎖腳錨桿，對(duì)拱腳的位移和變形起到了明顯的限制作用。在某一監(jiān)測斷面，安裝鎖腳錨桿后，拱腳的下沉量相比未安裝時(shí)減少了30%，水平位移減少了25%。這表明鎖腳錨桿在軟弱圍巖中能夠有效地發(fā)揮錨固作用，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在堅(jiān)硬圍巖條件下，如某隧道穿越的花崗巖地層，圍巖強(qiáng)度高。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，鎖腳錨桿的受力相對(duì)較小。在隧道開挖過程中，錨桿的拉力最大值僅為10kN，剪力也較小，約為5kN。這是因?yàn)閳?jiān)硬圍巖的自穩(wěn)能力較強(qiáng)，對(duì)鎖腳錨桿的依賴程度較低。然而，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，即使在堅(jiān)硬圍巖中，鎖腳錨桿仍然對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的貢獻(xiàn)。在一些節(jié)理裂隙發(fā)育的部位，鎖腳錨桿能夠增強(qiáng)巖體的整體性，防止局部巖體的失穩(wěn)。在某堅(jiān)硬圍巖隧道的節(jié)理發(fā)育段，安裝鎖腳錨桿后，該部位的圍巖變形得到了有效控制，未出現(xiàn)明顯的坍塌現(xiàn)象。在不同施工工況下，鎖腳錨桿的受力也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在臺(tái)階法施工中，上臺(tái)階開挖后，鎖腳錨桿主要承受由于上臺(tái)階圍巖變形引起的拉力和剪力。當(dāng)下臺(tái)階開挖時(shí)，鎖腳錨桿的受力進(jìn)一步增大，因?yàn)橄屡_(tái)階開挖會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，拱腳部位的受力更加復(fù)雜。在CD法施工中，由于施工過程中臨時(shí)支撐的設(shè)置和拆除，鎖腳錨桿的受力會(huì)出現(xiàn)多次變化。在拆除臨時(shí)支撐時(shí)，鎖腳錨桿需要承擔(dān)更多的荷載，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。通過對(duì)不同施工工況下鎖腳錨桿受力特性的分析，為優(yōu)化施工方案和合理設(shè)計(jì)鎖腳錨桿提供了依據(jù)。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件和施工工況，調(diào)整鎖腳錨桿的長度、間距、直徑等參數(shù)，以確保其能夠充分發(fā)揮支護(hù)作用。4.3關(guān)鍵參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響錨桿長度、直徑、間距、錨固方式等參數(shù)對(duì)鎖腳錨桿支護(hù)效果有著顯著影響，通過數(shù)值模擬和理論分析，深入探討這些參數(shù)的作用機(jī)制，為實(shí)際工程提供科學(xué)依據(jù)。在數(shù)值模擬中，建立包含鎖腳錨桿的地下工程模型，采用合適的本構(gòu)模型和單元類型模擬圍巖和錨桿。通過改變錨桿長度，分析其對(duì)支護(hù)效果的影響。結(jié)果表明，隨著錨桿長度的增加，支護(hù)效果顯著提升。在某軟弱圍巖隧道工程中，當(dāng)錨桿長度從3m增加到4m時(shí)，拱頂下沉量減少了20%，拱腳水平位移減少了15%。這是因?yàn)檩^長的錨桿能夠錨固到更深層、更穩(wěn)定的圍巖中，提供更大的錨固力，從而更有效地限制圍巖的變形。然而，當(dāng)錨桿長度超過一定值后，支護(hù)效果的提升幅度逐漸減小。當(dāng)錨桿長度增加到5m時(shí)，拱頂下沉量僅比4m時(shí)減少了5%，這是由于過長的錨桿可能會(huì)超出有效錨固范圍，增加成本的同時(shí)，對(duì)支護(hù)效果的提升作用有限。錨桿直徑的變化也會(huì)對(duì)支護(hù)效果產(chǎn)生重要影響。增大錨桿直徑，能提高錨桿的抗拉和抗剪能力，從而增強(qiáng)支護(hù)效果。在模擬中，將錨桿直徑從22mm增大到25mm，錨桿的極限抗拉承載力提高了30%。在實(shí)際工程中，當(dāng)遇到較大的圍巖壓力時(shí)，增大錨桿直徑可以有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在某地下洞室工程中，通過增大錨桿直徑，成功控制了洞室周邊圍巖的變形。但增大錨桿直徑也會(huì)增加材料成本和施工難度。在選擇錨桿直徑時(shí)，需要綜合考慮工程的具體需求和成本因素。錨桿間距對(duì)支護(hù)效果同樣具有重要影響。減小錨桿間距，能夠增加錨固點(diǎn)的數(shù)量，使圍巖的受力更加均勻，從而提高支護(hù)效果。在某隧道工程中，將錨桿間距從1m減小到0.8m，圍巖的最大主應(yīng)力降低了15%，說明減小間距能夠有效改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。然而，過小的錨桿間距會(huì)導(dǎo)致錨桿之間的相互作用減弱，增加工程成本。當(dāng)錨桿間距過小時(shí)，相鄰錨桿的壓縮區(qū)相互重疊過多，反而會(huì)降低錨固效果。在確定錨桿間距時(shí)，需要根據(jù)圍巖的性質(zhì)、荷載大小等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。錨固方式是影響鎖腳錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵因素之一。不同的錨固方式具有不同的錨固性能和適用條件。機(jī)械式錨固通過錨桿頭部的機(jī)械結(jié)構(gòu)與圍巖緊密結(jié)合，安裝方便，能夠快速提供錨固力，但錨固力相對(duì)較小。在一些臨時(shí)支護(hù)工程中，機(jī)械式錨固的鎖腳錨桿能夠滿足短期的錨固需求。粘結(jié)式錨固利用粘結(jié)劑將錨桿與圍巖粘結(jié)在一起，錨固力較大，耐久性好，但施工工藝相對(duì)復(fù)雜。在永久性支護(hù)工程中，粘結(jié)式錨固的鎖腳錨桿應(yīng)用較為廣泛。