王迎豐WANG Ying-feng

（江蘇省巖土工程公司，南京 210019）

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨索是一種有效的支護(hù)技術(shù)，在巖土工程中的應(yīng)用較為廣泛，特別是在巖質(zhì)邊坡支護(hù)工程中，預(yù)應(yīng)力錨索能夠有效的提高巖體的穩(wěn)定性[1-3]。在基坑工程支護(hù)中，往往與支護(hù)樁一起使用，形成樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，但是在軟土基坑中，由于基坑土體的變形過大問題，樁錨結(jié)構(gòu)的應(yīng)用并不多見[4-6]。因此在軟土基坑中預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用并不廣泛，但由于其經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，在一些條件允許下，軟土基坑仍然可以采用這一支護(hù)形式。

預(yù)應(yīng)力錨索在基坑中的應(yīng)用前人已有研究，韓健勇等[7]研究了深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作性狀，該基坑為砂土地層，研究認(rèn)為樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)未見明顯的變形時(shí)間效應(yīng)，大部分變形發(fā)生在基坑開挖階段，另外在砂土地層中預(yù)應(yīng)力錨索的初始預(yù)應(yīng)力損失值較大。余瑜等[8]研究了預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的基坑工程，對(duì)預(yù)應(yīng)力值的損失規(guī)律進(jìn)行了探討，結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力值損失的主要原因?yàn)殄^固體與周圍土層之間的滑移，錨固力越大預(yù)應(yīng)力損失越大，降低預(yù)應(yīng)力損失可以在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)采用循環(huán)加載的方式。張玉成等[9]研究了預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)計(jì)算問題，認(rèn)為錨索施加預(yù)應(yīng)力后主動(dòng)側(cè)土體成受壓狀態(tài)，因此主動(dòng)側(cè)土體應(yīng)視為彈簧，而一般的設(shè)計(jì)軟件未考慮這一點(diǎn)，導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，尤其是在軟土場(chǎng)地中。李浩等[10]對(duì)基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明應(yīng)在角點(diǎn)出提高冠梁的高度以增加冠梁對(duì)變形的協(xié)調(diào)作用，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制基坑開挖的速度，并實(shí)時(shí)觀察錨索的預(yù)應(yīng)力值損失情況，并。文中還分析了基坑變形的空間效應(yīng)，認(rèn)為基坑最大變形發(fā)生在中部，長(zhǎng)邊的變形大于短邊變形等。

本文采用數(shù)值模擬的手段，模擬計(jì)算預(yù)應(yīng)力錨索在軟土中的受力特征，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索抗拔試驗(yàn)中的錨索的軸力分布、錨固體大小、預(yù)應(yīng)力錨索的錨固長(zhǎng)度等因素進(jìn)行了分析，為預(yù)應(yīng)力錨索在軟土場(chǎng)地中的應(yīng)用提供理論參考。

1 模型的建立

數(shù)模模擬軟件采用FLAC3D軟件，數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，模擬計(jì)算時(shí)采用彈塑性本構(gòu)計(jì)算，模型尺寸為6m×6m×40m，數(shù)值模型中預(yù)應(yīng)力錨索采用軟件自帶的結(jié)構(gòu)單元Cable單元，該單元能夠有效的模擬預(yù)應(yīng)力錨索的實(shí)際工作狀態(tài)。模型中涉及的各類土層均采用實(shí)體單元來(lái)模擬。

圖1 數(shù)值模型

數(shù)值模擬計(jì)算采用的土層取自連云港地區(qū)典型的海相軟土地層，地層分布及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層分布及物理力學(xué)參數(shù)

本文在模擬計(jì)算之前，充分的考慮了模型的尺寸效應(yīng)，圖2為不同模型尺寸對(duì)應(yīng)的錨索抗拔計(jì)算結(jié)果，圖中顯示了模型尺寸與預(yù)應(yīng)力錨索拉升位移的關(guān)系，圖中模型尺寸為模型的橫截面，分別取2m、4m、6m、8m及12m。從圖中可以看出預(yù)應(yīng)力錨索位移隨著模型尺寸的增大而減小，具體數(shù)值從約70mm減少至約20mm，說明數(shù)值模型的尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常大。原因?yàn)楫?dāng)模型尺寸較小時(shí)，其邊界不能滿足對(duì)錨索的約束要求，導(dǎo)致錨索位移的失真。從位移曲線中可以看出當(dāng)模型尺寸達(dá)到4m×4m及以上時(shí)，錨索位移值趨于穩(wěn)定。因此為了充分的消除模型尺寸效應(yīng)，本次數(shù)值模型橫截面尺寸取8m×8m。模型縱向長(zhǎng)度取50m，為預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度的2.5倍。

圖2 模型邊界對(duì)錨索位移的影響

2 模擬結(jié)果分析

在數(shù)值計(jì)算中除了需考慮模型的尺寸效應(yīng)，對(duì)模型中設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇也需注意，計(jì)算中涉及參數(shù)取值的有結(jié)構(gòu)單元及實(shí)體單元，結(jié)構(gòu)單元Cable的參數(shù)涵蓋了預(yù)應(yīng)力錨索的特性，有彈性模量、錨固體尺寸等參數(shù)，實(shí)體單元主要涉及土層的物理力學(xué)性質(zhì)。些參數(shù)的取值關(guān)系到計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠性，因此本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)反復(fù)對(duì)比的方法來(lái)確定參數(shù)賦值。

圖3為預(yù)應(yīng)力錨索抗拉試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，其中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用了3組，錨索變形與模擬結(jié)果基本一致，說明數(shù)值模擬采用的參數(shù)賦值符合實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果可靠度較高，可以進(jìn)行下一步模擬工作。

