一種新型大直徑多盤土錨承載力數值模擬分析

夏紅兵,王佳威

(安徽理工大學 1.土木建筑學院;2.礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

土錨在深基坑支護、邊坡加固等工程中發揮著不可替代的作用[1-3]。近年來國內外許多學者提出通過改變錨桿形狀和施工技術來提高錨固力,從而獲得更好的支護性能。如陳凡凡[4]研究發現傘式土錨與傳統土錨相比,傘式土錨只需進行一次張拉就可獲得錨桿所需承載力,并且可以有效提高土質邊坡穩定性。呂權、孟凡元等人[5]研究發現在高水位地區施工時,抗浮錨桿施工技術可以有效避免地下水浮力的影響,保證施工安全與工程質量。Hamed Niroumand,Khairul Anuar Kassim[6]等人研究發現使用GFR加固可以顯著提高圓形錨板的抗拔能力。文鵬宇[7]研究發現擴大頭錨桿的承載力是普通錨桿的兩倍多,擴大頭直徑宜為普通錨固段直徑的2～3倍,擴大頭長度宜為錨桿總長的三分之一。張博、夏紅兵等人[8]通過專業的成腔工具在原等直徑錨桿表面形成多個凸塊,增大土錨與周圍土體的接觸面積,運用FLAC3D數值模擬軟件分析發現,多凸塊土錨可以在大幅度提高土錨極限抗拔承載力的同時減少土錨錨頭位移。黃曉剛[9]通過理論分析與數值模擬并結合相關現場試驗結果,證明囊式擴體錨桿可以達到預設極限承載力,并且在工程應用中,囊式擴體錨桿相對于灌注樁和普通錨桿更加具有優勢。

在目前工程施工中,往往通過增加錨桿的長度[10-12]或增大擴大頭直徑[13-14]來提高錨桿的抗拔承載力[15],但這兩種方法會降低施工效率、增加施工成本。為提高錨固力的同時降低工程造價,本文提出一種新型大直徑多盤土錨,通過FLAC3D軟件建立模型從極限承載力、側摩阻力、軸力等方面進行研究,以獲得更好的錨固性能,為日后的研究提供理論分析。

1 新型大直徑多盤土錨介紹

新型大直徑多盤土錨[16]是一種采用結構簡單且易于實現的成盤工具在原等直徑土錨表面形成多個較大盤徑的盤體,其目的是利用被動土壓力-Mazindrani(Rankine)理論[17],并且新型大直徑多盤土錨的累積迎土面面積更大,可以顯著提高土錨的錨固力。

本文中的成盤工具包括:1花管筒;2風動馬達;3鋼管;4進氣管;5排土管;6推拉桿;7推拉桿等,如圖1所示。

圖1 成盤工具

具體成盤施工工藝:首先使用推拉桿將該擴孔裝置送至已經形成的鉆孔底部,然后回拉推拉桿,向進氣管輸送壓縮空氣,風動馬達開始工作并帶動花管筒旋轉,花管筒表面的帶齒鏈條在離心力作用下切削土體并逐漸向外擴展,切削出的土體在出土孔以及花管筒與風動馬達間的間隙間從抽排土管排出,當擴孔作業完成時,關閉壓縮空氣,風動馬達停止工作,花管筒表面的帶齒鏈條逐漸停止旋轉,并在磁吸力作用下,吸附在花管筒表面,向外回拉推拉桿,使該裝置到達第二個擴孔位置,重復以上操作,同樣方式完成擴孔;共擴孔多次,形成多個空腔。然后,在鉆孔中放入帶有對中支架的鋼絞線,灌注水泥漿或水泥砂漿,待水泥漿或水泥砂漿固化后,得到新型大直徑多盤土錨。

2 FLAC3D模型建立

2.1 計算模型

在建立FLAC3D模型計算模型時,模型取10m×10m×10m,土錨埋深H為10m,錨桿長6m,錨桿直徑d為150mm,錨盤盤徑D為350mm,錨盤間距S為1500mm,新型大直徑多盤土錨共設置3個錨盤。土錨計算模型如圖2所示,整體計算模型如圖3所示。

