一種新型大直徑多盤(pán)土錨承載力數(shù)值模擬分析

夏紅兵,王佳威

(安徽理工大學(xué) 1.土木建筑學(xué)院;2.礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

土錨在深基坑支護(hù)、邊坡加固等工程中發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出通過(guò)改變錨桿形狀和施工技術(shù)來(lái)提高錨固力,從而獲得更好的支護(hù)性能。如陳凡凡[4]研究發(fā)現(xiàn)傘式土錨與傳統(tǒng)土錨相比,傘式土錨只需進(jìn)行一次張拉就可獲得錨桿所需承載力,并且可以有效提高土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。呂權(quán)、孟凡元等人[5]研究發(fā)現(xiàn)在高水位地區(qū)施工時(shí),抗浮錨桿施工技術(shù)可以有效避免地下水浮力的影響,保證施工安全與工程質(zhì)量。Hamed Niroumand,Khairul Anuar Kassim[6]等人研究發(fā)現(xiàn)使用GFR加固可以顯著提高圓形錨板的抗拔能力。文鵬宇[7]研究發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大頭錨桿的承載力是普通錨桿的兩倍多,擴(kuò)大頭直徑宜為普通錨固段直徑的2～3倍,擴(kuò)大頭長(zhǎng)度宜為錨桿總長(zhǎng)的三分之一。張博、夏紅兵等人[8]通過(guò)專業(yè)的成腔工具在原等直徑錨桿表面形成多個(gè)凸塊,增大土錨與周圍土體的接觸面積,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析發(fā)現(xiàn),多凸塊土錨可以在大幅度提高土錨極限抗拔承載力的同時(shí)減少土錨錨頭位移。黃曉剛[9]通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬并結(jié)合相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,證明囊式擴(kuò)體錨桿可以達(dá)到預(yù)設(shè)極限承載力,并且在工程應(yīng)用中,囊式擴(kuò)體錨桿相對(duì)于灌注樁和普通錨桿更加具有優(yōu)勢(shì)。

在目前工程施工中,往往通過(guò)增加錨桿的長(zhǎng)度[10-12]或增大擴(kuò)大頭直徑[13-14]來(lái)提高錨桿的抗拔承載力[15],但這兩種方法會(huì)降低施工效率、增加施工成本。為提高錨固力的同時(shí)降低工程造價(jià),本文提出一種新型大直徑多盤(pán)土錨,通過(guò)FLAC3D軟件建立模型從極限承載力、側(cè)摩阻力、軸力等方面進(jìn)行研究,以獲得更好的錨固性能,為日后的研究提供理論分析。

1 新型大直徑多盤(pán)土錨介紹

新型大直徑多盤(pán)土錨[16]是一種采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的成盤(pán)工具在原等直徑土錨表面形成多個(gè)較大盤(pán)徑的盤(pán)體,其目的是利用被動(dòng)土壓力-Mazindrani(Rankine)理論[17],并且新型大直徑多盤(pán)土錨的累積迎土面面積更大,可以顯著提高土錨的錨固力。

本文中的成盤(pán)工具包括:1花管筒;2風(fēng)動(dòng)馬達(dá);3鋼管;4進(jìn)氣管;5排土管;6推拉桿;7推拉桿等,如圖1所示。

圖1 成盤(pán)工具

具體成盤(pán)施工工藝:首先使用推拉桿將該擴(kuò)孔裝置送至已經(jīng)形成的鉆孔底部,然后回拉推拉桿,向進(jìn)氣管輸送壓縮空氣,風(fēng)動(dòng)馬達(dá)開(kāi)始工作并帶動(dòng)花管筒旋轉(zhuǎn),花管筒表面的帶齒鏈條在離心力作用下切削土體并逐漸向外擴(kuò)展,切削出的土體在出土孔以及花管筒與風(fēng)動(dòng)馬達(dá)間的間隙間從抽排土管排出,當(dāng)擴(kuò)孔作業(yè)完成時(shí),關(guān)閉壓縮空氣,風(fēng)動(dòng)馬達(dá)停止工作,花管筒表面的帶齒鏈條逐漸停止旋轉(zhuǎn),并在磁吸力作用下,吸附在花管筒表面,向外回拉推拉桿,使該裝置到達(dá)第二個(gè)擴(kuò)孔位置,重復(fù)以上操作,同樣方式完成擴(kuò)孔;共擴(kuò)孔多次,形成多個(gè)空腔。然后,在鉆孔中放入帶有對(duì)中支架的鋼絞線,灌注水泥漿或水泥砂漿,待水泥漿或水泥砂漿固化后,得到新型大直徑多盤(pán)土錨。

