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        彈柔錨桿在擋土墻支護中的數(shù)值模擬

        2012-01-08 02:05:10李長洪徐國強
        中國礦業(yè) 2012年7期
        關(guān)鍵詞:錨桿變形

        高 林,李長洪,徐國強

        (1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063009)

        錨桿擋土墻是將錨桿一端與工程結(jié)構(gòu)物相連,另一端錨固在穩(wěn)定的地層中新型擋土結(jié)構(gòu),它依靠工程結(jié)構(gòu)物承受土壓力,并利用錨桿與地層間的錨固力來維持結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定[1]。錨桿擋土墻與重力式擋土墻相比,具有土方工程量小、機械化作業(yè)快、安全系數(shù)高、有效控制邊坡變位量等優(yōu)勢。由于錨桿擋土墻是一種輕型支擋結(jié)構(gòu),要求邊坡荷載不宜過大,特別對邊坡動荷載最為敏感;另外錨桿擋土墻對大變形邊坡的控制效果不好,一旦邊坡出現(xiàn)較大變位量,錨桿極易被拔出或出現(xiàn)支擋破壞[2]。

        通過對錨桿受力和變形的分析,確定在普通錨桿的鎖固端和托盤之間增加彈柔變形體,充分利用彈柔體的形變和應(yīng)力緩沖,從而形成彈柔錨桿。在動荷載情況下,彈柔體可在鎖固端與托盤間形成有阻尼的荷載傳遞,減緩經(jīng)由托盤直接傳遞給錨桿的動荷載;在大變形情況下,彈柔體可相應(yīng)耗散變形勢能,減少形變在錨桿桿體中的產(chǎn)生應(yīng)力負擔(dān)。

        1 研究方法

        對于錨桿的研究通常有兩種途徑,一種是現(xiàn)場應(yīng)力測試,另一種就是數(shù)值模擬分析。雖然現(xiàn)場應(yīng)力測試更加貼近于實際應(yīng)用狀態(tài),但由于現(xiàn)場應(yīng)力測試對試驗條件要求嚴格,而且測試結(jié)果受到土層分布狀態(tài)、加載等級和加載速度等各方面的影響,不能夠精確判斷錨桿的力學(xué)性能[3]。數(shù)值模擬分析是通過對錨桿桿體進行建模,采用數(shù)值分析軟件對錨桿的力學(xué)性能進行計算,并對模擬成圖結(jié)果開展分析,最終得到對錨桿力學(xué)性能的初步判定[4]。

        FLAC3D(Fast Lagrangian Anlysis of Continua 3 Dimension)是美國ITASCA公司開發(fā)的一種三維快速拉格朗日分析程序,包含了11 種彈塑性材料本構(gòu)模型,以及靜力、動力、蠕變、滲流、溫度等多種計算模式,可以模擬巖體、土體或其他材料實體等多種結(jié)構(gòu)形式,以及梁、錨元、樁、殼等人工結(jié)構(gòu)[5]。本研究所針對的彈柔錨桿是一種新型錨桿,因此更加適宜采用數(shù)值模擬分析。主要通過建立相同條件下的普通錨桿和彈柔錨桿的計算模型,采用FLAC3D 3.00進行分析。

        2 結(jié)果與討論

        經(jīng)過對普通錨桿和彈柔錨桿進行FLAC對比數(shù)值分析可得到如下結(jié)果。

        1) 從錨桿在地層中產(chǎn)生的應(yīng)力影響深度來看,彈柔錨桿對地層的整體影響深度要比普通錨桿深約25%,說明彈柔錨桿可以將荷載更有效的傳遞給地層;普通錨桿錨固端壓應(yīng)力影響深度要比彈柔錨桿深45%以上,而彈柔錨桿自由端拉應(yīng)力影響深度則遠大于普通錨桿,并且應(yīng)力分布沿錨桿全長更為均勻,這說明彈柔錨桿的彈柔變形體有效緩解了荷載直接作用于錨桿桿體,使錨桿以相對緩和的方式向地層分級傳遞荷載,避免錨桿與地層的接觸面上出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象。如圖1所示。

