關(guān)志鵬,雷用,胡明
(1后勤工程學(xué)院軍事土木工程系,重慶 401311;2重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì),重慶 400014;3巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401311)
預(yù)應(yīng)力錨索是一種有效的邊坡加固方法,在諸多工程實(shí)踐中已經(jīng)得到檢驗(yàn)[1-5]。該方法適用于要求錨索承載力高、變形量小和需錨固于地層較深處的工程[6]。拉力型預(yù)應(yīng)力錨索,主要是通過(guò)錨固段提供的握裹力和抗拔力達(dá)到加固邊坡效果,錨索與水泥(砂)漿的粘結(jié)應(yīng)力分布很不均勻的,錨固段與滑動(dòng)帶交匯處應(yīng)力集中比較嚴(yán)重,隨著荷載不斷增大,在荷載傳至錨固段最遠(yuǎn)端之前,錨索與注漿體界面或注漿體與地層界面就可能發(fā)生滑脫,這樣就不能充分發(fā)揮錨索的加固效果。而壓力型預(yù)應(yīng)力錨索采用無(wú)粘結(jié)鋼絞線,鋼絞線與注漿體無(wú)粘結(jié),注漿體與孔壁全長(zhǎng)粘結(jié)。無(wú)粘結(jié)鋼絞線孔底固定一個(gè)金屬圓盤,作用在鋼絞線上的拉力通過(guò)金屬圓盤轉(zhuǎn)換為壓力,使注漿體受壓,注漿體側(cè)面與孔壁間產(chǎn)生剪應(yīng)力[7]。
除了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),數(shù)值方法是研究預(yù)應(yīng)力錨索加固效果和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有效的方法[8-12]。在ANSYS中對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的分析方式主要有兩種:一類是錨索和巖體的等效連續(xù)模擬,將錨索和巖體的作用一起考慮,用Link單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋,采用降溫法、初始應(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力;另一類是錨索和巖體的離散模擬,將錨索和巖體的作用分別考慮,以荷載的形式取代預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用,用等效荷載法施加預(yù)應(yīng)力[13~14]。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),總之,對(duì)于只是關(guān)注預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的基本性能時(shí),可以考慮采用離散模擬方法,而對(duì)于研究預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)時(shí),宜采用等效連續(xù)模擬方法[14]。
本文主要采用ANSYS數(shù)值模擬對(duì)板肋式全粘結(jié)和自由段非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行數(shù)值分析和穩(wěn)定性計(jì)算,以此研究預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡效果,并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
重慶某項(xiàng)目場(chǎng)地西南側(cè)外圍與市政道路之間的邊坡需要進(jìn)行治理,邊坡長(zhǎng)度約360m,高度10~25m,面積約6000m2,圖1為部分現(xiàn)場(chǎng)圖。 該場(chǎng)地屬淺丘地貌,地勢(shì)南東高北西低,由斜坡組成,場(chǎng)地高差49m。斜坡坡度角一般5 °~17 °。場(chǎng)地裂隙不發(fā)育,裂隙面結(jié)合程度差,巖層層面較平直,有泥質(zhì)巖屑充填,局部呈張開狀,寬1~2mm,結(jié)合程度差,屬硬性結(jié)構(gòu)面。
圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)部分圖片
場(chǎng)區(qū)地層主要有第四系全新統(tǒng)人工填土(Qm41)、下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的砂巖、泥巖(J2S)組成。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,場(chǎng)區(qū)內(nèi)未見滑坡、危巖、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用,無(wú)地下洞室,未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害,無(wú)地表水,水文條件簡(jiǎn)單,場(chǎng)地總體上穩(wěn)定性良好。
由于施工后,預(yù)應(yīng)力錨索的自由段由非粘結(jié)型施工(壓力型錨索)變?yōu)樗嗌皾{填充的粘結(jié)型,即錨索施工為全長(zhǎng)粘結(jié)型錨索,與設(shè)計(jì)不符。因此,該邊坡治理工程的質(zhì)量及安全性存在隱患的可能,為保證該工程的安全使用,本文采用ANSYS數(shù)值模擬對(duì)其安全性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。
