錨桿自由段對潛在滑移面的影響機(jī)制分析

，

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南焦作454000；2.河南省深部礦井建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南焦作454000)

0 引言

支護(hù)邊坡形狀各異、支護(hù)形式多種多樣，且受土體參數(shù)及地質(zhì)條件的影響，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算仍為巖土工程領(lǐng)域亟待解決的難題之一，其中最突出的問題當(dāng)屬邊坡破壞模式及最危險(xiǎn)滑移面的確定。對于支護(hù)邊坡的破壞模式，目前研究結(jié)論主要反映在兩個方面，其一基于數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)結(jié)果推定破壞形態(tài)[1-2]，其二根據(jù)現(xiàn)場失事案例分析破壞機(jī)理[3-4]。關(guān)于最危險(xiǎn)滑移面，專家學(xué)者做了大量研究和探索，主要通過有限元強(qiáng)度折減法[5-7]和極限平衡分析法[8]求得邊坡滑移的位置及安全系數(shù)。

錨桿由自由段和錨固段兩部分組成，工作時對錨頭施加預(yù)應(yīng)力，借助于自由段鋼筋的回彈收縮，將端部應(yīng)力傳至后部土體，實(shí)現(xiàn)限制基坑變形、保證基坑整體穩(wěn)定的目的。目前，關(guān)于錨固長度的研究文獻(xiàn)較多，林杭等[9]利用雙彈簧單元，通過改變錨桿長度，研究邊坡安全系數(shù)及滑移面的變化規(guī)律，并探討錨桿的力學(xué)響應(yīng)；王洪濤等[10]從理論上推導(dǎo)了錨桿應(yīng)力分布規(guī)律，建立了不同錨固長度巷道圍巖的力學(xué)分析模型，研究了不同錨固長度對巷道圍巖的控制效果；曾憲明等[11]對錨固類結(jié)構(gòu)桿體臨界錨固長度確定的現(xiàn)場試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和理論分析進(jìn)行分類綜述；張杰等[12]采用理想彈塑性荷載傳遞函數(shù)，通過分析錨固長度與極限承載力的關(guān)系，推導(dǎo)了錨桿臨界錨固長度的解析公式。但有關(guān)錨桿自由段長度的研究成果較為少見，規(guī)范對于自由段的規(guī)定僅限于“必須保證錨桿能夠錨固于比破壞面更深的穩(wěn)定土層中”，目前文獻(xiàn)主要集中于自由段長度對支護(hù)效果的影響[13-16]，對邊坡滑移面和基坑安全系數(shù)影響的相關(guān)文獻(xiàn)幾乎沒有。

本文以深圳假日廣場典型實(shí)例為基礎(chǔ)，采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型，保證錨固段長度不變，通過改變錨桿自由段長度，得到各工況的等效塑性應(yīng)變云圖，以分析邊坡漸近破壞特點(diǎn)并總結(jié)滑移失穩(wěn)機(jī)制。

圖1 試驗(yàn)場地支護(hù)剖面圖Fig.1 Supporting profile of test site

1 數(shù)值模型

1.1 計(jì)算模型的建立

深圳假日廣場南側(cè)的基坑深14.35 m，采用預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘埋設(shè)于第1，2，4，6，8，9，10排，長度分別為8，8，12，8，8，8，6 m；預(yù)應(yīng)力錨桿埋設(shè)于第3，5，7排，由上到下自由段長度均為5m，錨固長度分別為13，12，11 m，預(yù)應(yīng)力均為200 kN。試驗(yàn)場地支護(hù)剖面如圖1所示。

1.2 本構(gòu)模型與土體參數(shù)的選取

① 本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb。模擬時保持土體強(qiáng)度參數(shù)c，φ不變、逐層增大土體彈性模量E，以克服該模型不能考慮土體回彈的缺點(diǎn)。

② 依據(jù)地勘報(bào)告，開挖深度范圍內(nèi)土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Parameters of soils

