魏運均 杜曉克

0 引言

隨著城市地下空間越來越多的開發(fā)，基坑支護(hù)形式得到很大發(fā)展。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)以其經(jīng)濟(jì)、可靠、支護(hù)深度大等顯著優(yōu)點，在基坑工程中已得到廣泛應(yīng)用。

某商用辦公樓地下2層，基坑開挖深度12 m左右，開挖土層分別為素填土層、中砂層、粉砂層、礫砂層、粉質(zhì)粘土層，常年穩(wěn)定水位為2.60 m。針對工程中基坑周邊構(gòu)筑較多，地下水位高，地質(zhì)為砂層，采用樁錨支護(hù)，高壓旋噴樁止水帷幕。施工中砂層不利于錨桿施工成孔，地下水位高，水壓力較大，不利于錨桿施工注漿，因此錨桿施工難度大。采用ANSYS有限元分析錨桿在巖土體中粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律，得出錨桿施工中質(zhì)量控制重點，采取技術(shù)措施，提高了施工質(zhì)量，降低了因施工不當(dāng)所帶來的施工成本增加的可能性。

1 有限元模型的建立

1.1 單元選取

建立模型時，由于錨桿、注漿錨固體與錨下巖土體存在著復(fù)雜的傳力關(guān)系，所以結(jié)合在一起建模。對錨桿和注漿錨固體及巖土體采用三維體單元，其中錨桿選用Link8單元模擬，注漿錨固體選用Solid65單元模擬，巖土體選用Solid45單元模擬。

1.2 模型建立

由于支護(hù)錨桿最長達(dá)25 m，錨固段長度18 m，有限元模擬分析單元數(shù)量較多，不利于提高模擬分析質(zhì)量以及電腦運行速度等條件限制，本文對注漿錨固體有限元模擬采取縮小尺寸。注漿錨固體長度取500 mm建模，直徑150 mm，巖土體直徑450 mm，由于結(jié)構(gòu)對稱，取1/4進(jìn)行計算，模型圖見圖1。

1.3 參數(shù)選取

錨桿彈模取E=200 GPa，泊松比μ=0.3，線膨脹系數(shù)α=2e－5，預(yù)應(yīng)力σp=357 MPa;注漿錨固體按C40取，彈模E=34 GPa，泊松比 μ =0.2;巖土體彈模 E=50 MPa，泊松比 μ =0.4，粘聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角20°。注漿錨固體是線彈性的本構(gòu)模型，巖土體采用Drucker-Prager材料的本構(gòu)模型。

1.4 網(wǎng)格劃分

使用MAPPED劃分出精度較準(zhǔn)確的六面體八節(jié)點單元，如圖2所示。

1.5 邊界條件

在對稱面上加對稱約束，巖土體底面和上端面加支撐約束，注漿錨固體與巖土體之間加摩擦約束，摩擦系數(shù)取0.65。以降溫法模擬預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力對應(yīng)的溫度變化值。

2 有限元計算結(jié)果分析

1)預(yù)應(yīng)力錨桿一根鋼絞線錨固段有限元模型Mises應(yīng)力云圖如圖3，圖4所示。

由圖3可知，預(yù)應(yīng)力錨桿產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力主要集中在錨固段與自由段相連的起始區(qū)域和錨固段末端區(qū)域，應(yīng)力從錨固段兩端向中間傳遞逐漸衰減，并在遠(yuǎn)離兩端面的一定距離處趨于穩(wěn)定。

由圖4可知，預(yù)應(yīng)力錨桿鋼絞線在Z向路徑上Mises應(yīng)力在兩端向中間逐漸傳遞并趨于穩(wěn)定。

預(yù)應(yīng)力錨桿兩根鋼絞線錨固段有限元模型Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知，錨桿兩根鋼絞線錨固段的應(yīng)力分布規(guī)律與一根鋼絞線錨桿一致，應(yīng)力從錨固段兩端逐漸向中間傳遞衰減。這與預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)基本原理預(yù)應(yīng)力的傳遞，需要經(jīng)過一個傳遞長度才能達(dá)到穩(wěn)定的有效預(yù)壓應(yīng)力是相符合的。

2)錨桿錨固體周圍巖土體Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖6可知，錨固體周圍巖土體中部粘結(jié)應(yīng)力最大，這符合壓力型錨桿粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律:錨固體在持續(xù)荷載作用下與巖土體間的粘結(jié)應(yīng)力從前段向末端逐漸傳遞的規(guī)律。