2 FLAC3D模型建立

2.1 計(jì)算模型

在建立FLAC3D模型計(jì)算模型時(shí),模型取10m×10m×10m,土錨埋深H為10m,錨桿長(zhǎng)6m,錨桿直徑d為150mm,錨盤(pán)盤(pán)徑D為350mm,錨盤(pán)間距S為1500mm,新型大直徑多盤(pán)土錨共設(shè)置3個(gè)錨盤(pán)。土錨計(jì)算模型如圖2所示,整體計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 新型大直徑多盤(pán)土錨計(jì)算模型

圖3 整體計(jì)算模型

2.2 邊界條件

模型頂部(土體表面)為自由邊界,前后兩側(cè)面約束其沿y軸的方向位移,左右兩側(cè)面約束其沿x軸的方向位移,下表面約束其沿z軸的方向位移,另外,不在新型大直徑多盤(pán)土錨第一個(gè)盤(pán)前的范圍設(shè)置土體。

2.3 基本假設(shè)

為了解決對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)所存在的問(wèn)題[18],如收斂性問(wèn)題、誤差等,提出適合模擬分析新型大直徑多盤(pán)土錨承載力特性的假設(shè),如下所示。

(1)新型大直徑多盤(pán)土錨采用的彈性體符合均勻性假設(shè)、連續(xù)性假設(shè)和各向同性假設(shè)。

(2)土體為均勻連續(xù)各向同性的彈性體,符合Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則。

(3)忽略實(shí)際施工中產(chǎn)生的誤差和時(shí)間等因素的影響。

(4)新型大直徑多盤(pán)土錨的承載特性基于錨土系統(tǒng)的共同作用原理。

(5)由于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖支護(hù)時(shí)需要設(shè)置接觸面連接新型大直徑多盤(pán)土錨與土體,為方便模擬計(jì)算,假設(shè)迎土面內(nèi)摩擦角φ為24°、粘聚力с為8kPa,背土面內(nèi)摩擦角φ為24°、粘聚力с為0。

按照上述假設(shè),如表1所示為模型相關(guān)參數(shù)。

表1 土體和土錨參數(shù)

3 新型大直徑多盤(pán)土錨豎直方向承載力分析

3.1 新型大直徑多盤(pán)土錨荷載-位移曲線分析

為了研究新型大直徑多盤(pán)土錨與等直徑土錨受力后承載力特性與位移之間的關(guān)系,分別對(duì)新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨模型端部錨頭施加豎直方向的面荷載,采用分級(jí)加載。初始加載為15KN,每級(jí)增加15KN的拉力,從而得到新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨在各級(jí)荷載作用下的荷載-位移曲線,如圖4、圖5所示。

圖4 新型大直徑多盤(pán)土錨荷載-位移曲線

圖5 新等直徑土錨荷載-位移曲線

根據(jù)巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[19]中有關(guān)土錨破壞的規(guī)定可知,當(dāng)后一級(jí)施加荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過(guò)前一級(jí)施加荷載產(chǎn)生位移增量的2倍時(shí)土錨發(fā)生破壞。根據(jù)圖4可以看出,新型大直徑多盤(pán)土錨極限抗拔承載力為135KN,此時(shí)錨頭位移為1.2597mm;根據(jù)圖5可以看出,等直徑土錨極限抗拔承載力為90KN,此時(shí)錨頭位移為0.8634mm。在90KN荷載作用下,新型大直徑多盤(pán)土錨錨頭位移為0.658mm。新型大直徑多盤(pán)土錨相較于等直徑土錨極限抗拔承載力提高了50%、土錨錨頭位移量減少了24.22%。