③ 錨桿自由段鋼筋的參數(shù)取值為E=195 GPa，ν=0.28；錨桿錨固段、土釘錨固體及混凝土面層的參數(shù)取值為Eeq=28 GPa，ν=0.16。

2 計(jì)算結(jié)果與分析討論

數(shù)值模擬時，保持基本模型中各排錨桿的預(yù)應(yīng)力及錨固長度不變，將錨桿自由段長度從1 m按照△=2 m逐漸增加，直至11 m，得到各工況下等效塑性應(yīng)變云圖如圖2所示。

(a)Lf=1 m

(c)Lf=5 m

(e)Lf=9 m

圖2各工況下的等效塑性應(yīng)變云圖
Fig.2Equivalentplasticstrainclouddiagramundervariousworkingconditions

從圖2(a)～(f)可以看出：當(dāng)錨桿自由段很短時(Lf=1 m)，等效塑性應(yīng)變云圖所顯示的潛在滑移面光滑連續(xù)，為穿過三排錨桿尾端的圓弧形，類似于純土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)自由段長度較短時(Lf=3 m、5 m)，邊坡滑移面逐漸變得彎折甚至錯層，演變?yōu)榻?jīng)過三排錨桿尾端的上部滑移面與通過坡腳下方一定深度的下部滑移面。Lf=5 m時的滑移面相對于Lf=3 m，上部的滑移面更弱，下部的滑移面更強(qiáng)。當(dāng)自由段長度較長時(Lf=7 m、9 m)，上部經(jīng)過錨桿尾端的塑性區(qū)繼續(xù)變?nèi)?，而下部通過坡腳下方一定深度的區(qū)域演變?yōu)榛邮Х€(wěn)破壞時主要的塑性區(qū)。當(dāng)自由段長度很長時(Lf=11 m)，貫穿錨桿尾端的潛在滑移面幾乎全部消失，通過坡腳下方的潛在滑移面急速向上發(fā)展，并朝向坑內(nèi)移動，形成光滑連續(xù)的圓弧形，直至坡頂。

圖3 自由段長度與滑移面的關(guān)系Fig.3 Relationship of unbounded length and sliding surface

為更清楚地研究邊坡滑移面隨錨桿自由段長度的變化規(guī)律，將圖2中各工況下的邊坡潛在滑移面描線繪制于模型坐標(biāo)系中，如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)錨桿自由段長度從1 m增至3 m，從3 m增至5 m時，基坑潛在滑移面勻速穩(wěn)步地朝坑外移動，滑移面積增大，破壞模式由淺層滑動轉(zhuǎn)為深層滑動。隨著自由段長度的繼續(xù)變大，當(dāng)Lf=7 m時，邊坡滑移面突然發(fā)生反向位移，開始朝向坑內(nèi)移動，且位移量較大，滑移面通過下部三排土釘尾端，上部滑移面變得不再明顯，塑性區(qū)集中于坡腳以下一定深度的范圍；當(dāng)自由段長度增至11 m時，邊坡滑移面繼續(xù)前移，靠近坡面，完整連續(xù)，穿過第4排土釘。這是因?yàn)椋S著錨桿自由段長度的不斷變大，鋼筋的彈性回彈量逐漸增加，向后傳遞約束的能力越強(qiáng)，此時朝向坑內(nèi)移動的趨勢小于朝向坑外移動的趨勢，從而使邊坡滑移面穩(wěn)步后移；當(dāng)自由段長度達(dá)到一定范圍后，相對錨固段變短，錨固體與周圍土體間的摩阻力減弱，使得朝向坑內(nèi)移動的安全系數(shù)變小，潛在滑移面開始朝向坑內(nèi)移動，直至到達(dá)臨坡面。

