擴(kuò)大頭錨桿在某抗浮工程中的應(yīng)用與研究

陳 城

（江蘇政泰建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

某地下污水處理池，位于徐淮黃泛平原區(qū)。該工程所處地質(zhì)情況如下：一層填土，強(qiáng)度低，層厚2.5m左右；二層黏土，可塑狀，強(qiáng)度中等，層厚4.4m左右；三層粉土，密實(shí)狀，強(qiáng)度中等，層厚1.5m左右；四層黏土，硬塑狀，強(qiáng)度較高。勘察期間，測得場地地下水穩(wěn)位一般位于地面下1.2m左右，歷史最高水位接近自然地面，水位年變化幅度約2.5m。各土層物理與力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于污水處理池抗浮穩(wěn)定性不滿足要求，因此需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)和處理。

表1 土層參數(shù)

2 池體抗浮設(shè)計(jì)

污水處理池面積約2000m2。污水池底板埋深地面下5.5m，污水池底板厚0.5m，底板下面混凝土墊層厚為0.2m。結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。據(jù)計(jì)算，污水池體結(jié)構(gòu)自重約為50000kN，池體所受浮力約為110000kN（按歷史最高水位計(jì)算）。當(dāng)污水池盛滿水時(shí)，總重力大于浮力，不存在抗浮問題；當(dāng)池體里污水放空時(shí)，自重遠(yuǎn)小于浮力，池體的抗浮力嚴(yán)重不足；當(dāng)池體空水時(shí)，所受最大浮力與池體自重差值約60000kN，故擴(kuò)大頭錨桿需提供約60000kN的抗浮力。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，單根錨桿設(shè)計(jì)抗拔力為280kN，采用M30水泥砂漿強(qiáng)度全長錨固。錨桿分直桿段與錨固段，端部設(shè)置擴(kuò)大頭。直桿段錨孔直徑為150mm，長度為5.0m；錨固段直徑為400mm，長度為6.0m；端部擴(kuò)大頭直徑為800mm，長度為1.5m。桿體采用3根直徑25mm的HRB335螺紋鋼筋，點(diǎn)焊成束，用直徑Φ6.5的鋼筋按1m間距隔離后，再放入鉆孔內(nèi)。錨頭部位鋼筋彎折500mm，水泥采用早強(qiáng)型，標(biāo)號(hào)PC42.5R，灌注水泥砂漿強(qiáng)度為M30，注漿壓力不小于1.0MPa。根據(jù)池體的結(jié)構(gòu)型式，共設(shè)計(jì)215根錨桿。

3 擴(kuò)大頭抗浮錨桿數(shù)值模擬與分析

采用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，土層參數(shù)按表1取值。加載步共120步，模擬結(jié)果和分析如下：

（1）Mises應(yīng)力等值線圖如圖1所示。錨桿Mises應(yīng)力自上而下逐漸發(fā)生變化。錨固段擴(kuò)大端頭在加載初期發(fā)揮作用，端頭土體應(yīng)力狀態(tài)改變。隨著荷載的增加，擴(kuò)大頭段端頭發(fā)揮作用，由于擴(kuò)大頭段端頭尺寸大于錨固段端頭尺寸，擴(kuò)大頭段端頭對(duì)土體范圍的影響大于錨固段。

（2）豎向位移U2等值線圖如圖2所示。隨著荷載增加，擴(kuò)大頭抗浮錨桿由上而下逐漸產(chǎn)生位移，在抗拔力設(shè)計(jì)值280kN作用下，錨桿位移9mm。當(dāng)荷載增加到395kN時(shí)，錨桿位移15mm。

（3）等效塑性應(yīng)變PEEQ等值線圖如圖3所示。抗浮錨桿抗拔力設(shè)計(jì)值280kN，在設(shè)計(jì)值荷載作用下，錨固段端頭附近土體產(chǎn)生塑性應(yīng)變，土體被壓縮，此時(shí)擴(kuò)大頭段端頭兩側(cè)土體中開始產(chǎn)生塑性應(yīng)變。當(dāng)錨桿荷載繼續(xù)增加到極限荷載395kN，擴(kuò)大頭段端頭土體中的塑性區(qū)開始連通并且，等效塑性應(yīng)變PEEQ開始向周圍擴(kuò)展。