對(duì)比新型大直徑多盤(pán)土錨荷載-位移曲線和等直徑土錨荷載-位移曲線可以看出,隨著施加荷載的不斷增大,兩個(gè)土錨錨頭位移也不斷增加,當(dāng)施加荷載達(dá)到90KN時(shí),此時(shí)等直徑土錨已經(jīng)達(dá)到極限抗拔承載力,但新型大直徑多盤(pán)土錨還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到。此外,相同荷載下,新型大直徑多盤(pán)土錨錨頭位移遠(yuǎn)小于等直徑土錨。

由此可以得出,新型大直徑多盤(pán)土錨不僅能夠顯著提高土錨的極限抗拔承載力,還可以有效降低土錨錨頭位移量,具有很好的支護(hù)效果。

3.2 新型大直徑多盤(pán)土錨豎向位移云圖分析

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨模型中間豎向平面切片,取一半對(duì)稱平面部分進(jìn)行研究分析土錨模型在荷載作用下的豎向位移,新型大直徑多盤(pán)土錨在135KN荷載作用下的豎向位移云圖如圖6所示,等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向位移云圖如圖7所示。

圖6 新型大直徑多盤(pán)土錨在135KN荷載作用下的豎向位移云圖

圖7 等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向位移云圖

對(duì)比圖6新型大直徑多盤(pán)土錨在135KN荷載作用下的豎向位移云圖和圖7等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向位移云圖可以看出新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下的豎向位移變化規(guī)律有異同點(diǎn),相同點(diǎn):土錨豎向位移均呈現(xiàn)從上向下逐漸遞減,左右對(duì)稱,錨頭位置處豎向位移最大,豎向位移由中間向左右兩側(cè)發(fā)散。不同點(diǎn):由于新型大直徑多盤(pán)土錨的錨盤(pán)分擔(dān)施加的荷載,施加相同的荷載時(shí),新型大直徑多盤(pán)土錨產(chǎn)生的的豎向位移小于等直徑土錨,并且豎向位移在錨盤(pán)處發(fā)生變化,錨盤(pán)處的位移由第一個(gè)錨盤(pán)至第三個(gè)錨盤(pán)逐漸遞減。故根據(jù)分析可知,新型大直徑多盤(pán)土錨能夠有效提高土錨受到荷載作用時(shí)的穩(wěn)定性、減少土錨豎向變形位移量,具有很好的支護(hù)效果。

3.3 新型大直徑多盤(pán)土錨豎向位移云圖分析

首先在FLAC3D數(shù)值模擬軟件操作界面分別對(duì)新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨模型模型特定位置進(jìn)行橫向切面,從而各自得到6個(gè)截面,獲取截面各單元的ID號(hào),然后在命令窗口輸入對(duì)應(yīng)的命令流得到各單元的應(yīng)力值,再根據(jù)公式(1)計(jì)算得到第i個(gè)截面軸力值Fi。

Fi=σisi

(1)

公式(1)中:σi為截面的平均應(yīng)力;si為截面的面積。

新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨模型在不同荷載作用下的土錨軸力變化規(guī)律如圖8、圖9所示。

圖8 新型大直徑多盤(pán)土錨軸力

圖9 等直徑土錨土錨軸力

對(duì)比圖8新型大直徑多盤(pán)土錨軸力圖和圖9等直徑土錨土錨軸力圖可以明顯看出新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨在不同荷載作用下的軸力變化規(guī)律有異同點(diǎn),相同點(diǎn):在相同的荷載作用下,隨著土錨埋深的增加,新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨的軸力逐漸降低;在土錨同一埋深位置處,隨著施加荷載的增加,新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨的軸力逐漸增大。不同點(diǎn):通過(guò)觀察兩個(gè)土錨模型的軸力變化圖,等直徑土錨在同一荷載作用下,軸力隨著土錨埋深的增加呈現(xiàn)直線下降,而新型大直徑多盤(pán)土錨在同一荷載作用下,軸力隨著土錨埋深的增加呈現(xiàn)階梯式下降,并且軸力在錨盤(pán)位置出現(xiàn)陡降,這是因?yàn)殄^盤(pán)的存在分擔(dān)了施加的部分荷載,并使土錨與周圍土體的接觸面積變大,施加的荷載可以更好的傳遞到土錨的周圍土體上,加強(qiáng)了土錨與周圍土體的聯(lián)合作用,提高土錨的極限抗拔承載力、減少了土錨的豎向位移。