        2) 從地層應(yīng)力分布情況來看,錨桿錨固端對地層產(chǎn)生壓應(yīng)力,普通錨桿的最大壓應(yīng)力值為1.9763e-003,而彈柔錨桿的最大壓應(yīng)力值為1.3759e-003,也就是說,由于彈柔變形體的應(yīng)力貢獻,使得彈柔錨桿與普通錨桿相比還有約30%左右負載空間;錨桿自由端對地層產(chǎn)生拉應(yīng)力,普通錨桿的最大拉應(yīng)力值為1.7500e-002,而彈柔錨桿的最大拉應(yīng)力值為4.9997e-002,是普通錨桿最大拉應(yīng)力值的2.85倍,也就是說,彈柔錨桿可以更大限度地將荷載通過錨桿自由端傳遞給土層,從而為彈柔錨桿提供更為堅實的承載體。如圖1所示。

        3) 如圖2所示,從錨桿錨固端平面土層的變形來看,普通錨桿的中心最大變形值為1.8946e-009,而彈柔錨桿的中心最大變形值為3.4459e-009,是普通錨桿最大變形值的1.8倍,也就是說,彈柔錨桿可以適應(yīng)擋土墻的大變形承載,彈柔變形體能夠更多的耗散變形勢能對擋土墻的作用;同時,通過變形影響范圍分析,顯然彈柔錨桿要遠大于普通錨桿,也就是說,彈柔錨桿可以更加有效地將荷載逐級分散到周圍土層,即為彈柔錨桿提供更多的承載體來分擔(dān)荷載作用,使得土層變形更為均勻。

        圖1 地層應(yīng)力分布對比圖

        圖2 錨固端平面變形分布對比圖

        4) 如圖3所示,錨桿桿體的軸向應(yīng)力均為拉應(yīng)力,普通錨桿的最大拉應(yīng)力值為4.769e+005,而彈柔錨桿的最大拉應(yīng)力值為5.014e+005,說明彈柔變形體的應(yīng)力緩沖效應(yīng)可以使得彈柔錨桿更加緩和的將荷載傳遞給地層,與普通錨桿相比可提高約5%的應(yīng)力承受能力,更加有利于充分發(fā)揮錨桿的材料強度。如圖4所示,錨桿桿體產(chǎn)生的位移均表現(xiàn)為從自由端向錨固端逐漸增大的趨勢,直到錨固端達到最大位移值,普通錨桿的最大值為6.608e-006,而彈柔錨桿的最大值為6.949e-006,比普通錨桿最大位移值略大5%,經(jīng)分析確定此為彈柔變形體協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的結(jié)果。

        圖3 錨桿桿體軸向應(yīng)力分布對比圖

        圖4 錨桿桿體位移分布對比圖

        3 結(jié)論

        彈柔錨桿與普通錨桿相比,具有承載能力高、逐級分散荷載能力強、有效耗散支護體變形勢能、適于大變形支護等優(yōu)勢。經(jīng)數(shù)值模擬驗證,與普通錨桿相比,彈柔錨桿在相同條件下可以充分發(fā)揮彈柔變形體的形變和應(yīng)力緩沖優(yōu)勢,錨桿應(yīng)力整體影響深度深約25%,錨固端壓應(yīng)力承載高約30%,自由端拉應(yīng)力承載高約1.85倍,錨桿整體應(yīng)力值及變形均略大約5%。彈柔錨桿是特別適用于有大變形及動荷載要求的支護工程,具有廣闊應(yīng)用前景的新型錨桿體系。

        [1]周肅非.錨桿擋土墻及其在陡坡路基中的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2008(18):258,260.

        [2]曹霞,王曉蕾,陳飛.錨桿擋土墻在邊坡防護工程中的應(yīng)用[J].四川建筑,2005,25(5):45-46.

        [3]朱煥春.某邊坡錨桿應(yīng)力狀態(tài)測試與分析[J].巖土工程學(xué)報,2000,22(4):471-474.

        [4]李梅.三維錨桿的數(shù)值模擬方法[J].福州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,31(5):588-592.

        [5]李晶晶,程祖鋒,耿立立,等.基于FLAC3D的復(fù)合土釘支護數(shù)值模擬分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,28(3):5-8.

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