CC BY
46
УДК 624.153.7
ОБ УЛУЧШЕНИИ НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВЫХ АНКЕРОВ С ГИБКОЙ ТЯГОЙ
Арестакес Арамович Крамаджян
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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]
Гил Нам Хан
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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. Натурными и численными экспериментами показано, что нагрузочная характеристика таких анкеров может быть существенно улучшена путем установки в грунтовое основание в области перегиба тяги специальной промежуточной опоры.
Ключевые слова: анкер, грунтовое основание, гибкая анкерная тяга, промежуточная опора, сила трения, несущая способность.
ON IMPROVEMENT OF LOAD-DISPLACEMENT DIAGRAM OF GROUND ANCHORS WITH FLEXIBLE TENDON
Arestakes A. Kramadzhyan
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, 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, Ph. D., 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, Dr. Sc., 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, Ph. D., 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 anchor overall pull-out resistance. Field experiments and digital modeling showed that the load-displacement diagram of the anchor could be significantly improved by means of the placement of a rigid intermediate support in the ground base at the tendon bend area.
Key words: anchor, ground base, anchor flexible tendon, intermediate support, friction force, bearing capacity.
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 ей 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 (поз. 1 на рис. 1), которая фрикционно взаимодействует с охватывающей ее анкерной тягой 2. 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], должна экспоненциально расти с увеличением угла а охвата опоры тягой и коэффициента трения f между ними.
Натурные испытания анкера проводились на площадке полигона «Зеленая горка» ИГД СО РАН (рис. 2). Экспериментальный образец состоял из бетонной промежуточной выполненной в виде полуцилиндра опоры 1 диаметром 300 мм, тяги 2 из стального троса диаметром 10 мм и пяты поворотного [5] типа, выполненной в виде стальной пластины размерами 150х200х10 мм,. Опыты по его нагружению проводились в соответствии с методикой, отработанной в предыдущих исследованиях [3, 5]. Угол а охвата тягой опоры составлял 70о, коэффициент f трения троса по бетону опоры - 0,40.
Рис. 1. Принципиальная схема Э-анкера с повышенной несущей способностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками: 1 - промежуточная опора; 2 - гибкая тяга; 3 - установочная скважина; 4 - заполнитель; 5 - пята анкера; а - угол охвата опоры тягой; Е0 - сопротивление выдергиванию
пяты анкера; Е - выдергивающая сила
Рис. 2. Вид со стороны опоры (а) и нагрузочного устройства (б) на экспериментальную площадку с установленным Э-анкером в ходе опытов по его нагружению: 1 - опора; 2 - трос; 3 - монтажная скважина анкера; 4 - заполнитель скважины;
5 - элементы нагрузочного устройства
Экспериментально подтверждено, что сопротивление Е данного анкера выдергиванию не сводится к сопротивлению Е0 его пяты, а существенно превышает последнее (рис. 3). Значительное превышение Е над Е0 наблюдалось во всем диапазоне перемещения и активного конца анкерной тяги (рис. 3, а). Величина коэффициента К эффективности работы Э-анкера, рассчитываемая как Е/Е0 , при этом неизменно сохранялась на уровне ~1.6 (рис. 3, б), что, как и ожидалось, согласуется с результатами расчетов по формуле Эйлера.
Опытами установлено, что использование промежуточной опоры позволило на порядок снизить смещение и конца анкера при натяжении и, таким образом, существенно увеличить крутизну его нагрузочной характеристики (рис. 4).
а
б
Р; Р0, кН
1
2
р кН
Ро, кН
Рис. 3. Рост силы Р выдергивания и сопротивления Р0 пяты анкера ему в ходе нагружения: Р = f (и) - кривая 1 и Р0 = f (и) - кривая 2 (а); зависимость
Р = f (Ро) (б)
Рис. 4. Нагрузочные характеристики анкера с опорой (1) и без нее (2)
Помимо физических, проделаны и численные эксперименты по нагруже-нию анкера с промежуточной опорой. Расчеты велись в плоской постановке с использованием компьютерной программы ВЕМ2Э, реализующей разработанные в ИГД СО РАН модель геосреды [6-8] и версию метода дискретных элементов [9]. Значения К и и, полученные в опытах, проделанных с Э-анке-рами в условиях полигона «Зеленая горка» ИГД СО РАН, отличались от найденных численным моделированием не более, чем на 3%.
Таким образом, физические и численные эксперименты показали, что введение промежуточной опоры в конструкцию Э-анкеров позволяет существенно улучшить их нагрузочную характеристику. Достаточно надежные оценки несущей способности Э-анкеров могут быть получены с помощью формулы Эйлера.
и, мм
0
3
4
5
6
7
8
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Xanthakos, P.P. Ground Anchors and Anchored Structures. - N.Y: Wiley, John & Sons. -1991. - Р. 686.
2. Патент РФ № 2457293. Способ сооружения грунтового анкера. / Стажевский С.Б., Крамаджян А.А., Русин Е.П., Хан Г.Н. // Опубл. в БИ № 21, 2012.
3. Крамаджян А.А., Русин Е.П., Стажевский С.Б., Хан Г.Н. О повышении несущей способности грунтовых анкеров с гибкой тягой. // ФТПРПИ.- 2014.- №6. - С. 96-106.
4. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. -Т. I. -М.: Наука, 1985. - С. 240.
5. Крамаджян А.А., Русин Е.П., Стажевский С.Б., Хан Г.Н. Поворотные анкеры с гибким тяговым элементом: исследования взаимодействия с основанием. // ФТПРПИ.- 2012.-№6. - С. 63-74.
6. Хан Г.Н. Исследование процесса обрушения смерзшейся породы методом дискретных элементов. / Материалы III-ей международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2003. - С. 98 - 103.
7. Хан, Г.Н. О несимметричном режиме разрушения массива горных пород в окрестности полости. // Физическая мезомеханика. - 2008. - Т.11. - № 1. - С. 109 - 114.
8. Хан Г.Н. Моделирование методом дискретных элементов динамического разрушения горной породы. // ФТПРПИ. - 2012. - № 1. - С.110 - 117.
9. Cundall P.A. A discrete numerical model for granular assemblies. // Geotechnique. - 1979. -V. 29, no. 1. - P. 47 - 65.
© А. А. Крамаджян, Е. П. Русин, С. Б. Стажевский, Г. Н. Хан, 2015
