多凸塊土錨抗拔特性數(shù)值模擬分析

張 博，夏紅兵，蔡海兵

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

錨桿在基坑工程、邊坡工程中起著重要的作用[1-4]。為提高土錨的支護(hù)性能，近年來許多專家提出改變錨桿的形狀及施工技術(shù)來提高錨桿的承載力[5-7]。如多段擴(kuò)大頭錨桿[8]，囊式擴(kuò)體錨桿[9-10]等。與普通錨桿相比，擴(kuò)大頭錨桿變截面處迎土面的土體，受到被動(dòng)土壓力的作用，從而使擴(kuò)大頭錨桿的錨固力得到提升[11-12]。在相同條件下，擴(kuò)大頭錨桿的拉拔力比普通錨桿提高了30%～70%[13]。研究發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大頭錨桿的承載力與擴(kuò)體段的直徑及掩埋深度具有一定的關(guān)系，隨擴(kuò)體段直徑尺寸及掩埋深度的增大，其極限承載力得到較高幅度的提升[14-16]。相較于普通等徑錨桿，在相同荷載作用下，擴(kuò)大頭錨桿及邊坡的位移量更小，經(jīng)濟(jì)效益及支護(hù)效果更好，獲得業(yè)界廣泛認(rèn)可與應(yīng)用。

本文提出一種多凸塊土錨，為研究該土錨的承載力，運(yùn)用FLAC3D軟件從極限抗拔力、沿桿身軸力、側(cè)摩阻力、位移等方面進(jìn)行研究，并與等徑土錨做對比分析，以期取得較好的錨固性能。

1 多凸塊土錨

多凸塊土錨是用專業(yè)工具在土內(nèi)成腔而成。成腔工具主要包括：內(nèi)撐管、氣囊、壓板、回縮膠圈。氣囊充氣膨脹推動(dòng)壓板向外擴(kuò)張，使得固定在壓板上的凸塊壓進(jìn)鉆孔側(cè)壁，氣囊放氣時(shí)套裝在壓板外側(cè)的膠圈回縮，壓板復(fù)位，于是在鉆孔壁上形成空腔，灌注砂漿或水泥漿，固化后得到多凸塊土錨。相較于等徑土錨，該土錨沿桿身有規(guī)律的分布著凸塊，凸塊沿土錨側(cè)壁嵌入土體。

2 計(jì)算模型

2.1 模型介紹

鉆孔直徑150mm，即該多凸塊錨桿直徑150mm，錨桿長6.8m，沿錨桿長度方向共設(shè)32個(gè)截面，每個(gè)截面上等間距分布8個(gè)凸塊，凸塊高度為30mm，軸向厚度35mm，環(huán)向長度35mm，如圖1、圖2所示，圖1為多凸塊土錨主視圖的部分段，圖2為多凸塊土錨的截面圖(a=35mm，b=30mm，c=35mm，d=150mm)，沿著土錨軸向,相鄰?fù)箟K截面間凈間距s取1倍錨桿直徑。模型大小取10m×10m×9m進(jìn)行數(shù)值模擬，模型如圖3所示，為方便模型建立，將土錨水平掩埋至土體中。錨頭位于模型的右側(cè)邊界，即ZOY面，距離土體上表面-5m的位置。模型四周及底部進(jìn)行約束，模型上表面土體不做約束，多凸塊土錨第一個(gè)凸塊前的范圍不設(shè)置土體。

圖1 多凸塊土錨主視圖

圖2 多凸塊土錨截面圖

圖3 模型圖

2.2 基本假設(shè)

(1)土體符合Mohr-coulomb彈塑性計(jì)算準(zhǔn)則。

(2)錨桿為均質(zhì)、連續(xù)的彈性體材料。

(3)忽略施工過程中的誤差及土錨自身產(chǎn)生的影響。

(4)考慮實(shí)際工程中土錨與土層之間需要設(shè)置接觸面連接，c,φ取土體摩擦參數(shù)0.6倍折減[17]。

(5)由于模型右側(cè)邊界已被約束，把距離錨頭-0.15～0m范圍內(nèi)沿孔徑方向半徑0.12m周圍的土體挖除[18]。根據(jù)上述假設(shè)，部分參數(shù)見表1。

表1 土層及錨桿參數(shù)

3 水平方向抗拔特性分析

3.1 Q-S曲線

為研究多凸塊土錨與等徑土錨受力后的承載特性與位移情況，在各自錨頭位置處施加水平向的面荷載，采取階梯式加載。從50KN開始，每次分段增加20KN的拉力，從而得到多凸塊土錨與等徑土錨在各級荷載下的位移分布規(guī)律曲線圖，如圖4所示。根據(jù)巖土錨固技術(shù)規(guī)程[19]知，當(dāng)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。從圖4中可以看出，當(dāng)荷載增加至250KN等級時(shí)，多凸塊土錨的位移增量符合上述結(jié)論，得知土錨破壞即達(dá)到極限承載力。在等徑土錨上施加同樣等級的拉力，當(dāng)面荷載達(dá)到150KN時(shí)錨桿破壞。多凸塊土錨相較于等徑土錨的極限承載力提高了66.7%。圖5、圖6分別為多凸塊土錨與等徑土錨達(dá)到極限承載力時(shí)的水平位移云圖，從云圖中可以得出，沿錨桿軸向越靠近錨頭的位置，位移均呈現(xiàn)出增大的趨勢；沿錨桿徑向，位移均呈現(xiàn)出減小的趨勢。從圖4荷載-位移曲線圖中的規(guī)律可以大致看出，在相同荷載作用下等徑土錨的位移要大于多凸塊土錨。在168KN的相同荷載作用下，等徑土錨的位移達(dá)到了3.101mm，而多凸塊土錨的位移為1.0528mm，兩者之間的位移差還會(huì)繼續(xù)隨著施加荷載等級的遞增而越來越大，由此可以看出凸塊的存在可減少錨桿的位移量。凸塊嵌入在鉆孔側(cè)壁，能更好的與土體進(jìn)行整體結(jié)合，有效的利用了土體的端承力及迎土面被動(dòng)土壓力，使土錨極限承載力提升的同時(shí)位移量更小。