為了全面了解板肋式全粘結(jié)和自由段非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡效果以及對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,同時(shí)兼顧計(jì)算的可行性,選取一代表性剖面進(jìn)行分析,如圖2所示,邊坡存在一外傾破裂面,有限元計(jì)算中,邊坡破裂面采用一個(gè)單元網(wǎng)格厚度模擬。計(jì)算采用美國(guó)大型有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行,計(jì)算按照平面應(yīng)變問(wèn)題處理。 巖體、砂漿、C30混凝土和C20混凝土用平面實(shí)體單元六節(jié)點(diǎn)的三角形單元PLANE82模擬,預(yù)應(yīng)力錨索采用桿單元LINK180模擬,截面尺寸在實(shí)常數(shù)中輸入,所有單元需要事先畫好。有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示。
圖2 計(jì)算剖面
圖3 有限元網(wǎng)格
建立模型時(shí),在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加兩排預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行計(jì)算。本次有限元模擬的工況包括:(1)全粘結(jié)拉力型預(yù)應(yīng)力錨索;(2)自由段非粘結(jié)拉力型預(yù)應(yīng)力錨索;(3)壓力型預(yù)應(yīng)力錨索。
ANSYS軟件提供單元“殺死”功能,自由段非粘結(jié)采用這種方法實(shí)現(xiàn)。
邊界條件:底部固定,左、右兩側(cè)水平約束,重力荷載通過(guò)設(shè)置重力加速度的方式模擬,邊坡上部施加130kN/m荷載。
拉力型預(yù)應(yīng)力錨索采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力錨索所需降低的溫度通過(guò)下式計(jì)算:
式中:P—預(yù)應(yīng)力
E—彈性模量
A—截面積
α—線膨脹系數(shù),2×10-5
壓力型預(yù)應(yīng)力錨索采用在注漿體錨頭和錨固段底部施加集中力的方法施加預(yù)應(yīng)力,施加的集中力即錨索的鎖定荷載F=765kN。
有限元計(jì)算輸入的材料參數(shù)值如表1所示。
表1 有限元中輸入的材料參數(shù)表
選取代表性剖面所在的兩伸縮縫之間的邊坡建立三維有限元模型,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,利用代表性剖面拉伸成三維模型進(jìn)行計(jì)算,模型建立范圍為沿邊坡方向拉伸18m。巖體用三維實(shí)體單元SOLID45模擬,錨索用桿單元LINK180模擬。 考慮到計(jì)算時(shí)間問(wèn)題,將錨索孔進(jìn)行簡(jiǎn)化,僅用錨索單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索,因此三維模擬僅能用于計(jì)算全粘結(jié)拉力型預(yù)應(yīng)力錨索,同樣采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力。所有單元需要事先畫好,單元總數(shù)達(dá)315600個(gè)。有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。
邊界條件:模型底部固定,四周水平方向約束,重力荷載通過(guò)設(shè)置重力加速度的方式模擬,邊坡上部施加130kN/m荷載。
材料參數(shù)見表1。
圖4 三維有限元網(wǎng)格
分別對(duì)3.1和3.2中的有限元模擬工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 有限元分析結(jié)果
由表2可知,全粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索的最大變形、最大豎向位移和最大等效應(yīng)力均大于自由段非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索和壓力型預(yù)應(yīng)力錨索,但數(shù)值均較小。最大塑性等效應(yīng)變值較小,說(shuō)明邊坡的塑性區(qū)很小,預(yù)應(yīng)力錨索的加固效果較好。
最大等效應(yīng)力主要發(fā)生在破裂面與錨索交匯處,由上表可知壓力型錨索最大等效應(yīng)力小于全粘結(jié)和自由段非粘結(jié)拉力型錨索,非粘結(jié)拉力型和壓力型預(yù)應(yīng)力錨索的最大等效應(yīng)力相差較小,因此對(duì)于全粘結(jié)拉力型預(yù)應(yīng)力錨索,在滑帶處產(chǎn)生應(yīng)力集中。
表3 原設(shè)計(jì)有限元應(yīng)力分析結(jié)果
表3為原設(shè)計(jì),即沒(méi)有增加兩排錨索時(shí)自由段非粘結(jié)和全粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力值,應(yīng)力集中主要發(fā)生在破裂面與錨索交匯處,因此表中的應(yīng)力反映的是此交會(huì)處的應(yīng)力集中情況。自由段非粘結(jié)和全粘結(jié)都有一定的應(yīng)力集中情況,但全粘結(jié)的應(yīng)力集中比較明顯,應(yīng)力值較大。
