多盤土錨抗拔特性FLAC3D數(shù)值模擬分析

劉 煒，夏紅兵

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近幾年錨桿在基坑中的應(yīng)用越來越廣泛，人們不斷地在研究和改進普通錨桿，通過改變錨固段的形狀以及施工工藝來達到增加錨桿的承載力[1-4]。如擴體型錨桿[5]，裹式擴體錨桿[6]等多種新型錨桿，這些新型錨桿的特點是改變錨桿的形狀，增加了與土體的接觸面積，提高了土錨的錨固力。

從理論分析研究得到擴體錨桿的錨固機理，與傳統(tǒng)錨桿相比，擴體錨桿增加了錨固段與錨周土體的接觸面積，使得土體與錨固段相互的側(cè)摩阻力、粘結(jié)力增大，從而提高了擴體錨桿的極限承載力。擴體錨桿的承載力主要由三部分組成，即普通錨固段側(cè)摩阻力、擴體錨固段側(cè)摩阻力、擴體截面的端阻力[7-9]。通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬來研究豎向埋設(shè)擴體錨桿的抗拔承載特性，根據(jù)結(jié)果繪制荷載-位移曲線，得出其極限承載力相較于傳統(tǒng)錨桿的極限承載力提高了50%～100%。并對擴體錨桿承載力影響因素進行對比試驗，主要影響因素包括：擴體段直徑、擴體段長度、埋深、擴體段數(shù)等，其中擴體段直徑對其承載力影響明顯，隨著直徑的增加承載力明顯的增加[10-14]。

近些年許多學(xué)者主要通過模型試驗和數(shù)值模擬研究豎向埋設(shè)的擴體錨桿所能承受的豎向抗拔和抗壓承載力，及其承載特性的影響因素的，而研究水平埋深的擴體錨桿承載特性的較少，本文通過數(shù)值模擬對水平埋設(shè)的多盤土錨在拉拔荷載作用下的極限承載力、軸力沿土錨變化情況、側(cè)摩阻力進行模擬分析并與等截面土錨進行對比，為實際工程應(yīng)用提供參考價值。

1 多盤土錨

土錨在基坑圍護及邊坡治理等工程中有廣泛應(yīng)用，而多盤土錨[15]是一種利用成盤工具在土錨表面形成多個盤體，目的在于利用多盤迎土面受被動土壓力作用這一特點，加之多盤累計迎土面面積更大，從而獲得較高錨固力的土錨。多盤土錨包括：圓柱體，所述圓柱體內(nèi)部設(shè)有鋼絞線或螺紋鋼，圓柱體由水泥漿或水泥砂漿固化得到，其長度不大于鉆孔的深度盤體，且直徑等于鉆孔的直徑。所述盤體與所述圓柱體由所述水泥漿或水泥砂漿固化一體成型。多盤土錨不僅增大了土體與錨固體之間的摩阻力，而且增加了錨盤與土體擠壓產(chǎn)生的端承力，所以在不增加錨固長度的情況下，可大幅度提高抗拔力。

本文中的多盤土錨施工工藝采用了一種新的成盤工具來制備多盤土錨。成盤工具的主要構(gòu)造包括：內(nèi)襯管；氣囊；壓板；限位環(huán)。成盤工具采用氣囊充氣推動壓 板徑向膨脹，將壓板表面的凸塊壓入鉆孔的土中，并通過多次充放氣、旋轉(zhuǎn)和拉伸等操作形 成多個盤腔，再向擴充好的鉆孔內(nèi)灌注水泥漿或水泥砂漿，待水泥漿或水泥砂漿固化成盤體。

2 多盤土錨FLAC3D模擬

2.1 計算模型

該多盤土錨采用新的成盤工藝，因為有錨盤的存在，在該模型中錨土作用范圍取10m，模型取10m×7.00m，土錨埋深H為5m，土錨長度L取為5.00m，土錨直徑d為150mm，錨盤直徑D為210mm，錨盤厚度h為80mm，盤間距s為425mm，在多盤土錨上共設(shè)置了9個錨盤。對于邊界條件設(shè)置如下，除上表面土體外(也就是地面)，其余的前后左右下表面土體均固定，另外，多盤土錨上第一個盤前的范圍不設(shè)置土體。

2.2 多盤土錨受拉過程中的假設(shè)及模型參數(shù)

1)多盤土錨采用的是均勻，連續(xù)，各向同性的彈性體。

2)土體采用的是均勻連續(xù)各向同性的理想彈塑性材料，采用Mohr-coulomb本構(gòu)關(guān)系。

3)多盤土錨的承載特性基于錨土系統(tǒng)的共同作用原理。

4)由于多盤土錨與土體有接觸，在建模時需要建立接觸面，接觸面的參數(shù)c，φ值的選取為了計算方便選取與土體的c，φ一致，粘聚力為8kPa，內(nèi)摩擦角為24°。模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。

