徐乾元

(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司)

1 自適應(yīng)有限元理論概述

自適應(yīng)有限元理論要想判斷是否具有足夠的精度，必須參考計(jì)算所得的誤差信息。換言之，誤差較大的區(qū)域可以應(yīng)用自適應(yīng)有限元理論優(yōu)化局部網(wǎng)格。計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)識(shí)別沒(méi)有達(dá)到精度要求的網(wǎng)格區(qū)域，并自動(dòng)優(yōu)化該類區(qū)域，使其達(dá)到精度要求。從這一角度而言，自適應(yīng)有限元理論的應(yīng)用可以自動(dòng)調(diào)整算法，且求解的過(guò)程也在不斷改進(jìn)中。研究者在初始網(wǎng)絡(luò)中輸入描述問(wèn)題的幾何特性，并錄入其可接受網(wǎng)絡(luò)的誤差水平，計(jì)算機(jī)可根據(jù)需求自動(dòng)算出滿足要求的網(wǎng)絡(luò)，從而提升了數(shù)據(jù)分析的效率及結(jié)果的可靠性。

2 巖土錨固自保護(hù)技術(shù)原理

處于工作狀態(tài)下的錨固體系在外力的作用下會(huì)使錨桿所受的力處于平衡狀態(tài)。若發(fā)生超載，錨固結(jié)構(gòu)體系所受的外力增加，錨拉桿件的長(zhǎng)度也隨之增高。因?yàn)槭┕l件的限制，錨拉桿件的長(zhǎng)度不能隨之增加時(shí)，錨拉桿件就會(huì)斷裂，從而破壞了錨固體。但錨拉桿件長(zhǎng)度無(wú)限度增加，其本身的應(yīng)力就會(huì)下降。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生變形。

鑒于上述原因，如何在確保錨桿應(yīng)力的前提下使其充分拉伸是解決錨固體系自我保護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)。在錨拉桿件上安裝上塑性變形發(fā)生器，一旦該構(gòu)件超出負(fù)荷就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，以此保護(hù)錨拉桿件。自動(dòng)保護(hù)裝置在鞏固錨拉應(yīng)力的前提下，還可以最大限度保護(hù)錨桿。理論上講，根據(jù)設(shè)計(jì)需求不同，塑性變形程度也可以無(wú)線擴(kuò)大。

3 巖體工程自適應(yīng)錨位技術(shù)應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)工作

3.1.1 有限元體系設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)有限元體系時(shí)要確保自協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)體系和單元結(jié)構(gòu)體系的協(xié)調(diào)能力。在外力的作用下給予構(gòu)件可轉(zhuǎn)移多余荷載的空間。即使在單元結(jié)構(gòu)中發(fā)生位移也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生影響。重新組建結(jié)構(gòu)體系，單元結(jié)構(gòu)體系也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。重新組建的單元結(jié)構(gòu)之間需留出一定的位移和變形空間，確保各個(gè)獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)處于同一個(gè)整體結(jié)構(gòu)體系中。

3.1.2 結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)是為了達(dá)到力平衡的作用，錨固體在巖土體壓力和錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)橫向支撐力的相互作用中達(dá)到受力平衡[1]，在平衡條件下利用有限元理論計(jì)算錨固力，方法簡(jiǎn)單，實(shí)用性高。周圍巖土的平衡狀態(tài)在開(kāi)挖巖土地下工程時(shí)被破壞，巖土體內(nèi)部的應(yīng)力重新分配成次應(yīng)力，當(dāng)次應(yīng)力大于巖土承載力時(shí)周圍的土體將遭到破壞，此時(shí)要做好支護(hù)。使用自適應(yīng)錨位技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，將錨固體系和周圍巖土體固定在一個(gè)整體支護(hù)結(jié)構(gòu)中，可減少周圍土體的破壞。

3.2 自保護(hù)裝置試驗(yàn)

巖土錨固體系自保護(hù)裝置（即塑性變形發(fā)生器）因其受力機(jī)理合理且工作性能良好，可以自動(dòng)保護(hù)錨固體系，具有良好的應(yīng)用前景。在自適應(yīng)錨位技術(shù)施工前，試驗(yàn)該保護(hù)裝置的安全性能是相當(dāng)有必要的。

1）試驗(yàn)對(duì)象

受剪體形狀不同所用到的試驗(yàn)方案也不同，可將其形狀分為螺旋齒型和其他形狀齒型。

2）試件設(shè)計(jì)

裝置設(shè)計(jì)荷載的大小根據(jù)螺旋齒條的數(shù)量和齒寬決定，為確保荷載的穩(wěn)定性需使用螺旋布置。設(shè)計(jì)齒條之間的間距時(shí)從兩點(diǎn)入手：①確定裝置尺寸后，根據(jù)螺旋的密度和齒條寬度確定極限荷載的大??；②盡可能避免荷載疊加，因而破壞前排齒剪切后，后排齒不能被擠壓。

本試驗(yàn)的關(guān)鍵部分在于螺旋型的內(nèi)芯，對(duì)于只起輔助作用的套筒的變形量在可控制的范圍內(nèi)即可。鑒于上述原因，選材時(shí)螺旋型的內(nèi)芯使用A3鋼，套筒選用高一級(jí)的鋼材。

3）試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)

