多凸块土锚抗拔特性数值模拟分析

2022-10-13夏红兵蔡海兵

黑龙江工业学院学报(综合版) 2022年9期

张博，夏红兵，蔡海兵

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

锚杆在基坑工程、边坡工程中起着重要的作用[1-4]。为提高土锚的支护性能，近年来许多专家提出改变锚杆的形状及施工技术来提高锚杆的承载力[5-7]。如多段扩大头锚杆[8]，囊式扩体锚杆[9-10]等。与普通锚杆相比，扩大头锚杆变截面处迎土面的土体，受到被动土压力的作用，从而使扩大头锚杆的锚固力得到提升[11-12]。在相同条件下，扩大头锚杆的拉拔力比普通锚杆提高了30%～70%[13]。研究发现扩大头锚杆的承载力与扩体段的直径及掩埋深度具有一定的关系，随扩体段直径尺寸及掩埋深度的增大，其极限承载力得到较高幅度的提升[14-16]。相较于普通等径锚杆，在相同荷载作用下，扩大头锚杆及边坡的位移量更小，经济效益及支护效果更好，获得业界广泛认可与应用。

本文提出一种多凸块土锚，为研究该土锚的承载力，运用FLAC3D软件从极限抗拔力、沿杆身轴力、侧摩阻力、位移等方面进行研究，并与等径土锚做对比分析，以期取得较好的锚固性能。

1 多凸块土锚

多凸块土锚是用专业工具在土内成腔而成。成腔工具主要包括：内撑管、气囊、压板、回缩胶圈。气囊充气膨胀推动压板向外扩张，使得固定在压板上的凸块压进钻孔侧壁，气囊放气时套装在压板外侧的胶圈回缩，压板复位，于是在钻孔壁上形成空腔，灌注砂浆或水泥浆，固化后得到多凸块土锚。相较于等径土锚，该土锚沿杆身有规律的分布着凸块，凸块沿土锚侧壁嵌入土体。

2 计算模型

2.1 模型介绍

钻孔直径150mm，即该多凸块锚杆直径150mm，锚杆长6.8m，沿锚杆长度方向共设32个截面，每个截面上等间距分布8个凸块，凸块高度为30mm，轴向厚度35mm，环向长度35mm，如图1、图2所示，图1为多凸块土锚主视图的部分段，图2为多凸块土锚的截面图(a=35mm，b=30mm，c=35mm，d=150mm)，沿着土锚轴向,相邻凸块截面间净间距s取1倍锚杆直径。模型大小取10m×10m×9m进行数值模拟，模型如图3所示，为方便模型建立，将土锚水平掩埋至土体中。锚头位于模型的右侧边界，即ZOY面，距离土体上表面-5m的位置。模型四周及底部进行约束，模型上表面土体不做约束，多凸块土锚第一个凸块前的范围不设置土体。

图1 多凸块土锚主视图

图2 多凸块土锚截面图

图3 模型图

2.2 基本假设

(1)土体符合Mohr-coulomb弹塑性计算准则。

(2)锚杆为均质、连续的弹性体材料。

(3)忽略施工过程中的误差及土锚自身产生的影响。

(4)考虑实际工程中土锚与土层之间需要设置接触面连接，c,φ取土体摩擦参数0.6倍折减[17]。

(5)由于模型右侧边界已被约束，把距离锚头-0.15～0m范围内沿孔径方向半径0.12m周围的土体挖除[18]。根据上述假设，部分参数见表1。

表1 土层及锚杆参数

3 水平方向抗拔特性分析

3.1 Q-S曲线

为研究多凸块土锚与等径土锚受力后的承载特性与位移情况，在各自锚头位置处施加水平向的面荷载，采取阶梯式加载。从50KN开始，每次分段增加20KN的拉力，从而得到多凸块土锚与等径土锚在各级荷载下的位移分布规律曲线图，如图4所示。根据岩土锚固技术规程[19]知，当后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生的位移增量的2倍时土锚破坏。从图4中可以看出，当荷载增加至250KN等级时，多凸块土锚的位移增量符合上述结论，得知土锚破坏即达到极限承载力。在等径土锚上施加同样等级的拉力，当面荷载达到150KN时锚杆破坏。多凸块土锚相较于等径土锚的极限承载力提高了66.7%。图5、图6分别为多凸块土锚与等径土锚达到极限承载力时的水平位移云图，从云图中可以得出，沿锚杆轴向越靠近锚头的位置，位移均呈现出增大的趋势；沿锚杆径向，位移均呈现出减小的趋势。从图4荷载-位移曲线图中的规律可以大致看出，在相同荷载作用下等径土锚的位移要大于多凸块土锚。在168KN的相同荷载作用下，等径土锚的位移达到了3.101mm，而多凸块土锚的位移为1.0528mm，两者之间的位移差还会继续随着施加荷载等级的递增而越来越大，由此可以看出凸块的存在可减少锚杆的位移量。凸块嵌入在钻孔侧壁，能更好的与土体进行整体结合，有效的利用了土体的端承力及迎土面被动土压力，使土锚极限承载力提升的同时位移量更小。

图4 荷载—位移曲线图

图5 多凸块土锚在250KN作用下水平向位移云图

图6 等径土锚在150KN作用下水平向位移云图

3.2 多凸块土锚的轴力

通过FLAC3D软件输出相应单元体应力的平均值，运用相关公式(1)，即可得到所求轴力值Ni。

Ni=∑σiAi

(1)

式(1)中：Ai为所求相应单元的截面面积；σi为与Ai对应的应力。

由于多凸块土锚的凸块截面较多，为了绘图方便，将4个连续的凸块截面分为1组，共分8个组，组序号从锚头处开始计数。由此可以得到8个凸块组在不同等级荷载施加作用下，各自承担荷载情况的规律分布图，如图7所示。从图中大致可以看出，在不同荷载作用下，同一个凸块组承担的荷载与施加荷载呈正相关。随着施加荷载的不断增大，越靠前的凸块组承担荷载的增幅越大；在相同荷载作用下，凸块组承担的荷载随着水平掩埋深度的增大而减小，即前一个凸块组承担的荷载要大于后一个凸块组承担的荷载。其中第8个凸块组承担的荷载要大于其前几个组承担的荷载，造成这一现象的原因，可能是随着锚杆水平掩埋深度的加深，底部锚杆受力小，在有凸块与无凸块交界处轴力骤减，轴力差变大，使得凸块承担的荷载变大。

图7 凸块组承担的荷载

荷载作用下，土锚的轴力分布如图8、图9所示。图8为等径土锚轴力，图9为多凸块土锚轴力。在水平埋深相同位置的情况下，等径土锚与多凸块土锚的轴力都随着施加荷载的增大而增大。在同一荷载作用下，等径土锚的轴力与水平埋深大致成负相关；多凸块土锚的轴力随水平埋深的增加而减小，在凸块处轴力发生陡降，这说明凸块承担了较多的荷载。凸块的存在增加了锚杆与土体的接触面，有利于荷载更好的传递到锚杆周围的土体，加强了锚杆与土体的相互作用，使得多凸块锚杆的极限承载力得到提升。