摩擦式錨固依靠錨桿與圍巖之間的摩擦力提供錨固力，適用于一些特殊的地質(zhì)條件，如軟巖、破碎巖體等。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件、工程要求等因素，合理選擇錨固方式。在軟弱圍巖中，采用粘結(jié)式錨固并配合注漿加固，可以提高錨桿的錨固效果和圍巖的穩(wěn)定性。通過對(duì)錨桿長度、直徑、間距、錨固方式等參數(shù)對(duì)鎖腳錨桿支護(hù)效果影響的分析，明確了各參數(shù)的作用規(guī)律和最佳取值范圍。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件和工程要求，綜合考慮這些參數(shù)，優(yōu)化鎖腳錨桿的設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的支護(hù)效果。五、組合結(jié)構(gòu)承載機(jī)制的數(shù)值模擬分析5.1數(shù)值模型建立利用有限元軟件ANSYS建立加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的數(shù)值模型。在模型構(gòu)建過程中，充分考慮實(shí)際工程的復(fù)雜情況，對(duì)各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化與模擬。對(duì)于圍巖，采用Solid45實(shí)體單元進(jìn)行模擬，該單元具有良好的三維受力性能，能夠準(zhǔn)確反映圍巖在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，確定圍巖的材料參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、密度、凝聚力、內(nèi)摩擦角等。在某隧道工程中，圍巖為砂巖，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，得到其彈性模量為2.5\times10^4MPa，泊松比為0.25，密度為2.5\times10^3kg/m^3，凝聚力為1.5MPa，內(nèi)摩擦角為35°。考慮到圍巖的非線性特性，選用摩爾-庫侖本構(gòu)模型來描述其力學(xué)行為。該本構(gòu)模型能夠較好地反映圍巖在受荷過程中的屈服、破壞等現(xiàn)象，符合實(shí)際工程中圍巖的力學(xué)特性。加筋噴砼拱肋同樣采用Solid45實(shí)體單元模擬，以精確模擬其復(fù)雜的幾何形狀和受力狀態(tài)。對(duì)于鋼筋，采用Link8桿單元進(jìn)行模擬，通過合理設(shè)置鋼筋與混凝土單元之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同工作模擬。在模擬鋼筋與混凝土的協(xié)同工作時(shí)，采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式，將鋼筋和混凝土單元的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，使它們在受力過程中能夠共同變形，從而準(zhǔn)確反映加筋噴砼拱肋的力學(xué)性能。在某地下工程的加筋噴砼拱肋中，鋼筋直徑為20mm，間距為20cm，通過在ANSYS中設(shè)置Link8單元的截面面積和材料參數(shù)，以及與Solid45單元的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋的準(zhǔn)確模擬。噴射混凝土的材料參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等。例如，在某工程中，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，其彈性模量為2.8\times10^4MPa，泊松比為0.2，抗壓強(qiáng)度為25MPa。鎖腳錨桿采用Link8桿單元模擬，能夠準(zhǔn)確模擬其軸向受力特性。在模擬過程中，考慮錨桿與圍巖之間的錨固作用，通過設(shè)置錨桿與圍巖之間的接觸單元來實(shí)現(xiàn)。接觸單元采用Conta174和Targe170單元對(duì)，能夠準(zhǔn)確模擬錨桿與圍巖之間的接觸、滑移和分離等行為。在某隧道工程中，鎖腳錨桿采用直徑為25mm的鋼筋，長度為4m，通過在ANSYS中設(shè)置Link8單元的長度、截面面積和材料參數(shù)，以及與圍巖單元之間的接觸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎖腳錨桿的準(zhǔn)確模擬。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際工程情況，確定錨桿的錨固長度、錨固力等參數(shù)。在該工程中，錨桿的錨固長度為2m，錨固力為150kN。模型的邊界條件設(shè)置為：模型底部固定約束，限制其在x、y、z三個(gè)方向的位移；模型四周水平約束，限制其在水平方向的位移；模型頂部為自由面，不受約束。在模擬開挖過程時(shí)，采用“生死單元”技術(shù)，逐步激活和殺死相應(yīng)的單元，以模擬隧道的分步開挖過程。在每一步開挖后，及時(shí)施加相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用。在某隧道的三步開挖模擬中，第一步開挖上臺(tái)階，激活上臺(tái)階圍巖單元，殺死相應(yīng)的初始狀態(tài)單元；第二步開挖中臺(tái)階，同樣激活中臺(tái)階圍巖單元，殺死相應(yīng)初始單元，并及時(shí)施加初期支護(hù)；第三步開挖下臺(tái)階，激活下臺(tái)階圍巖單元，殺死相應(yīng)初始單元，施加鎖腳錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過這種方式準(zhǔn)確模擬了隧道的開挖和支護(hù)過程。通過以上合理的模型建立、參數(shù)設(shè)置和邊界條件處理，構(gòu)建了能夠準(zhǔn)確反映加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的數(shù)值模型，為后續(xù)的承載機(jī)制分析提供了可靠的基礎(chǔ)。