本試驗(yàn)中使用INSTRON1346材料伺服壓力機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)有2種加載方式，即荷載控制加載和位移控制加載。前者加載時(shí)，需確保試驗(yàn)機(jī)平板上的壓力和位移均勻；后者加載時(shí)，平板壓下的位移要保持一致。本試驗(yàn)選擇后者控制加載。最大的位移數(shù)值為50mm，極限荷載數(shù)值為2000kN，加載速度控制為800sec。

對(duì)比荷載與位移變化曲線，得出如下結(jié)論。

①荷載大小與齒寬是有聯(lián)系的，荷載會(huì)隨著齒寬的增大而增大；

②改造之后的曲線起伏小，套筒接觸面會(huì)隨著齒條的厚度而增大，這時(shí)處于不完全受剪狀態(tài)。從套筒中取出做好的試件時(shí)，根據(jù)其形狀可知齒條是被剪壞的；

③當(dāng)實(shí)際荷載小于設(shè)計(jì)荷載的80%時(shí)產(chǎn)生的位移很小，近似于直線變化；

④當(dāng)實(shí)際荷載與設(shè)計(jì)荷載越來(lái)越接近時(shí)材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，位移變大；

⑤初始破壞荷載達(dá)到最大值時(shí)，齒條抗剪能力和荷載能力均呈下滑趨勢(shì)。這時(shí)可通過(guò)改變齒條始端形狀來(lái)保持峰值荷載。

綜上所述，螺旋齒剪切時(shí)既有剪切、扭轉(zhuǎn)、擠壓、彎曲等因素的影響，也有齒條間相互作用的影響。因而原則上講自我保護(hù)裝置可以達(dá)到理想塑性變形。

4 實(shí)際應(yīng)用

從理論上說(shuō)，“塑性變形發(fā)生器”的塑性變形大小不受限制，因而從某種程度上來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)的自保護(hù)裝置塑性材料的性質(zhì)是極好的。設(shè)計(jì)者應(yīng)利用其裝置的塑性強(qiáng)度，使錨拉構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系中具有充分的變形能力。

4.1 工程概況

某工程施工區(qū)滑坡災(zāi)害頻頻發(fā)生，該區(qū)域內(nèi)分布有儀表廠滑坡、大灣道滑坡、李子壩小學(xué)滑坡等。區(qū)域內(nèi)滑坡長(zhǎng)度達(dá)600m，寬達(dá)110m，弓形平面，面積為 6.2×104m2，體積約為 7.0×104m3。從滑體總體變形的滑移方向可知該滑坡的主滑方向?yàn)?50°，其滑坡形式為牽引式?？傮w說(shuō)來(lái)，成樁后自然覆土呈松散狀態(tài)，深土層，需要填大量的土填平溝壑。此外，樁的下端巖巖體陡峭，嵌固性能差。若此時(shí)選擇懸臂樁結(jié)構(gòu)很難保證施工安全，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，該工程選擇樁錨結(jié)構(gòu)。

4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)為樁錨結(jié)構(gòu)，使用“理正巖土”軟件計(jì)算，其參考標(biāo)準(zhǔn)需符合國(guó)家規(guī)定和重慶市地方規(guī)范。根據(jù)地勘報(bào)告選取巖土計(jì)算參數(shù)，計(jì)算時(shí)選擇不利剖面。再加上滑坡的推力控制著支護(hù)結(jié)構(gòu)，因而本文只選取滑坡推力作用下的計(jì)算結(jié)果。樁的總長(zhǎng)度為26.000m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

上表中的數(shù)據(jù)為使用M法計(jì)算得來(lái)，土層序號(hào)為1層，厚50.000m，重度為22.000kN/m3，樁前滑動(dòng)土層厚10.000m。

錨索參數(shù)為：道號(hào)為1，豎向間距7.000m，水平剛度20.000MN/m。

物理參數(shù)為：樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；樁縱筋合力點(diǎn)到外皮距離為35mm；樁縱筋級(jí)別為HRB335；樁箍筋級(jí)別為HPB235；樁箍筋間距為200mm；使用一般擋土墻進(jìn)行擋土。墻后填土內(nèi)摩擦角32°，墻背與墻后填土摩擦角15°，墻后填土容重21.000kN/m3。

表1 結(jié)算結(jié)果

除上述內(nèi)容外，滑坡推力在支擋處的推力較大，為使得錨固體系的受力性能良好，樁體量的重量變小，縮小嵌巖的深度，預(yù)應(yīng)力錨索是最佳選擇。但使用柔性錨索中的預(yù)應(yīng)力錨索填坡時(shí)，還需解決如下問(wèn)題：新填筑的填土在自重力的作用下會(huì)下沉，間接產(chǎn)生的彎曲荷載作用于錨索上，容易造成錨索下部的土體剝離，嚴(yán)重時(shí)錨索懸空，因其自重的影響出現(xiàn)彎曲。在填土段的預(yù)應(yīng)力錨索是一根柔性錨索，抗彎性能不佳。當(dāng)錨索處于懸垂?fàn)顟B(tài)時(shí)所能承受的橫向力達(dá)到最大，當(dāng)錨索緊繃時(shí)橫向力稍微超出最大限值，錨索內(nèi)的應(yīng)力瘋狂增長(zhǎng)，有可能繃斷錨索。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于實(shí)際情況，結(jié)合有限元理論分析巖土工程錨固技術(shù)的特點(diǎn)，并給出了巖土工程中自適應(yīng)錨固支護(hù)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，可為類似工程提供參考。