對(duì)新型大直徑多盤(pán)土錨模型的錨盤(pán)從錨頭向下依次記為錨盤(pán)1、錨盤(pán)2和錨盤(pán)3,根據(jù)計(jì)算得到的截面軸力值,再按照公式(2)便可以計(jì)算出新型大直徑多盤(pán)土錨第j個(gè)錨盤(pán)承擔(dān)荷載δj。

δj=Fj-Fj-1

(2)

公式(2)中:Fj為第j個(gè)錨盤(pán)頂部截面的軸力;Fj-1為第j-1個(gè)錨盤(pán)底部截面的軸力。

新型大直徑多盤(pán)土錨模型在不同荷載作用下各個(gè)錨盤(pán)承擔(dān)的荷載如圖10所示。

圖10 錨盤(pán)承擔(dān)荷載

從圖10中不難看出,新型大直徑多盤(pán)土錨模型3個(gè)錨盤(pán)承擔(dān)的荷載均隨著施加荷載的增加而增大,在施加荷載小于112.5KN時(shí),錨盤(pán)1承擔(dān)荷載>錨盤(pán)2承擔(dān)荷載>錨盤(pán)3承擔(dān)荷載,3個(gè)錨盤(pán)承擔(dān)的荷載與施加荷載幾乎成正比;在施加荷載大于127.5KN時(shí),錨盤(pán)1承擔(dān)荷載<錨盤(pán)2承擔(dān)荷載<錨盤(pán)3承擔(dān)荷載,錨盤(pán)1承載荷載增長(zhǎng)率逐漸增大、錨盤(pán)2和錨盤(pán)3承擔(dān)荷載增長(zhǎng)率逐漸減小。當(dāng)施加的荷載為新型大直徑多盤(pán)土錨極限抗拔承載力135KN時(shí),錨盤(pán)1承擔(dān)荷載為13KN,錨盤(pán)2承擔(dān)荷載為14.59KN,錨盤(pán)3承擔(dān)荷載為15.737KN,錨盤(pán)承擔(dān)總荷載為43.327KN,占比施加總荷載的32.094%。

3.4 新型大直徑多盤(pán)土錨豎向應(yīng)力云圖分析

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨模型中間豎向平面切片,取一半對(duì)稱平面部分進(jìn)行研究分析土錨模型在荷載作用下的豎向應(yīng)力,新型大直徑多盤(pán)土錨在135KN荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖如圖11所示,等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖11 新型大直徑多盤(pán)土錨在135KN荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖

圖12 等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖

對(duì)比圖11新型大直徑多盤(pán)土錨在135KN荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖和圖12等直徑土錨在90KN荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖可以明顯看出新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下的豎向應(yīng)力變化規(guī)律有異同點(diǎn),相同點(diǎn):由于土錨受到側(cè)摩阻力作用將部分豎向應(yīng)力傳遞到周圍的土體上,新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下的豎向應(yīng)力沿著土錨頂端向下逐漸遞減。不同點(diǎn):由于新型大直徑多盤(pán)土錨的三個(gè)錨盤(pán)可以分擔(dān)施加的部分荷載,所以新型大直徑多盤(pán)土錨與等直徑土錨相比可以承擔(dān)更大的荷載,具有更好的承載性能,其在135KN荷載作用下的豎向應(yīng)力在錨盤(pán)位置處發(fā)生突變,豎向應(yīng)力云圖呈現(xiàn)“豐”字型分布。

3.5 新型大直徑多盤(pán)土錨側(cè)摩阻力分析

新型大直徑多盤(pán)土錨各段的側(cè)摩阻力fm,n可以根據(jù)已計(jì)算得出的軸力值,再依據(jù)公式(3)得出。

fm,n=Fm,n-Fm,n-1

(3)