本次評(píng)價(jià)主要通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡破壞時(shí)的折減系數(shù),即為邊坡的安全系數(shù)。有限元強(qiáng)度折減法原理為[15]:
對(duì)于巖土中廣泛采用的莫爾一庫(kù)侖材料,強(qiáng)度折減安全系數(shù)w可表示為
cw、φw為折減后得到的黏聚力和內(nèi)摩擦角,w為折減系數(shù),有限元計(jì)算中不斷降低邊坡中巖土抗剪強(qiáng)度直至達(dá)到破壞狀態(tài)為止。程序根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果自動(dòng)得到破壞滑動(dòng)面,并獲得安全系數(shù)。
有限元強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn)主要是[16]:考慮了土體的非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系;能夠動(dòng)態(tài)模擬邊坡的失穩(wěn)過(guò)程及其滑移面形狀;在求解安全系數(shù)時(shí),不需要假定滑移面的形狀,不需要假定土條之間的相互作用力。
通過(guò)增大折減系數(shù),減小黏聚力和內(nèi)摩擦角使邊坡計(jì)算不收斂,最終得到邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),計(jì)算參數(shù)見表4。
圖5和圖6為二維計(jì)算加固前后塑性等效應(yīng)變圖,圖7和圖8為三維計(jì)算加固前后塑性等效應(yīng)變圖。從圖中可以看出,對(duì)于二維計(jì)算,加固前,當(dāng)折減系數(shù)w=1.1時(shí)邊坡的塑性區(qū)基本已經(jīng)貫通,塑性應(yīng)變值為0.02,繼續(xù)增大折減系數(shù)后,計(jì)算將不收斂,因此邊坡加固前的穩(wěn)定系數(shù)為w=1.1;加固后,當(dāng)折減系數(shù)w=2.8時(shí)邊坡的塑性區(qū)基本已經(jīng)貫通,塑性應(yīng)變值為0.0025,繼續(xù)增大折減系數(shù)后,計(jì)算將不收斂,因此取w=2.8為二維計(jì)算的安全穩(wěn)定系數(shù)。對(duì)于三維計(jì)算,加固前,當(dāng)折減系數(shù)w=1.2時(shí)邊坡的塑性區(qū)基本已經(jīng)貫通,塑性應(yīng)變值為0.0004,繼續(xù)增大折減系數(shù)后,計(jì)算將不收斂,因此邊坡加固前的穩(wěn)定系數(shù)為w=1.2;加固后,折減系數(shù)w=3.0時(shí)邊坡塑性區(qū)基本貫通,塑性應(yīng)變值為0.0026,因此取w=3.0為三維計(jì)算的安全穩(wěn)定系數(shù)。
表4 折減計(jì)算參數(shù)
圖5 二維計(jì)算加固前塑性等效應(yīng)變圖(w=1.1)
圖6 二維計(jì)算加固后塑性等效應(yīng)變圖(w=2.8)
圖7 三維計(jì)算加固前塑性等效應(yīng)變圖(w=1.2)
圖8 三維計(jì)算加固后塑性等效應(yīng)變圖(w=3.0)
綜上,預(yù)應(yīng)力錨索加固前,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為w=1.1,處于相對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài),需要加固;預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡后,有限元計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)可取w=2.8,達(dá)到了加固邊坡的效果。
拉力型和壓力型預(yù)應(yīng)力錨索在加固機(jī)理和加固效果上都有所不同,在邊坡加固設(shè)計(jì)、施工時(shí)要充分了解其特點(diǎn)才能達(dá)到理想的加固效果。數(shù)值計(jì)算是研究預(yù)應(yīng)力錨索較為有效實(shí)用的一種分析方法,本文采用ANSYS軟件對(duì)某一工程進(jìn)行分析,主要得到以下結(jié)論:
(1)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡后,邊坡的最大變形、最大豎向位移、最大塑性等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力均較小,邊坡塑性區(qū)很小,此外,有限元計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為w=2.8,達(dá)到了加固邊坡的效果。
(2)從受力角度分析,最大等效應(yīng)力主要發(fā)生在破裂面與錨索交匯處,壓力型錨索最大等效應(yīng)力小于全粘結(jié)和自由段非粘結(jié)拉力型錨索,因此對(duì)于全粘結(jié)拉力型預(yù)應(yīng)力錨索,在滑帶處產(chǎn)生應(yīng)力集中,從這個(gè)角度看,壓力型預(yù)應(yīng)力錨索具有優(yōu)越性。
(3)通過(guò)等效應(yīng)力分析,未增加兩排錨索時(shí),自由段非粘結(jié)錨索和全粘結(jié)錨索都有一定的應(yīng)力集中情況,但全粘結(jié)的應(yīng)力集中比較明顯,應(yīng)力值較大。
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