可回收型锚杆应力分布规律的数值分析

2022-01-19吴显廷王宇涵李秋莎

山西建筑 2022年2期

吴显廷，王宇涵，李秋莎

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 概述

预应力锚杆作为工程支护(基坑、边坡)的一种重要的技术手段，由于其使用效果好、施工方便等原因，被广泛的应用于各种基坑及边坡支护工程中[1]。预应力锚杆早在20世纪初就开始被用作一种新的支护手段运用到实际工程中；预应力锚固技术逐渐走入大众眼里是在20世纪50年代～70年代，越来越多的人学习并使用这一技术并将它运用到工程中去，把该技术推到了一个新的高度。随着国民经济发展加快，我国城市建设力度也越来越大，城市地下空间的工程也越来越多，使得深基坑工程也增多，预应力锚杆的需求以及应用也逐渐变大。作为一种临时性支护措施，锚杆仅在工程建设支护初期发挥作用，如果建设完成后被永久埋藏于地下无法取出，这样不仅导致了极大的浪费，而且长期占用大量的地下空间、形成地下垃圾，给周围地下空间的开发利用造成了极大的不利[2]。

地块的使用范围在许多国家和地区是受到法律法规和一些规定限制了的。建设者在施工时是不被允许超过红线范围的，包括地下深度、地上高度建筑范围的长度和宽度等。但是，由于普通锚杆(索)会长期占据大量地下空间，因此其使用已逐渐受到限制。可回收型预应力锚杆因其可回收的机制不会遗留在地下空间造成环境污染，也不会对周边的地下工程造成影响而且还可以反复回收利用降低造价。

迄今为止，建筑用地范围和施工空间红线在我国很多城市和地区是被做了规范的，超出规定的范围及红线是不被允许的。其中，厦门、昆明的规定为限制锚杆支护穿越红线，但如果相邻业主同意的话也是可以越界的；武汉地区仅规定基坑支护结构(含锚杆)不得超出工程项目的规划红线范围，未对必要的越界行为提出相应解决措施；佛山对此的规定就比较严格，其规定了只要锚索超出了规定的工程用地红线范围就不得使用锚索了(见表1)。此外，许多城市比如广州、深圳、苏州等，虽然没有明确条文规定锚杆不能出红线，但在实际应用中，一般是以锚杆不能出本方红线为设计基础的。

表1 国内部分城市关于锚杆超出红线范围的相关规定

北京地区目前尚未出台政府性的文件来约束锚杆出用地红线的问题，相关应用也比较少。但是，在“丽泽SOHO基坑支护项目”“新起点嘉园二期(创辉大厦)基坑支护”等项目中，由于基坑周边涉及到规划地铁的情况，留置在土体中的钢绞线对后期地铁隧道暗挖施工不利，基坑使用结束后需要将其回收，必须使用可回收锚杆。可以预见，随着此类项目的增多，未来北京地区可回收锚杆的使用将会越来越普遍，可回收锚杆应用也必将愈加广泛，研究可回收型锚杆在北京地区的应用，具有非常广阔而深远的意义。

2 模型建立及计算分析

为了研究可回收锚杆与周边岩土体的作用机理，本节将采用有限差分数值模拟研究手段对可回收型锚杆孔壁处(浆液结石体外侧)沿轴线方向的剪应力、压应力分布规律进行分析。

2.1 力学模型的建立

为了建立合理的计算模型，结合前面关于可回收锚杆的锚固及作用机理，建立如图1所示的锚杆模型计算简图。由于可回收锚杆采用无粘结钢绞线，其锚固作用实际是通过钢绞线将拉力传递给承载板，再通过承载板给结石体施加压力。也就是说，可回收锚杆与周边围岩的相互作用主要是体现在浆液结石体上的，因此建模时只需要在承载板上施加对结石体的压力来模拟钢绞线的作用。最终建立的力学模型简图如图2所示。

2.2 计算模型与参数选取

FLAC3D全称为快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua)，该软件采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能非常准确地发现模拟材料的塑性破坏和流动，且无须形成刚度矩阵，采用较小的计算资源便可以求解大范围的三维岩土工程问题，因此，该软件由美国ITASCA公司推出后，广泛被岩土工程等领域所应用[3]。故本文用FLAC3D作为计算程序，建立的计算模型如图3所示，模型尺寸为10 m×10 m×20 m，共包括50 807个节点，48 760个单元。在模型底部施加固定约束；靠近外锚头的岩体表面为自由面，根据锚头垫墩所起的作用，将自由面处锚孔范围设为均布力约束，均布力大小等于锚杆施加的预应力除以接触面积；其余模型表面均采用法向位移约束。通过改变不同Group的材料属性分别计算压力集中型、压力分散型锚杆的受力状态，本研究共建立了三种锚杆模型，如图4所示，图4中灰色组为锚杆的承载板，黑色组为钻孔内的浆液结石体。

钻孔周边岩土体以及浆液结石体均选用Mohr-Coulomb模型，锚杆的承载板选用Elastic实体模型，围岩材料计算参数根据北京某基坑项目粉砂细砂层实测参数进行选取，各材料物理力学参数表如表2所示。

表2 各材料物理力学参数表

2.3 计算结果与分析

提取结石体与承载板的轴向力分布云图，如图5所示。可以看出承载板附近轴力的分布规律基本相同，由于钢绞线的拉力直接作用在承载板上，承载板周边结石体的压力最大，出现一定的压应力集中显现，随着与承载板距离的增加，结石体上的压力值逐渐减小。

对比不同承载体数目下结石体轴力的曲线图(见图6)，可以看出，由于可回收锚杆属于压力型锚杆，承载体数目发生变化时，各个锚固单元的受力规律没有发生变化，均是承载板附近结石体的压力值最大；在单根锚杆施加相同预应力的条件下，随着承载体数的增加，单条锚杆(结石体)的最大轴力值出现略微降低的现象，但是不甚明显，说明随着承载体数量的增加，有利于提高锚固体的受力性能。