基于拉拔實(shí)驗(yàn)的錨索可靠性分析

摘 "要：預(yù)應(yīng)力錨索普遍應(yīng)用于基坑支護(hù)工程中，而錨索施工質(zhì)量的可靠性對于基坑工程安全有重要意義。因此，該文基于現(xiàn)場錨索拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析與評價(jià)該錨索是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)利用MIDAS有限元軟件建立錨索在基坑開挖結(jié)束錨索軸向應(yīng)力與位移變化特征的數(shù)值模型，綜合評價(jià)該基坑錨索的可靠性。

關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)；錨索；拉拔實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模擬；可靠性

中圖分類號：TU457 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0063-04

Abstract： Prestressed anchor cable is widely used in foundation pit support engineering， and the reliability of anchor cable construction quality is of great significance to the safety of foundation pit engineering. Therefore， based on the experimental results of on-site anchor cable drawing， this paper analyzes and evaluates whether the anchor cable meets the design requirements， and establishes the numerical model of the axial stress and displacement of anchor cable at the end of foundation pit excavation by using MIDAS finite element software to comprehensively evaluate the reliability of the anchor cable in the foundation pit.

Keywords： foundation pit support; anchor cable; pull-out test; numerical simulation; reliability

錨索能夠提供主動(dòng)抗力，利用鋼絞線或鋼筋將載荷傳至深部土層，目前被廣泛運(yùn)用于基坑支護(hù)，邊坡支護(hù)等工程中[1-3]。錨索的可靠性是保證工程安全的重要保障，而對錨索極限承載力的計(jì)算目前國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究與理論計(jì)算[4-6]，在進(jìn)行錨索可靠性檢測時(shí)常采用現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)[7-8]，其原理主要是采用破壞性實(shí)驗(yàn)，繪制錨索在極限拉拔荷載條件下P-S曲線，來確定錨索極限承載力。但大部分拉拔實(shí)驗(yàn)屬非破壞性實(shí)驗(yàn)，拉拔荷載實(shí)際加載到大于設(shè)計(jì)承載力時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，并不能準(zhǔn)確說明錨索的可靠性，忽略了錨索與注漿體的協(xié)同變形。因此，本文建立彈塑性理論數(shù)學(xué)模型，研究錨索在軸向應(yīng)力作用下的位移變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)結(jié)果，通過MIDAS軟件分析基坑開挖結(jié)束后錨索實(shí)際承受荷載，更加科學(xué)地評判錨索的可靠性。

1 "理論研究

1.1 "錨索自由段的彈性變形

錨索在軸向荷載作用下，其變形主要包括自由段的彈性變形u1和錨固體與錨固界面之間的剪切變形u2，因此總位移u為

u=u1+u2 。 （1）

由彈性理論可知，錨索自由段的理論伸長量u1為

u1＝ＰＬa/E1A1 ， " （2）

式中：Ｐ為軸向荷載，Ｌa為錨索自由段長度，E1為錨索鋼絞線的彈性模量，A1為錨索鋼絞線的橫截面積。

1.2 "錨固體與錨固界面的剪切變形

經(jīng)研究錨索錨固體與錨固界面之間的剪應(yīng)力與剪切變形的規(guī)律共分為2個(gè)階段，即錨固界面處在極限抗剪強(qiáng)度前的彈性變形和極限抗剪強(qiáng)度后的塑性變形，具體如圖1所示。

因此，當(dāng)錨固體在軸向應(yīng)力作用下處在彈性階段時(shí)，認(rèn)為錨固體為理想的彈塑性體，直徑為D，彈性模量Er，錨固段長度為Lb，鋼絞線與注漿體協(xié)同變形。因此根據(jù)虎克定律，取錨固段的微單元體dz，建立錨固體微單元靜力平衡方程。

2 "現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)

2.1 "工程概況

本基坑工程安全等級為一級，為研究蘭州某棚戶區(qū)改造基坑支護(hù)項(xiàng)目錨索的錨固性能，檢驗(yàn)錨索的抗拔力及施工質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，隨機(jī)選取錨索MG-1、錨索MG-2、錨索MG-3作為本次實(shí)驗(yàn)對象，錨索參數(shù)見表1。檢測錨桿錨固段均嵌固在卵石地層中，其軸向抗拔應(yīng)力設(shè)計(jì)值NK為180 kN，極限抗拔應(yīng)力設(shè)計(jì)值NKmax為350 kN。

2.2 "試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器主要采用50 t的數(shù)顯式拉拔儀，軸向拉拔荷載采取1.4 NK單循環(huán)方式逐級加載，參照J(rèn)GT 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，作為評判錨索是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的依據(jù)，評判錨索的可靠性。

