彈柔錨桿在擋土墻支護(hù)中的數(shù)值模擬

高 林，李長(zhǎng)洪，徐國(guó)強(qiáng)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083；2.河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063009)

錨桿擋土墻是將錨桿一端與工程結(jié)構(gòu)物相連，另一端錨固在穩(wěn)定的地層中新型擋土結(jié)構(gòu)，它依靠工程結(jié)構(gòu)物承受土壓力，并利用錨桿與地層間的錨固力來(lái)維持結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定[1]。錨桿擋土墻與重力式擋土墻相比，具有土方工程量小、機(jī)械化作業(yè)快、安全系數(shù)高、有效控制邊坡變位量等優(yōu)勢(shì)。由于錨桿擋土墻是一種輕型支擋結(jié)構(gòu)，要求邊坡荷載不宜過(guò)大，特別對(duì)邊坡動(dòng)荷載最為敏感；另外錨桿擋土墻對(duì)大變形邊坡的控制效果不好，一旦邊坡出現(xiàn)較大變位量，錨桿極易被拔出或出現(xiàn)支擋破壞[2]。

通過(guò)對(duì)錨桿受力和變形的分析，確定在普通錨桿的鎖固端和托盤之間增加彈柔變形體，充分利用彈柔體的形變和應(yīng)力緩沖，從而形成彈柔錨桿。在動(dòng)荷載情況下，彈柔體可在鎖固端與托盤間形成有阻尼的荷載傳遞，減緩經(jīng)由托盤直接傳遞給錨桿的動(dòng)荷載；在大變形情況下，彈柔體可相應(yīng)耗散變形勢(shì)能，減少形變?cè)阱^桿桿體中的產(chǎn)生應(yīng)力負(fù)擔(dān)。

1 研究方法

對(duì)于錨桿的研究通常有兩種途徑，一種是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試，另一種就是數(shù)值模擬分析。雖然現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試更加貼近于實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，但由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試對(duì)試驗(yàn)條件要求嚴(yán)格，而且測(cè)試結(jié)果受到土層分布狀態(tài)、加載等級(jí)和加載速度等各方面的影響，不能夠精確判斷錨桿的力學(xué)性能[3]。數(shù)值模擬分析是通過(guò)對(duì)錨桿桿體進(jìn)行建模，采用數(shù)值分析軟件對(duì)錨桿的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)模擬成圖結(jié)果開展分析，最終得到對(duì)錨桿力學(xué)性能的初步判定[4]。

FLAC3D(Fast Lagrangian Anlysis of Continua 3 Dimension)是美國(guó)ITASCA公司開發(fā)的一種三維快速拉格朗日分析程序,包含了11 種彈塑性材料本構(gòu)模型,以及靜力、動(dòng)力、蠕變、滲流、溫度等多種計(jì)算模式,可以模擬巖體、土體或其他材料實(shí)體等多種結(jié)構(gòu)形式,以及梁、錨元、樁、殼等人工結(jié)構(gòu)[5]。本研究所針對(duì)的彈柔錨桿是一種新型錨桿，因此更加適宜采用數(shù)值模擬分析。主要通過(guò)建立相同條件下的普通錨桿和彈柔錨桿的計(jì)算模型，采用FLAC3D 3.00進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)對(duì)普通錨桿和彈柔錨桿進(jìn)行FLAC對(duì)比數(shù)值分析可得到如下結(jié)果。

1) 從錨桿在地層中產(chǎn)生的應(yīng)力影響深度來(lái)看，彈柔錨桿對(duì)地層的整體影響深度要比普通錨桿深約25%，說(shuō)明彈柔錨桿可以將荷載更有效的傳遞給地層；普通錨桿錨固端壓應(yīng)力影響深度要比彈柔錨桿深45%以上，而彈柔錨桿自由端拉應(yīng)力影響深度則遠(yuǎn)大于普通錨桿，并且應(yīng)力分布沿錨桿全長(zhǎng)更為均勻，這說(shuō)明彈柔錨桿的彈柔變形體有效緩解了荷載直接作用于錨桿桿體，使錨桿以相對(duì)緩和的方式向地層分級(jí)傳遞荷載，避免錨桿與地層的接觸面上出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象。如圖1所示。

