扩大头锚杆-土体相互作用数值模拟与分析

李坤 张月明 孙松

摘   要：本文应用有限元计算分析软件ABAQUS对扩大头锚杆进行数值模拟分析，较好地展示了扩大头锚杆-土体之间的相互作用。锚杆自上而下逐渐发挥作用，当扩大头段产生竖向位移时，锚杆侧壁摩阻力达到极限值，土体的应力状态不再发生较大变化;扩大头锚杆竖向位移越大，扩大端头附近土体的应力状态变化越大;扩大头直径越大，承载力越大。

关键词：扩大头锚杆  数值模拟  端头效应

中图分类号：TU472.36                            文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0053-03

Abstract： In this paper， finite element analysis software ABAQUS is used to simulate three different diameter anchors， and show the reamed end anchor-soil reciprocity better. Reamed end anchor gradually plays a role top-down. When the expansion section have a vertical displacement， the anchor sidewall friction limit reached， the stress state of soil is no longer changed large;The greater the reamed end anchor vertical displacement is， the bigger the soil stress state near the reamed end changes.

Key Words： Reamed end anchor; Numerical simulation; End effect

扩大头锚杆应用越来越广泛。本文对扩大头锚杆采用数值模拟的方法，获得扩大头锚固结构的应力场，位移场以及扩大头端头在提高锚固体锚固力方面的作用。

1  有限元模型的建立

锚固体混凝土采用理想线弹性材料模型，土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型。土体C值为6kPa，值为25°，容重γ为13.92。锚杆扩大头直径为100mm，长500mm。几何模型上，接触面附近的土体采用较密的网格单元，较远的土体采用较稀的网格。桩土网格划分如图1所示。

2  模拟结果分析

加载步共118步，典型增量步的Mises应力、竖向位移U2与扩大端头附近土体的等效塑性应变PEEQ等值线图如图2～图10所示。

2.1 Mises应力等值线图

通过Mises应力等值线图可以较清楚得看到扩大头锚杆杆体应力的变化情况。随着荷载的增加，锚杆自上而下应力发生变化，锚杆侧壁摩阻力逐渐发挥作用，在此期间，扩大头附近土体Mises应力变化不明显（小于0.001 MPa）。荷载继续增加，锚杆的Mises应力向下发展，此时扩大头端头附近土体的应力状态开始发生变化。土体应力变化范围自端头两侧开始，逐渐向上部土体扩展。锚杆杆体扩大头段应力变化趋于稳定（0.001～0.474MPa），应力变化范围主要发生在端头附近土体部分（0.001MPa～0.474 MPa），扩大头端头效应明显。

2.2 竖向位移U2等值线图

通过数值模拟的竖向位移云文图可知，位移自上而下逐渐变大，即锚杆侧摩阻力是自上而下逐渐发挥作用的。随着荷载的增加，扩大头段产生竖向位移，扩大端头开始挤压土体，上部土体产生较大的位移，并且以扩大头为中心，扩大端头对周围土体的影响范围不断扩大。在加载的中后期，锚杆扩大头段的位移增量较小（0.81～0.89mm），锚杆的位移变化主要在锚固段（0.89～1.50mm），扩大头效应明显。

2.3  等效塑性应变PEEQ等值线图

在扩大端头的作用下，首先出现塑性区的部位发生在扩大端头的两侧，即扩大端头两侧的土体首先达到抗剪强度，发生塑性应变（0.001～0.444）。随后塑性区与扩大端头成一定角度向上发展。待塑性区向上发展到锚杆锚固段时，开始向两侧发展，塑性区面积不断增大。塑性区面积增大的过程，也是锚杆位移不断增大、端头附近土体不断被压密的过程，这个过程中，塑性区面积的增长较快。待塑性区连通后，外围塑性区扩展开始变慢，更大的塑性应变开始在扩大端头的两侧土体中产生，塑性应变值大于1.313。

3  结语

通过分析Mises应力、竖向位移U2以及等效塑性应变PEEQ等值线图可知，不同直径的锚杆与土体之间的相互作用相似：随着荷载的增加，扩大头锚杆自上而下逐渐发挥作用，当扩大头段产生竖向位移时，扩大端头两侧土体的应力状态最先发生变化，有应力集中的现象。加载过程中，扩大端头对附近土体的应力状态产生较大的影响，导致土体应力重新分布，直至土体在新的应力状态下发生剪切破坏，端头效应显著。普通锚杆承载力由侧壁-土体之间的相互作用，即侧壁摩阻力控制。

另外，通过模拟不同扩大头直径可知，在小变形的情况下，直径越大，锚杆承载力越高，在扩大头锚杆加载后期，锚杆抗拔力提高的潜力越大。对于扩大头锚杆，特别是大直径扩大头锚杆，在允许锚杆出现一定位移的情况下，錨杆承载力由端头附近土体的排水抗剪强度以及端头附近锚固体的强度来控制。

参考文献

[1] 夏柏如，王贵和，方明东.端头扩大型土层锚杆技术[J].地质与勘探，1997， 333（3）：53-55.

[2] 曾庆义，李爱国.高吨位土层锚杆扩大头技术的工程应用[J].地基基础工程，2004，7（8）：58-61.

[3] 刘明振.扩底土锚抗拔承载机理的试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报，1996，28（2）：186-190.