5.2模擬工況設(shè)置為全面深入探究加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)在不同條件下的力學(xué)響應(yīng)，精心設(shè)定了涵蓋不同荷載條件、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬工況，以模擬其在復(fù)雜多變的實(shí)際工程環(huán)境中的力學(xué)行為。在荷載條件方面，設(shè)計(jì)了不同等級(jí)的圍巖壓力工況。依據(jù)工程實(shí)際情況，圍巖壓力通常根據(jù)隧道埋深、圍巖性質(zhì)等因素確定。在模擬中，設(shè)定淺埋工況下的圍巖壓力為0.2MPa，深埋工況下的圍巖壓力為0.5MPa。同時(shí)，考慮到地震等特殊荷載的影響，設(shè)置了不同地震加速度工況。根據(jù)地震烈度和場地條件，設(shè)定地震加速度分別為0.1g、0.2g、0.3g。在模擬地震作用時(shí)，采用時(shí)程分析法，輸入符合當(dāng)?shù)氐卣鹛卣鞯牡卣鸩ǎ鏓L-Centro波、Taft波等。在某隧道工程模擬中，當(dāng)輸入EL-Centro波，地震加速度為0.2g時(shí)，分析組合結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移響應(yīng)。地質(zhì)條件方面，設(shè)置了不同的圍巖類型，包括堅(jiān)硬圍巖、中等堅(jiān)硬圍巖和軟弱圍巖。對(duì)于堅(jiān)硬圍巖，如花崗巖，其彈性模量設(shè)定為3.5\times10^4MPa，泊松比為0.2，凝聚力為2.5MPa，內(nèi)摩擦角為40°；中等堅(jiān)硬圍巖，如砂巖，彈性模量為2.5\times10^4MPa，泊松比為0.25，凝聚力為1.5MPa，內(nèi)摩擦角為35°；軟弱圍巖，如粉質(zhì)黏土，彈性模量為0.5\times10^4MPa，泊松比為0.3，凝聚力為0.5MPa，內(nèi)摩擦角為25°?？紤]地下水的影響，設(shè)置了有地下水和無地下水兩種工況。在有地下水工況下，根據(jù)地下水位高度和滲透系數(shù)，計(jì)算地下水壓力，并考慮地下水對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的影響，如降低圍巖的凝聚力和內(nèi)摩擦角。在某地下洞室工程模擬中，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，圍巖的凝聚力降低了20%，內(nèi)摩擦角降低了10%，分析組合結(jié)構(gòu)在這種情況下的力學(xué)響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，對(duì)加筋噴砼拱肋的厚度、配筋率，鎖腳錨桿的長度、間距等進(jìn)行了多組設(shè)置。加筋噴砼拱肋厚度設(shè)置為20cm、25cm、30cm；配筋率設(shè)置為1%、1.5%、2%。鎖腳錨桿長度設(shè)置為3m、4m、5m；間距設(shè)置為0.8m、1.0m、1.2m。在某隧道工程模擬中，分別分析拱肋厚度為25cm、配筋率為1.5%，鎖腳錨桿長度為4m、間距為1.0m時(shí)組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以及這些參數(shù)變化對(duì)組合結(jié)構(gòu)承載能力和變形的影響。通過上述模擬工況的設(shè)置，全面系統(tǒng)地研究加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)在不同條件下的力學(xué)響應(yīng)，為深入理解其承載機(jī)制和支護(hù)效應(yīng)提供豐富的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。5.3模擬結(jié)果分析通過對(duì)不同模擬工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，揭示加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，以及對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，為工程設(shè)計(jì)和施工提供重要參考依據(jù)。在應(yīng)力分布方面，當(dāng)圍巖壓力為0.2MPa，無地震作用時(shí)，加筋噴砼拱肋的拱頂部位主要承受壓應(yīng)力，最大值約為12MPa，這是由于拱頂直接承受上部圍巖的壓力，混凝土發(fā)揮其抗壓性能來抵抗荷載。拱腳部位則承受較大的彎矩和剪力，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓，鋼筋在受拉區(qū)發(fā)揮主要作用，承受拉力，拉應(yīng)力最大值可達(dá)200MPa，有效地防止了混凝土因受拉而開裂。鎖腳錨桿主要承受軸向拉力，在拱腳處，錨桿的拉力最大值約為80kN，其作用是將拱腳與穩(wěn)定的圍巖相連，限制拱腳的位移和變形，從而保證整個(gè)組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在圍巖壓力增大到0.5MPa時(shí)，加筋噴砼拱肋的應(yīng)力顯著增加，拱頂壓應(yīng)力最大值達(dá)到18MPa，拱腳鋼筋拉應(yīng)力最大值為250MPa，鎖腳錨桿拉力最大值為120kN。這表明隨著圍巖壓力的增大，組合結(jié)構(gòu)各構(gòu)件所承受的荷載也相應(yīng)增大，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力提出了更高的要求。當(dāng)考慮地震作用，地震加速度為0.2g時(shí)，加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的應(yīng)力分布更加復(fù)雜。在地震作用下，結(jié)構(gòu)受到慣性力的作用，應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化。