3 滑移面的演化規(guī)律

受地層條件和支護(hù)方式的影響，基坑滑移面剪出口并不一定通過坡腳處，如圖2(a)～(f)所示，而是穿過坡腳下一定位置。這是因?yàn)?，基于MIDAS提供的強(qiáng)度折減法，當(dāng)邊坡未支護(hù)時，滑移面較小，剪出口基本通過坡腳；施作土釘或錨桿后，支護(hù)構(gòu)件的約束作用使得滑移面向土體深部轉(zhuǎn)移，滑移面積增大，剪出口穿過坡腳下一定位置，通常位于距基坑底部H/3區(qū)域。

此試驗(yàn)滑移面位置與形狀不同，主要原因在于錨桿的自由段長度不同。根據(jù)錨桿受力特點(diǎn)，可以根據(jù)錨桿中性點(diǎn)的位置確定滑移面的位置和形狀。當(dāng)錨桿自由段長度變化時，向后傳遞預(yù)應(yīng)力的范圍及錨桿錨固作用發(fā)揮度均存在差別。根據(jù)摩爾—庫倫準(zhǔn)則:

抗剪強(qiáng)度(σ1-σ3)f與圍壓σ3呈線性關(guān)系：當(dāng)圍壓σ3增大時，抗剪強(qiáng)度(σ1-σ3)f隨之增大，滑移面向土體深部后移，滑移面積增大，抗滑力增大，支護(hù)邊坡更穩(wěn)定。

錨桿錨固作用的發(fā)揮通過錨固體與周圍土體之間的摩阻力實(shí)現(xiàn)，摩阻力通常采用平均摩阻力，由相鄰兩點(diǎn)的應(yīng)變值求得，即：

式中，τi為第j點(diǎn)和第j+1點(diǎn)之間的平均摩阻力，D為錨固體直徑，Δx為第j點(diǎn)和第j+1點(diǎn)之間的距離，Pj，Pj+1為第j點(diǎn)和第j+1點(diǎn)的錨桿軸力。

根據(jù)胡賀松等[17]對圍壓和極限錨固力關(guān)系的研究結(jié)論，圍壓的增加能夠增大錨桿與周圍土體之間的摩阻力，但達(dá)到一定程度后，對摩阻力的影響不大。

當(dāng)錨桿自由段很短時，錨固段前端可能位于不穩(wěn)定的滑動土體中，施加的預(yù)應(yīng)力會被不穩(wěn)定土體消耗掉，使得預(yù)應(yīng)力損失較大，圍壓較小，抗剪強(qiáng)度較小，滑移面比較靠前。隨著錨桿自由段長度的逐漸增大，錨固段全部位于穩(wěn)定土體中，預(yù)應(yīng)力損失變小，圍壓增大，抗剪強(qiáng)度增大，滑移面開始后移。當(dāng)錨桿自由段很長時，錨固段產(chǎn)生的摩阻力變小，其結(jié)果必然影響到圍壓的發(fā)揮，使得滑移面積減小，滑移面開始反向前移直至臨坡面。

4 結(jié)論

以深圳假日廣場典型實(shí)例為基礎(chǔ)，保證錨桿錨固段長度及預(yù)應(yīng)力水平不變，僅改變錨桿自由段長度，研究了土體滑移面的變化規(guī)律并探討了滑移機(jī)制，結(jié)果表明：①隨著錨桿自由段長度的逐漸增加，錨桿尾端的塑性區(qū)逐漸變?nèi)酰苄詤^(qū)集中于坡腳下一定深度的區(qū)域。②隨著錨桿自由段長度的逐漸增加，基坑滑移面先是朝著坑外移動，而后發(fā)生突變，迅速向坑內(nèi)遷移。③當(dāng)自由段較短時，圍壓受預(yù)應(yīng)力損失影響較大，滑移面臨近坡面；當(dāng)自由段較長時，圍壓受錨桿錨固作用的發(fā)揮度影響較大，滑移面反向遷移。④自由段鋼筋與周圍土體無黏結(jié)，且錨桿張拉產(chǎn)生的反向應(yīng)力會弱化周圍土釘與土體間的摩阻力，所以錨桿的自由段長度存在一個有效值。