2) 從地層應(yīng)力分布情況來(lái)看，錨桿錨固端對(duì)地層產(chǎn)生壓應(yīng)力，普通錨桿的最大壓應(yīng)力值為1.9763e-003，而彈柔錨桿的最大壓應(yīng)力值為1.3759e-003，也就是說(shuō)，由于彈柔變形體的應(yīng)力貢獻(xiàn)，使得彈柔錨桿與普通錨桿相比還有約30%左右負(fù)載空間；錨桿自由端對(duì)地層產(chǎn)生拉應(yīng)力，普通錨桿的最大拉應(yīng)力值為1.7500e-002，而彈柔錨桿的最大拉應(yīng)力值為4.9997e-002，是普通錨桿最大拉應(yīng)力值的2.85倍，也就是說(shuō)，彈柔錨桿可以更大限度地將荷載通過(guò)錨桿自由端傳遞給土層，從而為彈柔錨桿提供更為堅(jiān)實(shí)的承載體。如圖1所示。

3) 如圖2所示，從錨桿錨固端平面土層的變形來(lái)看，普通錨桿的中心最大變形值為1.8946e-009，而彈柔錨桿的中心最大變形值為3.4459e-009，是普通錨桿最大變形值的1.8倍，也就是說(shuō)，彈柔錨桿可以適應(yīng)擋土墻的大變形承載，彈柔變形體能夠更多的耗散變形勢(shì)能對(duì)擋土墻的作用；同時(shí)，通過(guò)變形影響范圍分析，顯然彈柔錨桿要遠(yuǎn)大于普通錨桿，也就是說(shuō)，彈柔錨桿可以更加有效地將荷載逐級(jí)分散到周圍土層，即為彈柔錨桿提供更多的承載體來(lái)分擔(dān)荷載作用，使得土層變形更為均勻。

圖1 地層應(yīng)力分布對(duì)比圖

圖2 錨固端平面變形分布對(duì)比圖

4) 如圖3所示，錨桿桿體的軸向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，普通錨桿的最大拉應(yīng)力值為4.769e+005，而彈柔錨桿的最大拉應(yīng)力值為5.014e+005，說(shuō)明彈柔變形體的應(yīng)力緩沖效應(yīng)可以使得彈柔錨桿更加緩和的將荷載傳遞給地層，與普通錨桿相比可提高約5%的應(yīng)力承受能力，更加有利于充分發(fā)揮錨桿的材料強(qiáng)度。如圖4所示，錨桿桿體產(chǎn)生的位移均表現(xiàn)為從自由端向錨固端逐漸增大的趨勢(shì)，直到錨固端達(dá)到最大位移值，普通錨桿的最大值為6.608e-006，而彈柔錨桿的最大值為6.949e-006，比普通錨桿最大位移值略大5%，經(jīng)分析確定此為彈柔變形體協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的結(jié)果。

圖3 錨桿桿體軸向應(yīng)力分布對(duì)比圖

圖4 錨桿桿體位移分布對(duì)比圖

3 結(jié)論

彈柔錨桿與普通錨桿相比，具有承載能力高、逐級(jí)分散荷載能力強(qiáng)、有效耗散支護(hù)體變形勢(shì)能、適于大變形支護(hù)等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，與普通錨桿相比，彈柔錨桿在相同條件下可以充分發(fā)揮彈柔變形體的形變和應(yīng)力緩沖優(yōu)勢(shì)，錨桿應(yīng)力整體影響深度深約25%，錨固端壓應(yīng)力承載高約30%，自由端拉應(yīng)力承載高約1.85倍，錨桿整體應(yīng)力值及變形均略大約5%。彈柔錨桿是特別適用于有大變形及動(dòng)荷載要求的支護(hù)工程，具有廣闊應(yīng)用前景的新型錨桿體系。

[1]周肅非.錨桿擋土墻及其在陡坡路基中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2008(18)：258,260.

[2]曹霞,王曉蕾,陳飛.錨桿擋土墻在邊坡防護(hù)工程中的應(yīng)用[J].四川建筑,2005,25(5)：45-46.

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[5]李晶晶,程祖鋒,耿立立,等.基于FLAC3D的復(fù)合土釘支護(hù)數(shù)值模擬分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,28(3):5-8.