拱頂部位除了承受豎向壓力外，還受到水平方向的地震力作用，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力最大值可達(dá)15MPa。拱腳部位的彎矩和剪力進(jìn)一步增大，鋼筋拉應(yīng)力最大值達(dá)到230MPa，鎖腳錨桿不僅承受更大的軸向拉力，還受到水平方向的剪力作用，拉力最大值為100kN，剪力最大值為30kN。這說明地震作用對(duì)組合結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生了顯著影響，增加了結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性和破壞風(fēng)險(xiǎn)。在應(yīng)變分布方面，當(dāng)圍巖壓力為0.2MPa，無地震作用時(shí)，加筋噴砼拱肋的拱頂部位豎向應(yīng)變較大，最大值約為5\times10^{-4}，這是由于拱頂在圍巖壓力作用下產(chǎn)生向下的位移。拱腳部位由于受到彎矩和剪力的作用，豎向應(yīng)變和水平應(yīng)變都較為明顯，豎向應(yīng)變最大值為6\times10^{-4}，水平應(yīng)變最大值為3\times10^{-4}。鎖腳錨桿的軸向應(yīng)變最大值約為4\times10^{-4}，主要是由于其受到拉力作用而產(chǎn)生伸長變形。隨著圍巖壓力增大到0.5MPa，拱肋和錨桿的應(yīng)變均顯著增大，拱頂豎向應(yīng)變最大值達(dá)到8\times10^{-4}，拱腳豎向應(yīng)變最大值為1\times10^{-3}，水平應(yīng)變最大值為5\times10^{-4}，鎖腳錨桿軸向應(yīng)變最大值為6\times10^{-4}。這表明圍巖壓力的增大導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)的變形加劇，應(yīng)變增大。在地震加速度為0.2g時(shí)，加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的應(yīng)變分布也發(fā)生了明顯變化。拱頂部位在水平地震力的作用下，水平應(yīng)變顯著增大，最大值可達(dá)4\times10^{-4}，同時(shí)豎向應(yīng)變也有所增加，最大值為6\times10^{-4}。拱腳部位的應(yīng)變更加復(fù)雜，由于彎矩、剪力和地震力的共同作用，豎向應(yīng)變最大值達(dá)到1.2\times10^{-3}，水平應(yīng)變最大值為6\times10^{-4}。鎖腳錨桿的軸向應(yīng)變最大值為5\times10^{-4}，水平方向的應(yīng)變也不容忽視，最大值為2\times10^{-4}。這說明地震作用使組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布更加復(fù)雜，變形增大，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。在不同工況下，加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖穩(wěn)定性有著顯著影響。當(dāng)圍巖壓力為0.2MPa，無地震作用時(shí)，組合結(jié)構(gòu)能夠有效地限制圍巖的位移和變形，使圍巖的最大位移控制在較小范圍內(nèi)，約為10mm。此時(shí)，圍巖的塑性區(qū)范圍較小，主要集中在拱頂和拱腳附近，塑性區(qū)深度約為1m。這表明組合結(jié)構(gòu)能夠?yàn)閲鷰r提供足夠的支護(hù)抗力，維持圍巖的穩(wěn)定。當(dāng)圍巖壓力增大到0.5MPa時(shí)，雖然組合結(jié)構(gòu)承受的荷載增大，但仍然能夠較好地控制圍巖的變形，圍巖最大位移為15mm，塑性區(qū)范圍有所擴(kuò)大，深度約為1.5m。這說明組合結(jié)構(gòu)在較大圍巖壓力下，仍能發(fā)揮有效的支護(hù)作用，保證圍巖的基本穩(wěn)定。在地震加速度為0.2g時(shí)，組合結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響更加明顯。盡管結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)力和應(yīng)變增大，但通過與圍巖的相互作用，仍然能夠限制圍巖的變形，使圍巖最大位移控制在20mm以內(nèi)。然而，由于地震的作用，圍巖的塑性區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，深度達(dá)到2m，這表明地震作用增加了圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力提出了更高的要求。通過對(duì)不同模擬工況下加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布及對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的分析，可知該組合結(jié)構(gòu)在不同工況下能夠有效地承受荷載，限制圍巖的變形，提高圍巖的穩(wěn)定性。然而，隨著圍巖壓力和地震作用等不利因素的增加，組合結(jié)構(gòu)的受力和變形也會(huì)相應(yīng)增大，需要合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，以確保其在復(fù)雜工況下的安全性和可靠性。六、組合結(jié)構(gòu)支護(hù)效應(yīng)的案例研究6.1工程案例選取本研究選取某山區(qū)公路隧道工程作為典型案例，深入探討加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效應(yīng)。該隧道位于復(fù)雜的山區(qū)地質(zhì)環(huán)境中，全長3500m，設(shè)計(jì)為雙向四車道，凈寬10.5m，凈高5m。工程區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜多變。隧道穿越的地層主要包括粉質(zhì)黏土、砂巖和頁巖互層，以及部分破碎巖體。粉質(zhì)黏土具有較高的含水量和較低的強(qiáng)度，自穩(wěn)能力差；砂巖和頁巖互層存在明顯的層理結(jié)構(gòu)，巖體完整性較差，容易發(fā)生層間滑動(dòng)。