5)為了便于計算和建模，把多盤土錨水平放置，由于右邊界固定，在土錨的水平方向0～-0.15m的部分沿孔徑方向挖去土體厚30mm。

表1 土層與錨固體參數(shù)表

3 水平方向承載力特性

3.1 Q～s曲線

對該多盤土錨端部施加水平方向的拉力，對該模型進行分級加載，從70.7kN開始加載，每級加載17.6kN。由模擬結(jié)果可得到Q～s曲線(如圖1)，根據(jù)文獻[16]知錨桿破壞標準為：

1)后一級荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產(chǎn)生的位移增量的2倍。

2)錨頭位移不收斂。

3)錨頭總位移超過設(shè)計允許值。

故可根據(jù)錨桿破壞準則(1)判斷該多盤土錨的極限抗拔承載力為300kN。在荷載為300kN時，多盤土錨發(fā)生的最大位移3.159 9mm。

本模擬用到的等截面土錨是直徑為150mm，長度為5.00m的圓柱體由水泥砂漿澆筑而成，提供一定的承載力，是一種比較常見的基坑支護工具，從等截面土錨Q～s曲線(如圖2)可以知，當(dāng)荷載為159kN時，等截面錨的位移為2.555 7mm。從多盤土錨與等截面錨的Q～s曲線相比較可知，在等截面錨達到極限荷載時，多盤土錨在同樣荷載159kN時，它的位移為0.939 5mm，多盤土錨可以明顯的提高水平方向的極限抗拔承載力，可見，有錨盤的多盤土錨能大幅降低其水平位移，錨盤的作用就很明顯，能極大地增加多盤土錨的極限承載力。

圖1 多盤土錨Q～s曲線

圖2 等截面土錨Q～s曲線

3.2 多盤土錨的軸力

多盤土錨端部在各級荷載作用下，其對應(yīng)的軸力可根據(jù)相應(yīng)的公式計算其對應(yīng)的軸力，可以在FLAC3D中通過輸入命令流來得到其相對應(yīng)單元的平均應(yīng)力值σ，再利用相應(yīng)的公式便可以計算出所要求的截面的應(yīng)力值Ni

Ni=∑σiAi

(1)

式中：Ai為多盤土錨單元截面面積；σi與Ai對應(yīng)的多盤土錨單元的應(yīng)力。

圖3 各錨盤分擔(dān)的荷載

圖3所示為多盤土錨上的9個錨盤各自在不同荷載作用下所分擔(dān)荷載的情況，前一個錨盤總比后一個擴體盤所承擔(dān)的荷載大，且第一個錨盤承擔(dān)的荷載要遠高于第二個。在荷載小于300kN時，各錨盤所承擔(dān)的荷載與施加荷載成正比關(guān)系，且每個錨盤承擔(dān)荷載增加的幅度又不盡相同。

圖4 多盤土錨軸力分布圖

圖4和圖5表示在不同荷載作用下，多盤土錨和等截面土錨截面軸力分布圖。圖4為多盤土錨軸力圖，可以很明顯的觀察到在錨盤處軸力會出現(xiàn)陡降的現(xiàn)象，而圖5等截面土錨軸力呈直線下降，軸力下降的幅度相較于多盤土錨大。這說明了在受到外荷載作用時錨盤可以分擔(dān)外荷載，卻效果顯著。錨盤增加了與周圍土體的接觸面積，這樣可以把荷載很好的傳遞到周圍土體，增強了錨土系統(tǒng)的共同作用效果，使得端部的水平方向位移有明顯的減小，所以，多盤土錨錨的水平位移比等截面土錨的位移小的多，也就突出了錨盤的作用。

圖5 等截面土錨軸力分布圖

3.3 多盤土錨側(cè)摩阻力

多盤土錨上的一段側(cè)摩阻力就是兩截面上的軸力差，可按照以下公式計算

Fi，j=Ni，j-Ni，j-1

(2)

式中：Ni，j、Ni，j-1分別為在荷載i作用下高度為J、J+1處的軸力值。

根據(jù)以上公式可以得到土錨的側(cè)摩阻力。圖6為等截面土錨側(cè)摩阻力分布圖，隨著荷載的增大土錨的側(cè)摩阻力也隨之增加。圖7為多盤土錨側(cè)摩阻力分布圖，當(dāng)施加的拉拔荷載小于300kN時，其側(cè)摩阻力隨著荷載的增加也在逐漸地增大，但每一段所增加的幅度都不一樣，可能是還沒到極限承載力，大部分的荷載被錨盤所承擔(dān)。

圖6 等截面土錨側(cè)摩阻力分布圖

圖7 多盤土錨側(cè)摩阻力分布圖

4 結(jié)論

(1)與等截面土錨相比較，多盤土錨能大幅增加極限承載力，而多盤土錨在相同荷載作用下的位移為0.939 5mm，兩者相差了1.616 2mm，降低了錨頭的位移。當(dāng)兩者發(fā)生破壞時，多盤土錨的承載力相比等截面土錨提高了85%，極大地提高了土錨的承載力。

(2)在受到外荷載作用時，多盤土錨的錨盤和盤下土體承擔(dān)了大部分荷載，這是因為錨盤的存在使得土錨與周圍土體的接觸面積變大，使得更多的荷載可以傳遞到周圍的土體，從而大幅增加了多盤土錨的極限承載力，錨盤的作用就表現(xiàn)的很明顯。