圖3 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.1 錨索軸力分布情況

圖4為錨索的軸力分布圖，其中自由段10m，錨固段10m，在不同各荷載條件下其軸力分布規(guī)律一致，從數(shù)值上來(lái)看，預(yù)應(yīng)力錨索自由段的軸力值與施加荷載一致，錨固段逐漸減少至0，在荷載較大時(shí)略大于0。這與巖石錨索的軸力分布相差較大。為了對(duì)比分析，列出圖5巖石中錨索的軸力分布情況，圖中僅列出了預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的軸力分析，錨固長(zhǎng)度為8m?？梢钥闯鰪淖杂啥伍_始，錨索的軸力在錨固段中逐漸減少，但是在錨固段5m的位置，軸力即減小至0，在錨固段5～8m的位置軸力均為0。這與軟土的錨索軸力分布存在較大差別，軟土中錨索的錨固段均有軸力分布，這是由于圍巖介質(zhì)的不同所提供的握裹力不同，巖石介質(zhì)提供的握裹力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軟土介質(zhì)，所以軟土的錨索需要更大錨固長(zhǎng)度方能提供相應(yīng)的握裹力。

圖4 軟土錨索軸力分布情況

圖5 巖石中錨索軸力分布情況

另外預(yù)應(yīng)力錨索在巖石中存在最優(yōu)錨固長(zhǎng)度，即錨固段長(zhǎng)度并不是越長(zhǎng)越好，在錨固長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，繼續(xù)增加并不能提供更大的握裹力，只能造成材料的浪費(fèi)[11-12]。但是在軟土場(chǎng)地中，從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段全部受力，這就說明錨固段長(zhǎng)度與錨固力基本成正比，條件允許的情況下錨固段越長(zhǎng)效果越佳，這與巖石錨索的工作狀態(tài)是不同的。

2.2 錨固長(zhǎng)度對(duì)錨固效果的影響

為了分析不同錨固長(zhǎng)度對(duì)錨固效果的影響，分別模擬計(jì)算了錨固段長(zhǎng)度為4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m的荷載與位移的關(guān)系。圖6為計(jì)算結(jié)果，可以看出錨固長(zhǎng)度越大錨索的承載力越大，即相同位移下承受的荷載越大。另外隨著錨索錨固長(zhǎng)度的增加，位移曲線的斜率逐漸變大，這與巖石錨索的規(guī)律一致。

圖6 荷載與位移關(guān)系曲線

荷載與變形關(guān)系曲線的斜率能夠反映錨索的承載能力，能夠表現(xiàn)出錨索的工作性狀，因此本文將上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到各曲線的斜率。再繪制曲線斜率與錨固段長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖7所示。可以看出錨固長(zhǎng)度與荷載位移曲線斜率成對(duì)數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)性系數(shù)為0.9957，精度較高。具體公式為：

圖7 錨固長(zhǎng)度與荷載位移曲線斜率的關(guān)系

式中，y——荷載位移曲線斜率，kN/mm；

x——錨索錨固段長(zhǎng)度，m。

上述公式反應(yīng)了錨固長(zhǎng)度與錨索位移發(fā)展速度的關(guān)系，可以用來(lái)軟土場(chǎng)地錨索的位移預(yù)測(cè)，擬合精度較高，且模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合度也較好，實(shí)際應(yīng)用中可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)土層條件，對(duì)公式中的參數(shù)4.143及0.1854進(jìn)行修正，以提高公式預(yù)測(cè)的可靠性。

2.3 錨固體直徑對(duì)錨固效果的影響

預(yù)應(yīng)力錨索的承載力產(chǎn)生的源頭是是錨固體與巖土體之間的粘結(jié)，一般采用砂漿將錨索與巖土體結(jié)合起來(lái)，在砂漿、錨索與巖土體之間形成粘結(jié)力。通常錨固體越大其形成的粘結(jié)力越大，因此本文還分析了在軟土中，錨固體的直徑對(duì)錨索極限抗拔力的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖中給出了不同錨固長(zhǎng)度下錨固體直徑與錨索極限抗拔力的關(guān)系，可以看出，隨著錨固體直徑的增加，錨索極限抗拔力也在增加，另外，錨固直徑越大，錨索承載力隨著錨固長(zhǎng)度增加的幅度越大。這與巖體中的錨索略有區(qū)別，在巖體中錨固體的直徑太大只會(huì)導(dǎo)致材料的浪費(fèi)，并不能有效的提高預(yù)應(yīng)力錨索的承載力，這是由于巖體與土體的工程性質(zhì)不同導(dǎo)致的。

圖8 不同錨固體直徑下錨索承載力

3 結(jié)論

①?gòu)念A(yù)應(yīng)力錨索軸力分布特征來(lái)看，軟土地層和巖質(zhì)地層存在較大差別，在軟土地層中錨固段受力逐漸減少至0，而在巖質(zhì)地層中錨固段幾乎不受力。②本文擬合了軟土場(chǎng)地中預(yù)應(yīng)力錨索錨固長(zhǎng)度與荷載的關(guān)系，可以為判斷預(yù)應(yīng)力錨索變形的依據(jù)，以提高應(yīng)用中的安全性。③錨固體直徑越大預(yù)應(yīng)力錨索的抗拔承載力越大，文中計(jì)算的錨固體達(dá)到了60cm，其承載力仍在增加。與巖體中的預(yù)應(yīng)力錨索略有區(qū)別。④通過對(duì)比不同場(chǎng)地中錨索的工作性狀，認(rèn)為軟土場(chǎng)地中錨索的受力有別于巖體場(chǎng)地，其軸力可傳導(dǎo)至錨固段，因此在軟土場(chǎng)地中錨索的變形更大，在軟土基坑中應(yīng)用錨索結(jié)構(gòu)時(shí)基坑變形的要求可適當(dāng)放寬。