3 施工中采取的技術(shù)措施

為提高錨桿施工質(zhì)量，針對數(shù)值分析得出的結(jié)論，加強技術(shù)改進(jìn)，提高錨桿錨固體的支護(hù)功能，工程施工中采取以下措施提高錨桿質(zhì)量:

1)錨桿自由段套膠皮管并用膠帶固定，確保錨桿自由段調(diào)節(jié)應(yīng)力的能力，避免應(yīng)力集中;更好地將荷載完全傳遞給破裂面以外的穩(wěn)定地層。

2)二次高壓注漿。注漿管深入孔內(nèi)，提高灌漿壓力二次注漿，確保灌漿密實飽滿，錨桿錨固段漿體充盈有利于荷載傳遞，錨固體受力均勻。

3)采用泥漿護(hù)壁既能提高成孔率，又保證錨桿施工質(zhì)量。工程地質(zhì)為砂層且含水量豐富，使用XY-2G型干式鉆機(jī)鉆孔容易塌孔，在前期合理降水的條件下，避免大量降水后臨近建筑發(fā)生沉降，采用泥漿護(hù)壁保證成孔率，提高錨桿施工質(zhì)量，節(jié)約了降水時間。

4)由于錨桿錨固末端錨固力比較集中的特點，在每支錨桿末端安裝擠壓錨具。擠壓錨具安裝在距錨固區(qū)末端30 cm處，起到鎖住鋼絞線、增加錨固力的作用。

表1 支護(hù)錨桿抗拔靜載試驗數(shù)據(jù)匯總表

4 錨桿張拉檢測

根據(jù)錨索檢測數(shù)量不少于總數(shù)的5%，且不應(yīng)少于3根，對99支錨桿中隨機(jī)抽出5支進(jìn)行抗拔試驗，5支達(dá)到了設(shè)計張拉值328 kN，試驗張拉檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

檢測的5支錨桿回彈率從60.71%～79.27%較高，說明錨桿的自由段自由，從而避免因?qū)⒆杂啥斡盟酀{灌滿，當(dāng)錨桿受力時，產(chǎn)生下列不良后果:灌漿體開裂，腐蝕的風(fēng)險加大;不能將荷載完全傳遞給破裂面以外的穩(wěn)定地層;當(dāng)外力增加時，不能利用自由段調(diào)節(jié)應(yīng)力，易產(chǎn)生應(yīng)力集中;降低預(yù)應(yīng)力錨桿的抗震效應(yīng);與測量拉力變化的錨桿，工作狀況不一致。工程中錨桿自由段施工質(zhì)量較高，提高了錨桿在基坑支護(hù)的功效。

5支錨桿在每級持續(xù)加荷下沉降量Q—S曲線匯總見圖7。

從檢測的5支錨桿Q—S曲線圖中可知道錨桿每級持荷與累積上拔量曲線近似直線，錨頭位移穩(wěn)定，支護(hù)錨桿抗拔承載力滿足設(shè)計要求。根據(jù)有限軟件對錨桿錨固體的三維模擬粘結(jié)應(yīng)力分布，在錨桿施工中采取的技術(shù)措施既提高了錨桿施工質(zhì)量，又有效保證錨桿支護(hù)功能。

5 結(jié)語

本文采用有限元三維模擬分析方法對預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行了力學(xué)性能的研究，得到以下結(jié)論:

1)預(yù)應(yīng)力錨桿產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力主要集中在錨固段與自由段相連的起始區(qū)域和錨固段末端區(qū)域，應(yīng)力從錨固段兩端向中間傳遞逐漸衰減，在經(jīng)過一個傳遞長度后在遠(yuǎn)離兩端面的一定距離處趨于穩(wěn)定。

2)錨固體周圍巖土體中部粘結(jié)應(yīng)力最大，并且錨固體在持續(xù)荷載作用下與巖土體間的粘結(jié)應(yīng)力從前段向末端逐漸傳遞。

通過有限元分析得出錨桿粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律，錨桿粘結(jié)應(yīng)力集中在自由段與錨固段連接起始區(qū)域，并隨著加荷持續(xù)逐漸傳遞至錨桿端部，加強錨桿施工質(zhì)量控制，增強基坑支護(hù)穩(wěn)定性。

[1]程良奎，李象范.巖土錨固·土釘·噴射混凝土——原理、設(shè)計與應(yīng)用[M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]李 圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實例[M］.第2版.北京:中國水利水電出版社，2007.

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