（4）端頭接觸壓力曲線。端頭附近土體單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖4所示。節(jié)點(diǎn)接觸壓力曲線如圖5所示。

時(shí)間增量步0～1為初始地應(yīng)力平衡步。錨固段端頭壓力在地應(yīng)力平衡后就表現(xiàn)為較快的增長，表明在加載初期錨固段擴(kuò)大頭端頭就開始發(fā)揮作用。端頭節(jié)點(diǎn)20初始地應(yīng)力平衡后的接觸壓力比其他節(jié)點(diǎn)要大得多，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，認(rèn)為端頭兩側(cè)節(jié)點(diǎn)與土體之間的復(fù)雜應(yīng)力關(guān)系有關(guān)。地應(yīng)力平衡后的端頭接觸壓力變化基本分兩個(gè)階段：①緩慢增長階段。這個(gè)過程處于加載中初期，錨桿錨固段以及錨固段擴(kuò)大端頭為主要承載部位，擴(kuò)大頭段位移較小，因此端頭壓力較小，端頭接觸壓力曲線變化較平緩；②快速增長階段。錨固段抗拔力達(dá)到極限值，擴(kuò)大頭段位移出現(xiàn)較快增長，接觸壓力開始迅速增大。其中，節(jié)點(diǎn)255接觸壓力在加載后期減小，出現(xiàn)降低趨勢。

4 結(jié)論

（1）該工程是采用擴(kuò)大頭錨固結(jié)構(gòu)的典型工程，采用變截面抗浮錨固結(jié)構(gòu)型式，能充分利用錨固擴(kuò)大頭的端頭效應(yīng)，可簡化錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效降低工程造價(jià)，提高施工效率。通過污水池的后期使用觀測情況來看，擴(kuò)大頭錨桿的抗浮效果良好。

（2）該工程采用二次擴(kuò)孔、雙變截面擴(kuò)大端頭的抗浮錨桿設(shè)計(jì)。通過數(shù)值模擬，能夠較好地反映錨桿與附近土體隨荷載增加產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)的變化。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)擴(kuò)大頭錨桿抗浮工程進(jìn)行仿真分析，預(yù)測錨桿的破壞過程，為擴(kuò)大頭錨桿的設(shè)計(jì)提供借鑒。

圖1 Mises應(yīng)力等值線圖

圖2 豎向位移U2等值線圖

圖3 PEEQ等值線圖

圖4 端頭土體節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖5 節(jié)點(diǎn)接觸壓力曲線

（3）抗浮錨桿的數(shù)值模擬過程是針對(duì)單根錨桿做的研究分析。在實(shí)際應(yīng)用中，則是通過多個(gè)擴(kuò)大頭抗浮錨桿共同發(fā)揮作用。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，局部池底受到較大的浮力作用，當(dāng)單根錨桿在浮力作用下產(chǎn)生豎向位移時(shí)，這種浮力的作用效果會(huì)通過池底的混凝土底板傳給臨近的其他錨桿。因此，單根錨桿承受的豎向荷載被消弱，這就是群錨效應(yīng)。群錨效應(yīng)與結(jié)構(gòu)層的剛度以及錨桿的間排距有較大的關(guān)系。

（4）擴(kuò)大頭段直徑越大，錨桿的抗拔力越大。為此，必須充分考慮錨桿自身的強(qiáng)度與剛度，特別是對(duì)變形要求比較嚴(yán)格的錨固結(jié)構(gòu)，驗(yàn)算擴(kuò)大頭錨桿的強(qiáng)度與剛度十分必要。

（5）對(duì)于擴(kuò)大頭錨桿而言，實(shí)際施工中影響錨桿抗拔力的不確定因素較多，比如機(jī)械擴(kuò)孔會(huì)擾動(dòng)土體，使原狀土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。因此，擴(kuò)大頭錨桿與土體間的相互作用仍需進(jìn)一步深入研究。