十字形多層抗浮土錨拉拔特性數(shù)值模擬

夏紅兵，葉 虎，蔡海兵

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

錨桿是建筑工程中非常常用的一個(gè)支護(hù)工具[1-4]，近年來，有不少學(xué)者研究通過改變錨桿形狀來獲得更好的支護(hù)性能，隨之誕生的有囊氏擴(kuò)體錨桿[5]、擴(kuò)大頭錨桿[6]等，袁方龍、陳運(yùn)濤等[7]研究發(fā)現(xiàn)擴(kuò)體錨桿在基坑開挖時(shí)可以有效的減少坡后土體的水平位移，使基坑更加穩(wěn)定。王偉健等人[8]研究發(fā)現(xiàn)多橫栓錨桿和等截面錨桿比較，土體位移顯著減小，多橫栓土錨通過增加與土體的接觸面積，可以大幅增加極限承載力, 多橫栓土錨極限承載力比普通錨桿提升55%。部分研究學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)擴(kuò)體錨桿的承載能力相比普通錨桿更高，同等長度下擴(kuò)體錨桿比普通錨桿承載力大約可以提高20%～30%[9-11]。郭鋼等[12]研究發(fā)現(xiàn)在極限承載力、位移與彈性承載范圍等方面擴(kuò)體錨桿比普通等截面錨桿的性能均有大幅度的提高，擴(kuò)體錨固段的直徑、長度和埋深均是影響錨桿的承載性能的影響因素。

抗浮錨桿常用于地下室結(jié)構(gòu)中，其可以抵擋地下水的浮力作用，抗浮錨桿頂部承受拉力作用，在地下室施工中抗浮錨桿發(fā)揮了非常大的作用，為地下室的穩(wěn)定和安全做出了突出貢獻(xiàn)。耿云尚[13]，呂權(quán)等[14]詳細(xì)討論了抗浮錨桿在實(shí)際施工中的具體施工步驟以及各個(gè)步驟的關(guān)鍵技術(shù)控制點(diǎn)和質(zhì)量控制點(diǎn)，陳城[15]的研究結(jié)果顯示擴(kuò)大頭抗浮錨桿擴(kuò)大頭段直徑越大，錨桿的錨固力也會(huì)隨之增大，劉國民[16]研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加抗浮錨桿的直徑和長度可以增加抗浮錨桿的承載力，裴寶家等[17]研究發(fā)現(xiàn)同等條件下擴(kuò)大頭抗浮錨桿比非擴(kuò)大頭抗浮錨桿承載性能更好，位移變化更小。

目前實(shí)際工程中，土錨施工想要獲得更大的錨固力，要么選擇增加錨固體的直徑要么增加錨固體的錨固長度，但是這兩種方法都會(huì)使水泥漿的用量大增從而導(dǎo)致施工成本的提升，為了獲得較大的錨固力同時(shí)節(jié)省造價(jià)，本文提出一種十字形多層抗浮土錨，通過在土錨周身用成盤工具制造出多個(gè)盤體來分擔(dān)荷載提升土錨整體承載性能，制造盤體所需水泥漿用量少，大大節(jié)省成本，在實(shí)際工程中經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對該十字形多層土錨與等截面土錨的承載力，位移等差異進(jìn)行研究對比。

1 十字形多層土錨介紹

十字形多層土錨[18]是在普通等截面土錨的基礎(chǔ)上，每隔一定間距，利用一種特殊的工具在土錨側(cè)面上做出多個(gè)半圓形的盤腔，原位旋轉(zhuǎn)90度，再次形成盤腔，放入鋼絞線組，注入水泥漿或者水泥砂漿，凝固而成多層土錨，因?yàn)槠錂M截面形狀和中文漢字‘十’相似，故取名為十字形多層土錨。多層土錨與等截面土錨的受力機(jī)理有所區(qū)別，等截面土錨僅受到沿桿身的側(cè)摩阻力作用，多層土錨盤體迎土面在桿體拉力作用下受到被動(dòng)土壓力作用，多層土錨抗拔力大幅度提升。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 模型概述

本模型中，模型長10m，寬10m，高7.4m，土錨長5.4m，其橫截面為直徑為150mm的圓，本文為了建模及運(yùn)算的方便，將圓柱形土錨用邊長為150mm的方形替代，半橢圓形錨盤用長方形替代。土錨全部埋入土體內(nèi)，錨盤厚100mm，盤體伸出距離為100mm，盤間距400mm，整個(gè)土錨共設(shè)置10個(gè)錨盤，頂部為自由邊界，側(cè)面平行于Y軸的面約束其X軸方向的位移，平行于X軸的面約束其Y軸方向的位移，底部約束其Z軸方向位移，土錨模型和整體模型分別如圖1、圖2所示。