圖2 新型大直徑多盤土錨計算模型

圖3 整體計算模型

2.2 邊界條件

模型頂部(土體表面)為自由邊界,前后兩側面約束其沿y軸的方向位移,左右兩側面約束其沿x軸的方向位移,下表面約束其沿z軸的方向位移,另外,不在新型大直徑多盤土錨第一個盤前的范圍設置土體。

2.3 基本假設

為了解決對模型進行數值模擬時所存在的問題[18],如收斂性問題、誤差等,提出適合模擬分析新型大直徑多盤土錨承載力特性的假設,如下所示。

(1)新型大直徑多盤土錨采用的彈性體符合均勻性假設、連續性假設和各向同性假設。

(2)土體為均勻連續各向同性的彈性體,符合Mohr-coulomb屈服準則。

(3)忽略實際施工中產生的誤差和時間等因素的影響。

(4)新型大直徑多盤土錨的承載特性基于錨土系統的共同作用原理。

(5)由于現場開挖支護時需要設置接觸面連接新型大直徑多盤土錨與土體,為方便模擬計算,假設迎土面內摩擦角φ為24°、粘聚力с為8kPa,背土面內摩擦角φ為24°、粘聚力с為0。

按照上述假設,如表1所示為模型相關參數。

表1 土體和土錨參數

3 新型大直徑多盤土錨豎直方向承載力分析

3.1 新型大直徑多盤土錨荷載-位移曲線分析

為了研究新型大直徑多盤土錨與等直徑土錨受力后承載力特性與位移之間的關系,分別對新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨模型端部錨頭施加豎直方向的面荷載,采用分級加載。初始加載為15KN,每級增加15KN的拉力,從而得到新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨在各級荷載作用下的荷載-位移曲線,如圖4、圖5所示。

圖4 新型大直徑多盤土錨荷載-位移曲線

圖5 新等直徑土錨荷載-位移曲線

根據巖土錨桿(索)技術規程[19]中有關土錨破壞的規定可知,當后一級施加荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級施加荷載產生位移增量的2倍時土錨發生破壞。根據圖4可以看出,新型大直徑多盤土錨極限抗拔承載力為135KN,此時錨頭位移為1.2597mm;根據圖5可以看出,等直徑土錨極限抗拔承載力為90KN,此時錨頭位移為0.8634mm。在90KN荷載作用下,新型大直徑多盤土錨錨頭位移為0.658mm。新型大直徑多盤土錨相較于等直徑土錨極限抗拔承載力提高了50%、土錨錨頭位移量減少了24.22%。

對比新型大直徑多盤土錨荷載-位移曲線和等直徑土錨荷載-位移曲線可以看出,隨著施加荷載的不斷增大,兩個土錨錨頭位移也不斷增加,當施加荷載達到90KN時,此時等直徑土錨已經達到極限抗拔承載力,但新型大直徑多盤土錨還遠沒有達到。此外,相同荷載下,新型大直徑多盤土錨錨頭位移遠小于等直徑土錨。

由此可以得出,新型大直徑多盤土錨不僅能夠顯著提高土錨的極限抗拔承載力,還可以有效降低土錨錨頭位移量,具有很好的支護效果。

3.2 新型大直徑多盤土錨豎向位移云圖分析

運用FLAC3D數值模擬軟件分別對新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨模型中間豎向平面切片,取一半對稱平面部分進行研究分析土錨模型在荷載作用下的豎向位移,新型大直徑多盤土錨在135KN荷載作用下的豎向位移云圖如圖6所示,等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向位移云圖如圖7所示。

圖6 新型大直徑多盤土錨在135KN荷載作用下的豎向位移云圖

圖7 等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向位移云圖

對比圖6新型大直徑多盤土錨在135KN荷載作用下的豎向位移云圖和圖7等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向位移云圖可以看出新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下的豎向位移變化規律有異同點,相同點:土錨豎向位移均呈現從上向下逐漸遞減,左右對稱,錨頭位置處豎向位移最大,豎向位移由中間向左右兩側發散。不同點:由于新型大直徑多盤土錨的錨盤分擔施加的荷載,施加相同的荷載時,新型大直徑多盤土錨產生的的豎向位移小于等直徑土錨,并且豎向位移在錨盤處發生變化,錨盤處的位移由第一個錨盤至第三個錨盤逐漸遞減。故根據分析可知,新型大直徑多盤土錨能夠有效提高土錨受到荷載作用時的穩定性、減少土錨豎向變形位移量,具有很好的支護效果。

