可回收錨索承載影響因素的數值模擬分析

俞春飛　殷振　何洲

摘要：普通錨索由于在支護功能失效后無法回收而對城市地下空間造成了嚴重的環境污染，使之成為亟需解決的問題。在基坑工程支護中，采用可回收錨索，不僅可以降低造價，更重要的是可以解決臨時支護造成的地下建筑垃圾的問題。文章采用小應變土體本構模型對可回收錨索承載的影響因素進行了數值計算分析。

關鍵詞：可回收錨索；HSS模型；有效應力指標；數值模擬；基坑工程支護；城市地下空間 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU757 文章編號：1009-2374（2017）10-0093-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.046

土釘墻支護型式具有成本低、施工快速的優點，是基坑工程一種主要圍護結構形式，曾獲得廣泛應用。但隨著地下空間開發利用過程中，大面積土釘墻的不可回收性從而造成對地下污染，影響后繼地下空間的開發利用，如地鐵建設中的盾構機的推進施工等。因此土釘墻已經很少在基坑圍護設計中因為超過紅線問題而被采納，但可回收錨索具有快速施工、節約成本、基坑開挖空間大、節能環保而在工程實際中得到了一定的應用。王東欣對深基坑中的可回收預應力錨索施工技術進行了探討。李克金在無錫某廣場深基坑工程中運用旋噴可回收錨索。丁仕輝基于定值錨頭的可回收錨索設計與施工方法，工藝簡單、性能可靠、成本低廉、便于施工，回收率可達到100%。彭建忠等在佛山新城CBD超大基坑支護工程中采用了壓力型預應力可回收錨索，并對回收率、錨固長度、預應力損失等關鍵問題進行了討論。

本文擬通過數值計算對可回收錨索受力和變形進行分析，從而為可回收錨索的工程應用提供依據。

1 土體本構模型及樁土模型

1.1 土體本構模型

土體受力變形具有典型的應力依賴性，土體偏應力與主方向應變成強非線性關系，而且不同深度處的土體的靜水壓力不同，在受力變形過程中產生超孔隙水壓力，均會對土體的有效應力產生影響。為此對結構與土共同作用進行分析時，需要采用與土體應力狀態有關的有效應力本構模型，目前公認能反映土體非線性三軸應力與應變關系曲線，且能夠反映加卸模量不同的本構模型為硬化土體小剛度模型（即HSS），偏應力與軸向應變關系曲線如圖1所示，標準三軸固結排水試驗時偏應力q與軸向應變-的關系曲線，二者呈雙曲線關系，見式（1）所示。HSS本構模型的塑性部分采用莫爾庫侖屈服面，見圖2所示。HSS本構模型中，還需要輸入兩個參數，分別為式（2）和式（3）。

1.2 樁土界面本構模型

錨索的錨固體采用水泥土復合體，通過與其周圍的土體發生相對滑移使界面摩阻力進行發揮，本次數值計算時錨固體簡化為梁單元，PLAXIS中提供了嵌入樁，該單元能夠實現梁與周圍土體的切向和法向的相互作用，界面上存在兩個法向和一個切向，如圖3所示，其控制方程如式（4）所示，由該式可見，兩個切向彈簧和一個法向彈簧的受力變形相互獨立，不耦合。錨固體端部也簡化為彈簧，見圖4所示。

2 有限元模型的建立

采用15節點平面應變三角形單元進行網格剖分，得到圖5所示的有限元網格，單元數為424個節點數為3554個，在嵌入樁附近網格自動進行了加密，在嵌入樁一端施加水平向強制位移。

HSS本構模型參數，只需要確定壓縮模量Es，其它模量與該模型成比例關系。可從地勘報告當中查找到壓縮模量ES 0.1～0.2，判斷土體的軟硬程度，估算HSS本構的四個剛度參數，通常可按照以下關系選取：

3 有限元數值計算分析

軟黏土的壓縮模量為2MPa，圖6和圖7分別給出了錨固體埋置深度5m和10m時拉力與加載點的水平位移關系曲線，由圖可見，隨著錨固體長度增加，拉力逐步增加，但不同錨固體長度時初始剛度差別不大。圖8給出了土體類型對拉力與位移關系的影響圖，由圖可見，隨著土性參數變好，拉力極限承載力和上升段的剛度均有所增加。圖9給出了地下水位深度對拉力與位移關系曲線的影響圖，由圖可見，隨著地下水位的下降，作用于錨固體上有效應力增加，從而增加了初始剛度和錨固體的極限抗力。

4 結語

基于PLAXIS平臺，采用平面應變有限單元法，對錨固體的拉力與位移關系全曲線關系進行了數值模擬分析，通過分析得出：（1）埋置于土體中的可回收錨索拉力與位移關系曲線呈理想彈塑性受力變形特點；（2）錨固體的極限拉拔力與錨固體的長度呈線性增長關系，設計時根據需要進行選取；（3）土層中地下水位的下降可較大程度上提高錨固體的承載力，因此在基坑應用中可通過一定的降水提高錨固體的抗力。

參考文獻

[1] 王東欣.深基坑可回收錨索施工技術[J].鐵道建筑技術，2014，（1）.

[2] 李克金.可回收預應力錨索在深基坑工程中的應用技術研究[J].鐵道建筑技術，2015，（5）.

[3] 丁仕輝.基于定值錨頭的可回收錨索設計與施工[J].巖土錨固工程，2015，（9）.

[4] 彭建忠，張正乾，劉少躍.預應力可回收錨索在超大基坑工程中的應用[J].廣東水利水電，2015，（2）.

作者簡介：俞春飛（1983-），男，浙江諸暨人，杭州（九喬）國際商貿城江干區塊建設指揮部辦公室（中國杭州四季青服裝發展有限公司）工程師，注冊二級建造師，研究方向：土木工程、市政基礎設施工程。

（責任編輯：蔣建華）