弹柔锚杆在挡土墙支护中的数值模拟

高 林，李长洪，徐国强

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083；2.河北联合大学河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063009)

锚杆挡土墙是将锚杆一端与工程结构物相连，另一端锚固在稳定的地层中新型挡土结构，它依靠工程结构物承受土压力，并利用锚杆与地层间的锚固力来维持结构物的稳定[1]。锚杆挡土墙与重力式挡土墙相比，具有土方工程量小、机械化作业快、安全系数高、有效控制边坡变位量等优势。由于锚杆挡土墙是一种轻型支挡结构，要求边坡荷载不宜过大，特别对边坡动荷载最为敏感；另外锚杆挡土墙对大变形边坡的控制效果不好，一旦边坡出现较大变位量，锚杆极易被拔出或出现支挡破坏[2]。

通过对锚杆受力和变形的分析，确定在普通锚杆的锁固端和托盘之间增加弹柔变形体，充分利用弹柔体的形变和应力缓冲，从而形成弹柔锚杆。在动荷载情况下，弹柔体可在锁固端与托盘间形成有阻尼的荷载传递，减缓经由托盘直接传递给锚杆的动荷载；在大变形情况下，弹柔体可相应耗散变形势能，减少形变在锚杆杆体中的产生应力负担。

1 研究方法

对于锚杆的研究通常有两种途径，一种是现场应力测试，另一种就是数值模拟分析。虽然现场应力测试更加贴近于实际应用状态，但由于现场应力测试对试验条件要求严格，而且测试结果受到土层分布状态、加载等级和加载速度等各方面的影响，不能够精确判断锚杆的力学性能[3]。数值模拟分析是通过对锚杆杆体进行建模，采用数值分析软件对锚杆的力学性能进行计算，并对模拟成图结果开展分析，最终得到对锚杆力学性能的初步判定[4]。

FLAC3D(Fast Lagrangian Anlysis of Continua 3 Dimension)是美国ITASCA公司开发的一种三维快速拉格朗日分析程序,包含了11 种弹塑性材料本构模型,以及静力、动力、蠕变、渗流、温度等多种计算模式,可以模拟岩体、土体或其他材料实体等多种结构形式,以及梁、锚元、桩、壳等人工结构[5]。本研究所针对的弹柔锚杆是一种新型锚杆，因此更加适宜采用数值模拟分析。主要通过建立相同条件下的普通锚杆和弹柔锚杆的计算模型，采用FLAC3D 3.00进行分析。

2 结果与讨论

经过对普通锚杆和弹柔锚杆进行FLAC对比数值分析可得到如下结果。

1) 从锚杆在地层中产生的应力影响深度来看，弹柔锚杆对地层的整体影响深度要比普通锚杆深约25%，说明弹柔锚杆可以将荷载更有效的传递给地层；普通锚杆锚固端压应力影响深度要比弹柔锚杆深45%以上，而弹柔锚杆自由端拉应力影响深度则远大于普通锚杆，并且应力分布沿锚杆全长更为均匀，这说明弹柔锚杆的弹柔变形体有效缓解了荷载直接作用于锚杆杆体，使锚杆以相对缓和的方式向地层分级传递荷载，避免锚杆与地层的接触面上出现应力突变现象。如图1所示。

2) 从地层应力分布情况来看，锚杆锚固端对地层产生压应力，普通锚杆的最大压应力值为1.9763e-003，而弹柔锚杆的最大压应力值为1.3759e-003，也就是说，由于弹柔变形体的应力贡献，使得弹柔锚杆与普通锚杆相比还有约30%左右负载空间；锚杆自由端对地层产生拉应力，普通锚杆的最大拉应力值为1.7500e-002，而弹柔锚杆的最大拉应力值为4.9997e-002，是普通锚杆最大拉应力值的2.85倍，也就是说，弹柔锚杆可以更大限度地将荷载通过锚杆自由端传递给土层，从而为弹柔锚杆提供更为坚实的承载体。如图1所示。

3) 如图2所示，从锚杆锚固端平面土层的变形来看，普通锚杆的中心最大变形值为1.8946e-009，而弹柔锚杆的中心最大变形值为3.4459e-009，是普通锚杆最大变形值的1.8倍，也就是说，弹柔锚杆可以适应挡土墙的大变形承载，弹柔变形体能够更多的耗散变形势能对挡土墙的作用；同时，通过变形影响范围分析，显然弹柔锚杆要远大于普通锚杆，也就是说，弹柔锚杆可以更加有效地将荷载逐级分散到周围土层，即为弹柔锚杆提供更多的承载体来分担荷载作用，使得土层变形更为均匀。

图1 地层应力分布对比图

图2 锚固端平面变形分布对比图

4) 如图3所示，锚杆杆体的轴向应力均为拉应力，普通锚杆的最大拉应力值为4.769e+005，而弹柔锚杆的最大拉应力值为5.014e+005，说明弹柔变形体的应力缓冲效应可以使得弹柔锚杆更加缓和的将荷载传递给地层，与普通锚杆相比可提高约5%的应力承受能力，更加有利于充分发挥锚杆的材料强度。如图4所示，锚杆杆体产生的位移均表现为从自由端向锚固端逐渐增大的趋势，直到锚固端达到最大位移值，普通锚杆的最大值为6.608e-006，而弹柔锚杆的最大值为6.949e-006，比普通锚杆最大位移值略大5%，经分析确定此为弹柔变形体协调变形产生的结果。

图3 锚杆杆体轴向应力分布对比图

图4 锚杆杆体位移分布对比图

3 结论

弹柔锚杆与普通锚杆相比，具有承载能力高、逐级分散荷载能力强、有效耗散支护体变形势能、适于大变形支护等优势。经数值模拟验证，与普通锚杆相比，弹柔锚杆在相同条件下可以充分发挥弹柔变形体的形变和应力缓冲优势，锚杆应力整体影响深度深约25%，锚固端压应力承载高约30%，自由端拉应力承载高约1.85倍，锚杆整体应力值及变形均略大约5%。弹柔锚杆是特别适用于有大变形及动荷载要求的支护工程，具有广阔应用前景的新型锚杆体系。

[1]周肃非.锚杆挡土墙及其在陡坡路基中的应用[J].中国高新技术企业，2008(18)：258,260.

[2]曹霞,王晓蕾,陈飞.锚杆挡土墙在边坡防护工程中的应用[J].四川建筑,2005,25(5)：45-46.

[3]朱焕春.某边坡锚杆应力状态测试与分析[J].岩土工程学报,2000,22(4):471-474.

[4]李梅.三维锚杆的数值模拟方法[J].福州大学学报:自然科学版,2003,31(5):588-592.

[5]李晶晶,程祖锋,耿立立,等.基于FLAC3D的复合土钉支护数值模拟分析[J].河北工程大学学报：自然科学版,2011,28(3):5-8.