3.3 新型大直徑多盤土錨豎向位移云圖分析

首先在FLAC3D數值模擬軟件操作界面分別對新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨模型模型特定位置進行橫向切面,從而各自得到6個截面,獲取截面各單元的ID號,然后在命令窗口輸入對應的命令流得到各單元的應力值,再根據公式(1)計算得到第i個截面軸力值Fi。

Fi=σisi

(1)

公式(1)中:σi為截面的平均應力;si為截面的面積。

新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨模型在不同荷載作用下的土錨軸力變化規律如圖8、圖9所示。

圖8 新型大直徑多盤土錨軸力

圖9 等直徑土錨土錨軸力

對比圖8新型大直徑多盤土錨軸力圖和圖9等直徑土錨土錨軸力圖可以明顯看出新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨在不同荷載作用下的軸力變化規律有異同點,相同點:在相同的荷載作用下,隨著土錨埋深的增加,新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨的軸力逐漸降低;在土錨同一埋深位置處,隨著施加荷載的增加,新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨的軸力逐漸增大。不同點:通過觀察兩個土錨模型的軸力變化圖,等直徑土錨在同一荷載作用下,軸力隨著土錨埋深的增加呈現直線下降,而新型大直徑多盤土錨在同一荷載作用下,軸力隨著土錨埋深的增加呈現階梯式下降,并且軸力在錨盤位置出現陡降,這是因為錨盤的存在分擔了施加的部分荷載,并使土錨與周圍土體的接觸面積變大,施加的荷載可以更好的傳遞到土錨的周圍土體上,加強了土錨與周圍土體的聯合作用,提高土錨的極限抗拔承載力、減少了土錨的豎向位移。

對新型大直徑多盤土錨模型的錨盤從錨頭向下依次記為錨盤1、錨盤2和錨盤3,根據計算得到的截面軸力值,再按照公式(2)便可以計算出新型大直徑多盤土錨第j個錨盤承擔荷載δj。

δj=Fj-Fj-1

(2)

公式(2)中:Fj為第j個錨盤頂部截面的軸力;Fj-1為第j-1個錨盤底部截面的軸力。

新型大直徑多盤土錨模型在不同荷載作用下各個錨盤承擔的荷載如圖10所示。

圖10 錨盤承擔荷載

從圖10中不難看出,新型大直徑多盤土錨模型3個錨盤承擔的荷載均隨著施加荷載的增加而增大,在施加荷載小于112.5KN時,錨盤1承擔荷載>錨盤2承擔荷載>錨盤3承擔荷載,3個錨盤承擔的荷載與施加荷載幾乎成正比;在施加荷載大于127.5KN時,錨盤1承擔荷載<錨盤2承擔荷載<錨盤3承擔荷載,錨盤1承載荷載增長率逐漸增大、錨盤2和錨盤3承擔荷載增長率逐漸減小。當施加的荷載為新型大直徑多盤土錨極限抗拔承載力135KN時,錨盤1承擔荷載為13KN,錨盤2承擔荷載為14.59KN,錨盤3承擔荷載為15.737KN,錨盤承擔總荷載為43.327KN,占比施加總荷載的32.094%。

3.4 新型大直徑多盤土錨豎向應力云圖分析

運用FLAC3D數值模擬軟件分別對新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨模型中間豎向平面切片,取一半對稱平面部分進行研究分析土錨模型在荷載作用下的豎向應力,新型大直徑多盤土錨在135KN荷載作用下的豎向應力云圖如圖11所示,等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向應力云圖如圖12所示。