圖1 土錨模型

圖2 整體模型

2.2 十字形多層土錨模擬時(shí)的基本假設(shè)

(1)假設(shè)十字形多層土錨采用的是均質(zhì)連續(xù)的彈性體。

(2)假設(shè)土體是連續(xù)各向同性的理想彈塑性材料，采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。

(3)十字形多層抗浮土錨的承載特性基于錨土共同作用原理。

(4)實(shí)際施工中對土體和土錨的影響忽略不計(jì)。

基于上述假設(shè)，土錨和土體參數(shù)如表1所示。

表1 土錨和土體參數(shù)

3 豎直方向承載力特性分析

3.1 荷載-位移曲線

在十字形多層土錨頂部施加豎直向上的拉力，從100kN的面荷載開始加載，每級增加25kN，逐步加大拉力。

十字形多層土錨和等截面土錨在荷載作用下的荷載-位移曲線如圖3和圖4所示，在十字形多層土錨模型中施加425kN拉力時(shí)產(chǎn)生的位移增量超過施加400kN拉力時(shí)產(chǎn)生的位移增量的兩倍，巖土錨桿技術(shù)規(guī)程[19]中規(guī)定：后一級荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過前一級荷載產(chǎn)生的位移增量的2倍時(shí)土錨破壞。據(jù)此可判斷十字形多層土錨的極限抗拔承載力為425kN,同理可得等截面土錨的極限抗拔承載力為107.5kN，當(dāng)荷載施加到425kN時(shí)，十字形多層土錨的位移為2.1829mm,當(dāng)荷載施加到107.5kN時(shí)，等截面土錨的位移為7.8933mm。

圖3 十字形多層土錨荷載-位移曲線

圖4 等截面土錨荷載-位移曲線

由十字形多層土錨和等截面土錨的荷載-位移曲線可知，隨著荷載的不斷增加，土錨的位移不斷增加，當(dāng)?shù)冉孛嫱铃^到達(dá)極限承載力時(shí)，十字形多層土錨還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到其極限承載力，據(jù)此可得到添加了錨盤的多層土錨能夠大大降低土錨的豎直位移，錨盤的效果顯著。相同荷載下十字形多層土錨位移小于等截面土錨，十字形多層土錨支護(hù)效果優(yōu)于等截面土錨。

3.2 多層土錨位移云圖分析

在FLAC3D軟件中對等截面土錨和十字形多層土錨模型中間進(jìn)行切片操作，取中間部分研究，等截面土錨在103kN拉力作用下的豎向位移云圖如圖5所示，十字形多層土錨在十字形多層土錨在425kN拉力作用下的豎向位移云圖如圖6所示，由兩圖可看出等截面土錨和十字形多層土錨的位移均呈現(xiàn)中間大，兩邊小的趨勢，左右對稱，由中間向兩邊發(fā)散，越靠近土錨頂部，越靠近土錨中心豎向位移越大，十字形多層土錨與等截面土錨豎向位移云圖的不同點(diǎn)在于，十字形多層土錨的錨盤處分擔(dān)荷載大，豎向位移在錨盤處發(fā)生變化，錨盤處位移從上向下逐漸遞減，正是由于錨盤的分擔(dān)荷載作用使得十字形多層土錨的承載性能優(yōu)于等截面土錨。

圖5 等截面土錨103kN作用下豎向位移云圖

圖6 十字形多層土錨425kN作用下豎向位移云圖

3.3 豎向應(yīng)力云圖分析

在FLAC3D軟件中對十字形多層土錨模型和等截面模型中間切片，取中間部分分析。十字形多層土錨和等截面土錨在荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示，由圖7可看出，在425kN的拉力作用下，十字形多層土錨的應(yīng)力分布由上向下逐漸遞減，主要原因是土錨的側(cè)摩阻力在發(fā)揮作用，側(cè)摩阻力將其中的一部分力傳遞到周邊的土體，圖8是等截面土錨在107.5N的拉力作用下的豎向應(yīng)力云圖，此圖也反映了和十字形多層土錨模型一樣的規(guī)律，即越靠近土錨的下部應(yīng)力越小。由圖7可看出十字形多層土錨整個(gè)應(yīng)力分布呈現(xiàn)糖葫蘆似的形狀，其錨盤處分擔(dān)了較多的荷載，故十字形多層土錨可以承擔(dān)更大的荷載，同等條件下十字形多層土錨的承載性能優(yōu)于等截面土錨。