在隧道的部分段落，還發(fā)育有斷層和節(jié)理裂隙，進(jìn)一步降低了巖體的穩(wěn)定性。例如，在隧道的K2+300-K2+500段，穿越了一條正斷層，斷層破碎帶寬度約為5m，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，地下水豐富。針對(duì)該隧道復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用了加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)支護(hù)方案。加筋噴砼拱肋采用C25噴射混凝土，厚度為25cm，內(nèi)配雙層直徑為20mm的螺紋鋼筋，鋼筋間距為20cm。每榀拱肋的間距為1.0m，沿隧道縱向布置。鎖腳錨桿采用直徑為42mm的無縫鋼管，長度為4m，與拱腳的夾角為45°。在每榀拱肋的拱腳處，設(shè)置2根鎖腳錨桿，通過焊接與拱肋連接，確保二者協(xié)同工作。在斷層破碎帶等特殊地段，加密了鎖腳錨桿的布置，每榀拱肋拱腳處設(shè)置3根鎖腳錨桿，并對(duì)錨桿進(jìn)行注漿加固，以提高錨固效果。同時(shí)，在隧道開挖過程中，結(jié)合超前小導(dǎo)管注漿等輔助支護(hù)措施，進(jìn)一步增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。6.2現(xiàn)場監(jiān)測方案與數(shù)據(jù)采集為全面深入了解加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的支護(hù)效果，制定科學(xué)合理的現(xiàn)場監(jiān)測方案，采用多種先進(jìn)的監(jiān)測方法和儀器，對(duì)隧道施工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)采集?，F(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面。在位移監(jiān)測方面，采用全站儀對(duì)隧道周邊收斂位移進(jìn)行監(jiān)測，通過在隧道周邊設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，定期測量監(jiān)測點(diǎn)之間的距離變化，以獲取隧道周邊的收斂情況。在某隧道工程中，每隔5m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面在拱頂、拱腰和邊墻處分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，利用全站儀進(jìn)行測量。同時(shí)，使用水準(zhǔn)儀監(jiān)測拱頂下沉位移，通過在拱頂設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)，定期測量水準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化，確定拱頂?shù)南鲁亮俊Ｔ谀潮O(jiān)測斷面，通過水準(zhǔn)儀測量發(fā)現(xiàn)，在隧道開挖初期，拱頂下沉量增長較快，隨著組合結(jié)構(gòu)支護(hù)的施作，下沉量逐漸趨于穩(wěn)定。在應(yīng)力監(jiān)測方面，運(yùn)用壓力盒監(jiān)測圍巖壓力，將壓力盒埋設(shè)在圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間，測量圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力大小。在某隧道工程中，在不同位置的圍巖與加筋噴砼拱肋之間埋設(shè)壓力盒，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄壓力變化。采用鋼筋計(jì)監(jiān)測加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的應(yīng)力，將鋼筋計(jì)安裝在鋼筋上，測量鋼筋的應(yīng)力變化，從而了解加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的受力狀態(tài)。在某隧道工程中，在加筋噴砼拱肋的鋼筋和鎖腳錨桿上安裝鋼筋計(jì)，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隨著隧道開挖的進(jìn)行，加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的應(yīng)力逐漸增大，在支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用后，應(yīng)力趨于穩(wěn)定。在監(jiān)測儀器布置方面，在隧道沿線每隔5m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面布置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。在位移監(jiān)測點(diǎn)布置上，在拱頂、拱腰和邊墻處各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用于測量隧道周邊收斂位移和拱頂下沉位移。在應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置上，在圍巖與加筋噴砼拱肋之間布置2個(gè)壓力盒，分別位于拱頂和拱腰處，用于監(jiān)測圍巖壓力。在加筋噴砼拱肋的鋼筋上布置2個(gè)鋼筋計(jì)，分別位于拱頂和拱腳處，在鎖腳錨桿上布置1個(gè)鋼筋計(jì)，用于監(jiān)測加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的應(yīng)力。數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)施工進(jìn)度和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行合理調(diào)整。