圖4 荷載—位移曲線圖

圖5 多凸塊土錨在250KN作用下水平向位移云圖

圖6 等徑土錨在150KN作用下水平向位移云圖

3.2 多凸塊土錨的軸力

通過FLAC3D軟件輸出相應(yīng)單元體應(yīng)力的平均值，運(yùn)用相關(guān)公式(1)，即可得到所求軸力值Ni。

Ni=∑σiAi

(1)

式(1)中：Ai為所求相應(yīng)單元的截面面積；σi為與Ai對應(yīng)的應(yīng)力。

由于多凸塊土錨的凸塊截面較多，為了繪圖方便，將4個(gè)連續(xù)的凸塊截面分為1組，共分8個(gè)組，組序號從錨頭處開始計(jì)數(shù)。由此可以得到8個(gè)凸塊組在不同等級荷載施加作用下，各自承擔(dān)荷載情況的規(guī)律分布圖，如圖7所示。從圖中大致可以看出，在不同荷載作用下，同一個(gè)凸塊組承擔(dān)的荷載與施加荷載呈正相關(guān)。隨著施加荷載的不斷增大，越靠前的凸塊組承擔(dān)荷載的增幅越大；在相同荷載作用下，凸塊組承擔(dān)的荷載隨著水平掩埋深度的增大而減小，即前一個(gè)凸塊組承擔(dān)的荷載要大于后一個(gè)凸塊組承擔(dān)的荷載。其中第8個(gè)凸塊組承擔(dān)的荷載要大于其前幾個(gè)組承擔(dān)的荷載，造成這一現(xiàn)象的原因，可能是隨著錨桿水平掩埋深度的加深，底部錨桿受力小，在有凸塊與無凸塊交界處軸力驟減，軸力差變大，使得凸塊承擔(dān)的荷載變大。

圖7 凸塊組承擔(dān)的荷載

荷載作用下，土錨的軸力分布如圖8、圖9所示。圖8為等徑土錨軸力，圖9為多凸塊土錨軸力。在水平埋深相同位置的情況下，等徑土錨與多凸塊土錨的軸力都隨著施加荷載的增大而增大。在同一荷載作用下，等徑土錨的軸力與水平埋深大致成負(fù)相關(guān)；多凸塊土錨的軸力隨水平埋深的增加而減小，在凸塊處軸力發(fā)生陡降，這說明凸塊承擔(dān)了較多的荷載。凸塊的存在增加了錨桿與土體的接觸面，有利于荷載更好的傳遞到錨桿周圍的土體，加強(qiáng)了錨桿與土體的相互作用，使得多凸塊錨桿的極限承載力得到提升。

圖8 等徑土錨軸力

圖9 多凸塊土錨軸力

3.3 多凸塊土錨側(cè)摩阻力

已知土錨上的軸力值求某一段的側(cè)摩阻力，可依據(jù)式(2)計(jì)算。

Fi,j=Ni,j-Ni,j-1

(2)

式(2)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。

多凸塊土錨側(cè)摩阻力如圖10所示。在荷載施加的一定范圍內(nèi)，多凸塊土錨的側(cè)摩阻力與荷載存在一定量的線性關(guān)系，各段側(cè)摩阻力隨施加荷載的增大而增大。各段側(cè)摩阻力由于埋入土體中位置的不同，其增幅有所差別，其中第一段側(cè)摩阻力增幅最小。同一荷載作用下，越靠近錨桿底部段的側(cè)摩阻力越小。

圖10 多凸塊土錨側(cè)摩阻力

等徑土錨側(cè)摩阻力如圖11所示。同一荷載作用下，等徑土錨的側(cè)摩阻力隨土錨水平埋深的增加而減小。同一水平埋深下，等徑土錨的側(cè)摩阻力隨施加荷載的減小而減小。對比觀察圖10、圖11發(fā)現(xiàn)，在相同荷載作用下，多凸塊土錨的側(cè)摩阻力要小于等徑土錨。

圖11 等徑土錨側(cè)摩阻力

4 結(jié)論

(1)相較于等徑土錨，多凸塊土錨的極限抗拔承載力提高了66.7%，相同荷載作用下多凸塊土錨的錨頭位移量要小于等徑土錨的錨頭位移量。

(2)多凸塊土錨與等徑土錨位移趨勢相同，沿錨桿軸向越靠近錨頭的位置，位移均呈現(xiàn)出增大的趨勢；沿錨桿徑向，位移均呈現(xiàn)出減小的趨勢。

(3)凸塊的存在減緩了側(cè)摩阻力的增速，多凸塊土錨達(dá)到極限承載力時(shí)，凸塊部分分擔(dān)的荷載最高可達(dá)到總荷載的76%。