圖7 十字形多層土錨豎向應(yīng)力云圖

圖8 等截面土錨豎向應(yīng)力云圖

3.4 十字形多層土錨軸力分析

由于FLAC3D軟件中實(shí)體單元土錨的軸力不能直接導(dǎo)出，所以本文采取分段計(jì)算的方法。在FLAC3D軟件中操作界面顯示出土錨各個(gè)單元的ID號，然后在命令窗口中輸入相應(yīng)的命令可以批量輸出相應(yīng)ID的應(yīng)力狀態(tài)，對同截面的各ID號的應(yīng)力值取平均值，然后乘以該截面面積即可得到該截面的軸力值。

10個(gè)錨盤在不同荷載作用下各錨盤承擔(dān)的荷載情況如圖9所示，錨盤從土錨底部向端部開始計(jì)數(shù)，由圖可看出在同一荷載下，越靠近土錨根部的錨盤可以承擔(dān)跟多的荷載，在不同荷載作用時(shí)，荷載越大，同一錨盤分擔(dān)的荷載越多，隨著荷載的不斷加大，靠近頂部的錨盤承擔(dān)的荷載增量逐漸減緩。

圖9 錨盤承擔(dān)荷載

十字形多層土錨與等截面土錨在不同荷載作用下時(shí)不同入土深度的土錨軸力分布規(guī)律如圖10、圖11所示，由圖10可看出，在不同拉力作用下，十字形多層土錨的軸力呈現(xiàn)階梯型上升狀，軸力在錨盤處發(fā)生突變，土錨軸力隨著埋入土體的深度增加而減小，越靠近土錨頂部土錨的軸力越大，由圖11可知，土錨在不同長度埋入深度下，等截面土錨的軸力每一段都均勻增長，呈線性變化，軸力上升的速率明顯比十字形多盤土錨要大。原因可能是錨盤增加了整個(gè)土錨與土體的接觸面積，大大加強(qiáng)了土錨和土體之間的聯(lián)合作用效應(yīng)。施加較小的荷載時(shí)，側(cè)摩阻力承擔(dān)了大部分荷載，盤體的效果并不是很明顯，但是隨著荷載的增大，盤體的效果就會(huì)體現(xiàn)出來。十字形多層土錨加了錨盤后土錨軸力變化速率慢于等截面土錨，錨盤處的軸力突變正反應(yīng)出錨盤分擔(dān)了較多荷載，錨盤的作用明顯，十字形多層土錨承載性能優(yōu)于等截面土錨。

圖10 十字形多層土錨軸力

圖11 等截面土錨軸力

3.5 十字形多層土錨側(cè)摩阻力分析

十字形多層土錨某段的側(cè)摩阻力計(jì)算方法上就是兩相鄰斷面的軸力的差值，具體的計(jì)算方法如下：

Fi=第i個(gè)盤體上部監(jiān)測處軸力-第 i個(gè)盤體下部監(jiān)測處軸力

十字形多層土錨在不同拉力作用下的側(cè)摩阻力分布圖如圖12所示，由圖12可看出，十字形多層土錨側(cè)摩阻力大致呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)施加的荷載為250kN時(shí)，側(cè)摩阻力達(dá)到最大值，之后土錨的側(cè)摩阻力呈現(xiàn)一定幅度的下降，背后的原因可能是錨土之間的負(fù)摩阻力。等截面土錨在不同荷載作用下的側(cè)摩阻力分布圖如圖13所示，側(cè)摩阻力隨著荷載增加不斷增加。與等截面土錨相比，十字形多層土錨桿身的側(cè)摩阻力較小，大部分側(cè)摩阻力被錨盤所承擔(dān)，故十字形多層土錨可承擔(dān)更多荷載，十字形多層土錨支護(hù)效果比等截面土錨效果更好。

圖12 十字形多層土錨側(cè)摩阻力

圖13 等截面土錨側(cè)摩阻力

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬計(jì)算得出，相同條件下，十字形多層土錨比等截面土錨有更高的承載能力，當(dāng)承擔(dān)同樣的荷載時(shí)，十字形多層土錨的盤體可分擔(dān)較多荷載從而使十字形多層土錨整根土錨的位移變化較少，十字形多層土錨用在實(shí)際工程中僅需添加少量水泥漿就可以大幅度提升土錨的錨固效果，經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)。

(1)十字形多層土錨比等截面土錨承載力更大，十字形多層土錨極限承載力比等截面土錨提高了295.34%，豎向位移更小，當(dāng)十字形多層土錨和等截面土錨都達(dá)到極限承載力時(shí)，十字形多層土錨比等截面土錨豎向位移少72.34%。

(2)錨盤的添加使得多層土錨迎土面面積更大，土錨不僅受到桿身側(cè)摩阻力和土錨底部端承力的作用，還受到盤體側(cè)摩阻力和盤體端承力的作用，這些力共同作用下使得土錨承載力更高，其中錨盤分擔(dān)了大部分荷載，錨盤分擔(dān)荷載最高可達(dá)到總荷載的90.5%。