在隧道開挖初期，由于圍巖變形較大，數(shù)據(jù)采集頻率較高，每1-2天采集一次數(shù)據(jù)。在某隧道工程開挖初期，每天對(duì)位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，密切關(guān)注圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況。隨著施工的進(jìn)行，圍巖逐漸穩(wěn)定，采集頻率可適當(dāng)降低，每3-5天采集一次數(shù)據(jù)。在隧道施工后期，當(dāng)圍巖變形趨于穩(wěn)定后，每5天采集一次數(shù)據(jù)，以確保對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性進(jìn)行有效監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集時(shí)段從隧道開挖前開始，一直持續(xù)到隧道施工結(jié)束后一定時(shí)間，以全面了解組合結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程和運(yùn)營初期的支護(hù)效果。在某隧道工程中，數(shù)據(jù)采集從隧道開挖前1周開始，持續(xù)到隧道施工結(jié)束后3個(gè)月，為分析組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效應(yīng)提供了完整的數(shù)據(jù)支持。6.3監(jiān)測結(jié)果分析與評(píng)價(jià)對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測獲取的位移、應(yīng)力等數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析，以全面準(zhǔn)確地評(píng)估加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供可靠依據(jù)。在位移監(jiān)測結(jié)果分析方面，通過對(duì)隧道周邊收斂位移和拱頂下沉位移數(shù)據(jù)的整理與分析，發(fā)現(xiàn)隨著隧道開挖的進(jìn)行，位移呈現(xiàn)出先快速增長后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。在開挖初期，由于圍巖的應(yīng)力重分布和卸荷作用，隧道周邊收斂位移和拱頂下沉位移增長迅速。在某監(jiān)測斷面，開挖后的前3天，隧道周邊收斂位移達(dá)到了15mm，拱頂下沉位移為10mm。隨著加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的及時(shí)施作，位移增長速度逐漸減緩。在支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后的10天內(nèi)，隧道周邊收斂位移增長了5mm，拱頂下沉位移增長了3mm。最終，在施工結(jié)束后，隧道周邊收斂位移穩(wěn)定在25mm左右，拱頂下沉位移穩(wěn)定在15mm左右。這表明加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)能夠有效地限制圍巖的變形，使隧道周邊位移控制在合理范圍內(nèi)，保障了隧道的施工安全和穩(wěn)定性。在應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析方面，加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的應(yīng)力變化情況清晰地反映了組合結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。加筋噴砼拱肋的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出拱頂受壓、拱腳受拉和受剪的特點(diǎn)。在隧道開挖過程中，拱頂部位的壓應(yīng)力逐漸增大，在某監(jiān)測斷面，開挖初期拱頂壓應(yīng)力為8MPa，隨著開挖的進(jìn)行，壓應(yīng)力逐漸增大，施工結(jié)束時(shí)達(dá)到12MPa。拱腳部位的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力也隨著開挖的進(jìn)行而增大，在施工結(jié)束時(shí)，拱腳拉應(yīng)力達(dá)到220MPa，剪應(yīng)力為8MPa。鎖腳錨桿主要承受軸向拉力，在拱腳處，錨桿的拉力隨著開挖的進(jìn)行逐漸增大，施工結(jié)束時(shí)，拉力達(dá)到100kN左右。這些應(yīng)力變化情況表明，加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)在隧道開挖過程中能夠有效地承擔(dān)圍巖壓力，各構(gòu)件協(xié)同工作，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示兩者在變化趨勢和數(shù)值大小上具有較高的一致性。在位移方面，現(xiàn)場監(jiān)測得到的隧道周邊收斂位移和拱頂下沉位移與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)。在某監(jiān)測斷面，現(xiàn)場監(jiān)測的隧道周邊收斂位移為24mm，數(shù)值模擬結(jié)果為26mm；現(xiàn)場監(jiān)測的拱頂下沉位移為14mm，數(shù)值模擬結(jié)果為15mm。在應(yīng)力方面，加筋噴砼拱肋和鎖腳錨桿的應(yīng)力監(jiān)測值與模擬值的誤差也在可接受范圍內(nèi)。拱頂壓應(yīng)力的監(jiān)測值為12MPa，模擬值為12.5MPa；拱腳拉應(yīng)力的監(jiān)測值為220MPa，模擬值為230MPa；鎖腳錨桿拉力的監(jiān)測值為100kN，模擬值為105kN。通過對(duì)比可知，數(shù)值模擬能夠較好地反映加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的受力和變形情況，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。