圖11 新型大直徑多盤土錨在135KN荷載作用下的豎向應力云圖

圖12 等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向應力云圖

對比圖11新型大直徑多盤土錨在135KN荷載作用下的豎向應力云圖和圖12等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向應力云圖可以明顯看出新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下的豎向應力變化規律有異同點,相同點:由于土錨受到側摩阻力作用將部分豎向應力傳遞到周圍的土體上,新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下的豎向應力沿著土錨頂端向下逐漸遞減。不同點:由于新型大直徑多盤土錨的三個錨盤可以分擔施加的部分荷載,所以新型大直徑多盤土錨與等直徑土錨相比可以承擔更大的荷載,具有更好的承載性能,其在135KN荷載作用下的豎向應力在錨盤位置處發生突變,豎向應力云圖呈現“豐”字型分布。

3.5 新型大直徑多盤土錨側摩阻力分析

新型大直徑多盤土錨各段的側摩阻力fm,n可以根據已計算得出的軸力值,再依據公式(3)得出。

fm,n=Fm,n-Fm,n-1

(3)

公式(3)中:Fm,n為在荷載m作用下高度為n處的軸力值;Fm,n-1第為在荷載m作用下高度為n-1處的軸力值。

新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨模型在不同荷載作用下各段的側摩阻變化規律如圖13、圖14所示。

圖13 新型大直徑多盤土錨側摩阻力

圖14 等直徑土錨側摩阻力

從圖13中我們可以看出,新型大直徑多盤土錨側摩阻力整體上隨著施加荷載的增大而增加,當施加荷載小于75KN時,四段側摩阻力與施加荷載幾乎成正比關系;當施加荷載位于75～150KN區間時,-3.05～-4.50m和-4.65～-6.00m兩段的側摩阻力增長率基本保持穩定,仍與施加荷載成正比,0.00～-1.50m和-1.45～-2.90m兩段的側摩阻力增長率降低,圖像呈現“凸”字形;當施加荷載大于150KN時,0.00～-1.50m、-1.45～-2.90m和-3.05～-4.50m三段的側摩阻力增長率與施加荷載成正比,側摩阻力穩定增大,-4.65～-6.00m段的側摩阻力圖像呈現“凹”字形。觀察圖14可以發現,當施加荷載小于60KN時,四段側摩阻力穩定增大且與施加荷載成正比;當施加荷載大于60KN時,0.00～-1.50m段的側摩阻力先增大后減小,-1.50～-3.00m段的側摩阻力增長率逐漸減小,-3.00～-4.50m段的側摩阻力增長率基本不變,仍與施加荷載成正比,-4.50～-6.00m短的側摩阻力增長率逐漸增大。對比兩圖,可以看出在相同荷載作用下,新型大直徑多盤土錨的側摩阻力要小于等直徑土錨,由于錨盤分擔了施加的部分荷載,故新型大直徑多盤土錨可以承擔更大的荷載,具有更好的支護效果。

4 結論

根據上述數值模擬分析得出,在相同條件下,新型大直徑多盤土錨可以有效提高等直徑土錨的極限抗拔承載力,當施加相同的荷載時,由于新型大直徑多盤土錨錨盤分擔了施加的部分荷載,從而減少新型大直徑多盤土錨受力產生的位移。在工程施工中,只需使用擴孔成盤裝置就可以制造出預設錨盤厚度的新型大直徑多盤土錨,大幅度提高了土錨的錨固效果,節約成本,經濟適用性強。

新型大直徑多盤土錨的極限抗拔承載力相較于等直徑土錨提高了50%,新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下,新型大直徑多盤土錨的豎向位移相較于等直徑土錨減少了24.22%,故新型大直徑多盤土錨有更好的支護效果。

新型大直徑多盤土錨和等直徑土錨豎向位移均呈現從上向下逐漸遞減,左右對稱,錨頭位置處豎向位移最大,豎向位移由中間向左右兩側發散。

新型大直徑多盤土錨的三個錨盤使土錨與周圍土體的接觸面積變大,可以將更多的荷載傳遞到周圍土體上,加強了土錨與周圍土體的聯合作用,減緩了土錨側摩阻力的增長速度,當新型大直徑多盤土錨達到極限抗拔承載力時,三個錨盤分擔的荷載占施加總荷載的32.094%。