公式(3)中:Fm,n為在荷載m作用下高度為n處的軸力值;Fm,n-1第為在荷載m作用下高度為n-1處的軸力值。

新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨模型在不同荷載作用下各段的側(cè)摩阻變化規(guī)律如圖13、圖14所示。

圖13 新型大直徑多盤(pán)土錨側(cè)摩阻力

圖14 等直徑土錨側(cè)摩阻力

從圖13中我們可以看出,新型大直徑多盤(pán)土錨側(cè)摩阻力整體上隨著施加荷載的增大而增加,當(dāng)施加荷載小于75KN時(shí),四段側(cè)摩阻力與施加荷載幾乎成正比關(guān)系;當(dāng)施加荷載位于75～150KN區(qū)間時(shí),-3.05～-4.50m和-4.65～-6.00m兩段的側(cè)摩阻力增長(zhǎng)率基本保持穩(wěn)定,仍與施加荷載成正比,0.00～-1.50m和-1.45～-2.90m兩段的側(cè)摩阻力增長(zhǎng)率降低,圖像呈現(xiàn)“凸”字形;當(dāng)施加荷載大于150KN時(shí),0.00～-1.50m、-1.45～-2.90m和-3.05～-4.50m三段的側(cè)摩阻力增長(zhǎng)率與施加荷載成正比,側(cè)摩阻力穩(wěn)定增大,-4.65～-6.00m段的側(cè)摩阻力圖像呈現(xiàn)“凹”字形。觀察圖14可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)施加荷載小于60KN時(shí),四段側(cè)摩阻力穩(wěn)定增大且與施加荷載成正比;當(dāng)施加荷載大于60KN時(shí),0.00～-1.50m段的側(cè)摩阻力先增大后減小,-1.50～-3.00m段的側(cè)摩阻力增長(zhǎng)率逐漸減小,-3.00～-4.50m段的側(cè)摩阻力增長(zhǎng)率基本不變,仍與施加荷載成正比,-4.50～-6.00m短的側(cè)摩阻力增長(zhǎng)率逐漸增大。對(duì)比兩圖,可以看出在相同荷載作用下,新型大直徑多盤(pán)土錨的側(cè)摩阻力要小于等直徑土錨,由于錨盤(pán)分擔(dān)了施加的部分荷載,故新型大直徑多盤(pán)土錨可以承擔(dān)更大的荷載,具有更好的支護(hù)效果。

4 結(jié)論

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析得出,在相同條件下,新型大直徑多盤(pán)土錨可以有效提高等直徑土錨的極限抗拔承載力,當(dāng)施加相同的荷載時(shí),由于新型大直徑多盤(pán)土錨錨盤(pán)分擔(dān)了施加的部分荷載,從而減少新型大直徑多盤(pán)土錨受力產(chǎn)生的位移。在工程施工中,只需使用擴(kuò)孔成盤(pán)裝置就可以制造出預(yù)設(shè)錨盤(pán)厚度的新型大直徑多盤(pán)土錨,大幅度提高了土錨的錨固效果,節(jié)約成本,經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)。

新型大直徑多盤(pán)土錨的極限抗拔承載力相較于等直徑土錨提高了50%,新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨在各自極限抗拔承載力作用下,新型大直徑多盤(pán)土錨的豎向位移相較于等直徑土錨減少了24.22%,故新型大直徑多盤(pán)土錨有更好的支護(hù)效果。

新型大直徑多盤(pán)土錨和等直徑土錨豎向位移均呈現(xiàn)從上向下逐漸遞減,左右對(duì)稱,錨頭位置處豎向位移最大,豎向位移由中間向左右兩側(cè)發(fā)散。

新型大直徑多盤(pán)土錨的三個(gè)錨盤(pán)使土錨與周圍土體的接觸面積變大,可以將更多的荷載傳遞到周圍土體上,加強(qiáng)了土錨與周圍土體的聯(lián)合作用,減緩了土錨側(cè)摩阻力的增長(zhǎng)速度,當(dāng)新型大直徑多盤(pán)土錨達(dá)到極限抗拔承載力時(shí),三個(gè)錨盤(pán)分擔(dān)的荷載占施加總荷載的32.094%。