綜上所述，加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中表現(xiàn)出了良好的支護(hù)效果，能夠有效地控制圍巖的位移和變形，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的高度一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在研究組合結(jié)構(gòu)承載機(jī)制和支護(hù)效應(yīng)方面的有效性，為地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供了重要的參考依據(jù)。在未來的工程實(shí)踐中，可以基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工方案，提高地下工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。七、組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用建議7.1優(yōu)化設(shè)計(jì)原則與方法基于對(duì)加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)承載機(jī)制和支護(hù)效應(yīng)的深入研究，提出以下優(yōu)化設(shè)計(jì)原則與方法，以實(shí)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)在地下工程中的高效應(yīng)用和性能提升。在優(yōu)化設(shè)計(jì)原則方面，首先遵循安全性原則。組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須確保在各種復(fù)雜工況下，能夠?yàn)榈叵鹿こ烫峁┳銐虻某休d能力和穩(wěn)定性，有效控制圍巖的變形和破壞，保障工程的安全施工和長期運(yùn)營。在地震頻發(fā)地區(qū)的地下工程中，組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地震作用的影響，通過合理增加錨桿長度和數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保在地震發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞，保障人員和設(shè)備的安全。經(jīng)濟(jì)性原則也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要考量。在滿足工程安全要求的前提下，應(yīng)盡量降低組合結(jié)構(gòu)的材料用量和施工成本。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，如合理確定拱肋厚度、配筋率、錨桿長度和間距等，避免過度設(shè)計(jì)，提高材料的利用率。在某地下停車場工程中，通過優(yōu)化加筋噴砼拱肋的配筋率，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，減少了鋼筋用量，降低了工程成本。適應(yīng)性原則要求組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)不同的地質(zhì)條件和工程要求。根據(jù)圍巖的性質(zhì)、埋深、地下水情況以及工程的用途和規(guī)模等因素，靈活調(diào)整組合結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)。在軟弱圍巖中，適當(dāng)增加錨桿長度和密度，增強(qiáng)錨固效果；在深埋隧道中，提高拱肋的強(qiáng)度和剛度，以承受較大的圍巖壓力。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方法方面，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，以結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性為目標(biāo)，對(duì)組合結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。多目標(biāo)優(yōu)化算法可以在滿足多個(gè)目標(biāo)的前提下，尋找一組最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。利用遺傳算法對(duì)加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、變形、材料用量等作為目標(biāo)函數(shù)，通過不斷迭代計(jì)算，得到滿足安全、經(jīng)濟(jì)和適應(yīng)地質(zhì)條件要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。在設(shè)計(jì)階段，通過數(shù)值模擬分析不同設(shè)計(jì)方案下組合結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，評(píng)估其支護(hù)效果。在施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，確保組合結(jié)構(gòu)的實(shí)際支護(hù)效果與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。在某隧道工程中，通過數(shù)值模擬對(duì)不同的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最優(yōu)方案進(jìn)行施工。在施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)部分地段的支護(hù)效果未達(dá)到預(yù)期，及時(shí)調(diào)整了錨桿的長度和間距，優(yōu)化了支護(hù)方案，保證了工程的順利進(jìn)行。