2.3 "數(shù)據(jù)分析

MG-1的錨索錨頭位移與張拉荷載的關(guān)系曲線如圖3所示。經(jīng)現(xiàn)場檢測，MG-1在峰值荷載252 kN作用下產(chǎn)生20.15 mm的軸向變形。帶入式（2），在峰值荷載作用下MG-1錨頭自由段理論伸長量為21.00 mm，預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行非破壞拉拔實(shí)驗(yàn)時(shí)規(guī)范要求錨鎖最大理論彈性伸長量為29.16 mm。則MG-1錨頭位移現(xiàn)場實(shí)測值符合要求，說明MG-1施工安全可靠。

MG-2的錨索錨頭位移與張拉荷載的關(guān)系曲線如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場檢測，MG-2在峰值荷載252 kN作用下產(chǎn)生20.02 mm的軸向變形。帶入式（2），在峰值荷載作用下MG-2錨頭自由段理論伸長量為21.00 mm，預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行非破壞拉拔實(shí)驗(yàn)時(shí)規(guī)范要求錨鎖最大理論彈性伸長量為29.16 mm。則MG-2錨頭位移現(xiàn)場實(shí)測值符合要求，說明MG-2施工安全可靠。

MG-3的錨索錨頭位移與張拉荷載的關(guān)系曲線如圖5所示。經(jīng)現(xiàn)場檢測，MG-3在峰值荷載252 kN作用下產(chǎn)生14.53 mm的軸向變形。帶入式（2），在峰值荷載作用下MG-3錨頭自由段理論伸長量為17.5 mm，錨索自由段長度與1/2錨固段之和的理論彈性伸長量的25.66 mm。MG-3錨頭位移現(xiàn)場實(shí)測值符合規(guī)范要求，說明MG-3施工安全可靠。

2.4 "有限元分析

本文第二節(jié)論述了錨桿在極限荷載作用下錨索錨頭彈塑性變形特征，其結(jié)果主要基于破壞性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算。但在實(shí)際拉拔實(shí)驗(yàn)中，大部分屬非破壞性實(shí)驗(yàn)，當(dāng)利用上述公式計(jì)算時(shí)并不能準(zhǔn)確的反映錨索的極限剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度，且在計(jì)算錨索錨固段塑性變形區(qū)域長度時(shí)過程過于繁瑣且誤差較大，因此，本文通過MIDAS軟件進(jìn)行模擬，其過程相對簡單，并更加準(zhǔn)確預(yù)測錨索的變形趨勢。自上而下錨索編號依次為MG1、MG2、MG3。各材料參數(shù)見表2，模型建立結(jié)果如圖6所示。

經(jīng)模型分析可知，錨索在正常工作狀態(tài)下MG-1錨頭位置最大將產(chǎn)生206 kN的軸向應(yīng)力，MG-2錨頭位置最大將產(chǎn)生192 kN的軸向應(yīng)力，MG-3錨頭位置最大將產(chǎn)生234 kN的軸向應(yīng)力，具體結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)模型分析可知，錨索在正常工作狀態(tài)MG-1錨索錨頭位置最大將產(chǎn)生19.7 mm的軸向位移，MG-2錨索錨頭位置最大將產(chǎn)生18.5 mm的軸向位移，MG-3錨索錨頭位置最大將產(chǎn)生19.9 mm的軸向位移，具體結(jié)果如圖8所示。

通過上述模擬分析可知，錨索在基坑開挖結(jié)束后，其軸向所承受的最大荷載均滿足設(shè)計(jì)要求，軸向產(chǎn)生的位移與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果相差較小，因此認(rèn)為該基坑錨索能保證工程安全。

3 "結(jié)論

基坑樁錨支護(hù)措施中錨索能夠提供主動(dòng)抗力，利用鋼絞線或鋼筋將載荷傳至深部土層，因此評價(jià)錨索的施工質(zhì)量及可靠性對于基坑安全及穩(wěn)定性具有重要意義。本文通過現(xiàn)場錨索拉拔試驗(yàn)和數(shù)值模型綜合評價(jià)了錨索的可靠性，并得出以下結(jié)論。

現(xiàn)場隨機(jī)抽取3根錨索，在最大荷載作用下，其軸向變形符合相關(guān)規(guī)范要求，該錨索施工符合設(shè)計(jì)要求。

通過數(shù)值模型分析可知，錨索在基坑開挖結(jié)束后，其最大軸向應(yīng)力小于拉拔實(shí)驗(yàn)最大荷載，得出該錨索能夠提供安全的軸向承載力，保證基坑的安全與穩(wěn)定。

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