擴(kuò)大頭錨桿-土體相互作用數(shù)值模擬與分析

李坤 張月明 孫松

摘 ? 要：本文應(yīng)用有限元計算分析軟件ABAQUS對擴(kuò)大頭錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬分析，較好地展示了擴(kuò)大頭錨桿-土體之間的相互作用。錨桿自上而下逐漸發(fā)揮作用，當(dāng)擴(kuò)大頭段產(chǎn)生豎向位移時，錨桿側(cè)壁摩阻力達(dá)到極限值，土體的應(yīng)力狀態(tài)不再發(fā)生較大變化;擴(kuò)大頭錨桿豎向位移越大，擴(kuò)大端頭附近土體的應(yīng)力狀態(tài)變化越大;擴(kuò)大頭直徑越大，承載力越大。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)大頭錨桿 ?數(shù)值模擬 ?端頭效應(yīng)

中圖分類號：TU472.36 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（a）-0053-03

Abstract： In this paper， finite element analysis software ABAQUS is used to simulate three different diameter anchors， and show the reamed end anchor-soil reciprocity better. Reamed end anchor gradually plays a role top-down. When the expansion section have a vertical displacement， the anchor sidewall friction limit reached， the stress state of soil is no longer changed large;The greater the reamed end anchor vertical displacement is， the bigger the soil stress state near the reamed end changes.

Key Words： Reamed end anchor; Numerical simulation; End effect

擴(kuò)大頭錨桿應(yīng)用越來越廣泛。本文對擴(kuò)大頭錨桿采用數(shù)值模擬的方法，獲得擴(kuò)大頭錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場，位移場以及擴(kuò)大頭端頭在提高錨固體錨固力方面的作用。

1 ?有限元模型的建立

錨固體混凝土采用理想線彈性材料模型，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。土體C值為6kPa，值為25°，容重γ為13.92。錨桿擴(kuò)大頭直徑為100mm，長500mm。幾何模型上，接觸面附近的土體采用較密的網(wǎng)格單元，較遠(yuǎn)的土體采用較稀的網(wǎng)格。樁土網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2 ?模擬結(jié)果分析

加載步共118步，典型增量步的Mises應(yīng)力、豎向位移U2與擴(kuò)大端頭附近土體的等效塑性應(yīng)變PEEQ等值線圖如圖2～圖10所示。

2.1 Mises應(yīng)力等值線圖

通過Mises應(yīng)力等值線圖可以較清楚得看到擴(kuò)大頭錨桿桿體應(yīng)力的變化情況。隨著荷載的增加，錨桿自上而下應(yīng)力發(fā)生變化，錨桿側(cè)壁摩阻力逐漸發(fā)揮作用，在此期間，擴(kuò)大頭附近土體Mises應(yīng)力變化不明顯（小于0.001 MPa）。荷載繼續(xù)增加，錨桿的Mises應(yīng)力向下發(fā)展，此時擴(kuò)大頭端頭附近土體的應(yīng)力狀態(tài)開始發(fā)生變化。土體應(yīng)力變化范圍自端頭兩側(cè)開始，逐漸向上部土體擴(kuò)展。錨桿桿體擴(kuò)大頭段應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定（0.001～0.474MPa），應(yīng)力變化范圍主要發(fā)生在端頭附近土體部分（0.001MPa～0.474 MPa），擴(kuò)大頭端頭效應(yīng)明顯。

2.2 豎向位移U2等值線圖

通過數(shù)值模擬的豎向位移云文圖可知，位移自上而下逐漸變大，即錨桿側(cè)摩阻力是自上而下逐漸發(fā)揮作用的。隨著荷載的增加，擴(kuò)大頭段產(chǎn)生豎向位移，擴(kuò)大端頭開始擠壓土體，上部土體產(chǎn)生較大的位移，并且以擴(kuò)大頭為中心，擴(kuò)大端頭對周圍土體的影響范圍不斷擴(kuò)大。在加載的中后期，錨桿擴(kuò)大頭段的位移增量較?。?.81～0.89mm），錨桿的位移變化主要在錨固段（0.89～1.50mm），擴(kuò)大頭效應(yīng)明顯。

2.3 ?等效塑性應(yīng)變PEEQ等值線圖

在擴(kuò)大端頭的作用下，首先出現(xiàn)塑性區(qū)的部位發(fā)生在擴(kuò)大端頭的兩側(cè)，即擴(kuò)大端頭兩側(cè)的土體首先達(dá)到抗剪強(qiáng)度，發(fā)生塑性應(yīng)變（0.001～0.444）。隨后塑性區(qū)與擴(kuò)大端頭成一定角度向上發(fā)展。待塑性區(qū)向上發(fā)展到錨桿錨固段時，開始向兩側(cè)發(fā)展，塑性區(qū)面積不斷增大。塑性區(qū)面積增大的過程，也是錨桿位移不斷增大、端頭附近土體不斷被壓密的過程，這個過程中，塑性區(qū)面積的增長較快。待塑性區(qū)連通后，外圍塑性區(qū)擴(kuò)展開始變慢，更大的塑性應(yīng)變開始在擴(kuò)大端頭的兩側(cè)土體中產(chǎn)生，塑性應(yīng)變值大于1.313。

3 ?結(jié)語

通過分析Mises應(yīng)力、豎向位移U2以及等效塑性應(yīng)變PEEQ等值線圖可知，不同直徑的錨桿與土體之間的相互作用相似：隨著荷載的增加，擴(kuò)大頭錨桿自上而下逐漸發(fā)揮作用，當(dāng)擴(kuò)大頭段產(chǎn)生豎向位移時，擴(kuò)大端頭兩側(cè)土體的應(yīng)力狀態(tài)最先發(fā)生變化，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。加載過程中，擴(kuò)大端頭對附近土體的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致土體應(yīng)力重新分布，直至土體在新的應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生剪切破壞，端頭效應(yīng)顯著。普通錨桿承載力由側(cè)壁-土體之間的相互作用，即側(cè)壁摩阻力控制。

另外，通過模擬不同擴(kuò)大頭直徑可知，在小變形的情況下，直徑越大，錨桿承載力越高，在擴(kuò)大頭錨桿加載后期，錨桿抗拔力提高的潛力越大。對于擴(kuò)大頭錨桿，特別是大直徑擴(kuò)大頭錨桿，在允許錨桿出現(xiàn)一定位移的情況下，錨桿承載力由端頭附近土體的排水抗剪強(qiáng)度以及端頭附近錨固體的強(qiáng)度來控制。

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