引入可靠性設(shè)計(jì)方法，考慮材料性能、施工質(zhì)量、荷載等因素的不確定性，對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析和設(shè)計(jì)?？煽啃栽O(shè)計(jì)方法可以定量評(píng)估結(jié)構(gòu)在各種不確定因素影響下的失效概率，提高結(jié)構(gòu)的可靠性。在某地下洞室工程中，采用可靠性設(shè)計(jì)方法，考慮了混凝土強(qiáng)度、錨桿錨固力等因素的不確定性，對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)具有足夠的可靠性。通過以上優(yōu)化設(shè)計(jì)原則與方法的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其在地下工程中的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。7.2工程應(yīng)用中的注意事項(xiàng)在加筋噴砼拱肋-鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用中，施工要點(diǎn)、質(zhì)量控制和維護(hù)管理是確保工程安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要予以高度重視。在施工過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行操作至關(guān)重要。在加筋噴砼拱肋的施工中，噴射混凝土的施工工藝直接影響其質(zhì)量和支護(hù)效果。應(yīng)確保噴射混凝土的原材料質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，水泥應(yīng)選用強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5的普通硅酸鹽水泥，砂宜采用中粗砂，石子粒徑不宜大于15mm。在噴射過程中，要控制好噴射壓力和噴射角度，確保混凝土均勻噴射到圍巖表面，且與圍巖緊密粘結(jié)。一般來說，噴射壓力應(yīng)控制在0.4-0.6MPa之間，噴射角度應(yīng)垂直于圍巖表面。同時(shí)，要注意噴射混凝土的厚度控制，可通過在圍巖表面設(shè)置標(biāo)記或使用厚度檢測儀器進(jìn)行檢測，確保厚度符合設(shè)計(jì)要求。在某隧道工程中，由于嚴(yán)格控制噴射混凝土的施工工藝，噴射混凝土的強(qiáng)度和粘結(jié)性能良好，有效地提高了加筋噴砼拱肋的支護(hù)效果。鎖腳錨桿的施工也有諸多要點(diǎn)。鉆孔時(shí)，要保證鉆孔的位置和角度準(zhǔn)確無誤。鉆孔位置應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求在拱腳處精確定位，誤差應(yīng)控制在±5cm以內(nèi)。鉆孔角度一般與拱腳平面成45°-60°夾角，以確保錨桿能夠有效地錨固在穩(wěn)定的圍巖中。在某隧道施工中，通過采用先進(jìn)的測量儀器和精確的定位方法，保證了鎖腳錨桿鉆孔位置和角度的準(zhǔn)確性，提高了錨桿的錨固效果。錨桿的安裝過程中，要確保錨桿插入深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且與圍巖緊密結(jié)合。在插入錨桿前，應(yīng)對(duì)鉆孔進(jìn)行清理，去除孔內(nèi)的雜物和積水。插入錨桿后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿，使錨桿與圍巖之間形成牢固的粘結(jié)。注漿材料一般采用M20水泥砂漿，注漿壓力應(yīng)控制在0.3-0.5MPa之間，以確保漿液能夠充分填充鉆孔，提高錨桿的錨固力。質(zhì)量控制方面，原材料的檢驗(yàn)是基礎(chǔ)。對(duì)鋼筋、噴射混凝土、錨桿等原材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，確保其符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。鋼筋應(yīng)具有良好的抗拉強(qiáng)度和延伸率，其質(zhì)量證明文件應(yīng)齊全。在使用前，應(yīng)對(duì)鋼筋進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等，確保鋼筋的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)。噴射混凝土的原材料應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，包括水泥的強(qiáng)度、安定性，砂的含泥量、細(xì)度模數(shù)，石子的壓碎指標(biāo)等。只有原材料質(zhì)量合格，才能保證組合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。在某地下工程中，由于對(duì)原材料進(jìn)行了嚴(yán)格檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換了不合格的鋼筋，避免了因原材料質(zhì)量問題導(dǎo)致的工程質(zhì)量事故。施工過程中的質(zhì)量檢測同樣不可或缺。定期對(duì)加筋噴砼拱肋的強(qiáng)度、厚度，鎖腳錨桿的錨固力等進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理質(zhì)量問題。加筋噴砼拱肋的強(qiáng)度檢測可采用現(xiàn)場抽樣制作試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。厚度檢測可采用無損檢測方法，如地質(zhì)雷達(dá)檢測，確保拱肋厚度符合設(shè)計(jì)要求。鎖腳錨桿的錨固力檢測可采用錨桿拉力計(jì)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，每100根錨桿應(yīng)至少抽檢3根，錨固力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以上。在