抗浮锚杆加固土体的影响因素分析

邱知茂 黄晨曦

摘要：为研究抗浮锚杆加固土体受力变形的影响因素，利用数值软件建立抗浮锚杆和土体整体结构的二维有限元模型，明确单根锚杆下土体受力和变形情况，并通过设置不同的锚杆间距和变截面形状工况，提取有限元模型计算结构种的土体竖向位移和剪应力、等效应力数值，研究抗浮锚杆间距和变截面形状对抗浮锚杆加固土体的影响。研究结果显示：单根抗浮锚杆作用下，同一深度土体的竖向位移会随着远离锚杆而呈现减小的变化趋势。同一深度下的土体剪应力，随埋深增大表现为先变大再减小的变化形式，且与锚杆越近的土体，其剪应力数值越大。

關键词：抗浮锚杆；数值模型，竖向位移；剪应力

0   引言

在城市建设过程中，地下建筑的结构建设是其重要组成部分，由于降水等原因引起的地下水位不断升高，会导致地下结构受到的浮力不断增加。若其受到的浮力过大甚至大于结构自身重力，会引起地下建筑结构的严重损坏，为此如何增大地下结构的抗浮能力成为急需解决的问题[1]。抗浮锚杆作为一种抗浮性能强的抗浮方法，被广泛应用于地下建筑结构中[2]。针对抗浮锚杆的设计方法和土层的受力特点，国内外学者开展了大量研究。苗晋维[3]针对城市轨道交通地铁的地下车站工程，研究在其抗浮措施中采用抗浮桩和抗浮锚杆两种不同抗浮方法的差异。陈星杰[4]基于实际工程结构，研究了抗浮锚杆在地下室底板中的应用和设计优化。刘欢[5]对比分析了采用锚杆抗浮和配重抗浮两种抗浮措施的优缺点。本文建立抗浮锚杆和土体整体结构的二维有限元模型，分析单根锚杆下土体受力和变形分布，并通过设置10种锚杆间距工况，提取土体的竖向位移和剪应力特征，研究抗浮锚杆间距改变和对不同深度的土体变形受力的影响。

1   地下室防水施工要点

本文研究对象为某地下室结构，地下室底板以下主要为硬塑黏土。施工时需做好肥槽回填工作，防止肥槽积水渗入至抗水板之下产生浮力。肥槽回填前应清渣，并采用隔水性较好的黏土分层回填夯实。肥槽下部采用混凝土封闭。抗水板下应采用混凝土进行回填，不宜采用可能形成储水空间的材料回填，并做好地表水的防渗和疏排工作。

地下室防水工程应考虑地表水、毛细管水和地下水的影响，最高防水水位应不低于室外地坪0.5m。根据拟建物特征，应请设计单位对拟建物进行抗浮验算，抗浮措施采取抗浮锚杆。锚杆钢筋使用PSB830预应力螺纹钢筋，该钢筋材料强度高，变形小，并有专用连接器，不用车丝，不会损伤钢筋原材，多根连接情况下更易保证锚杆质量。

2   锚杆加固机理

建筑物受地下水位的影响，会受到浮力的作用。而抗浮锚杆的作用就像是建筑物的根系深入土层中，通过抗浮锚杆与土之间的摩擦力来确保建筑物更加稳定。在使用抗浮锚杆锚固时，主要考虑的问题主要包括两个方面：其一是抗浮锚杆自身的强度，包括锚固体强度，锚筋强度以及锚筋与锚固体之前的粘接强度。其二是土体的强度，包括土体的抗剪强度、孔隙率以及土体含水率等。

3   模型建立

为了分析抗浮锚杆加固土体的影响因素，本文利用有限元分析软件建立土体和抗浮锚杆的数值模型，研究抗浮锚杆和土体的受力和位移特点。已有研究表明，抗浮锚杆直径以及尺寸对土体加固有效作用范围影响有限，为了便于建立模型，本文采用等截面锚杆形式进行有限元建模。

3.1   材料模型和参数

针对抗浮锚杆连接的土层，采用有限元分析软件中的D-P模型进行模拟，以有效模拟土体材料在外力作用下的受力和变形特征。需定义的材料参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力及内摩擦角。本文建模时所使用的土体材料参数如表1所示。

针对抗浮锚杆结构，采用线弹性材料进行模拟，需定义的材料参数包括：密度、弹性模量、泊松比。抗浮锚杆材料参数如表2。

3.2   有限元模型

针对土体采用平面实体单元PLANE183进行数值建模，抗浮锚杆结构采用杆单元LINK180进行数值建模，锚杆直径为0.5m，长度为2m，土体长度、宽度分别为10m、5m。

在进行模型的网格划分时，选择的最小单元尺寸为0.05m。抗浮锚杆与土体直接通过共用节点进行连接完成力的传递。对土体底层所有节点进行全约束，对土体两个侧面节点进行垂向方向上的位移约束，来模拟实际边界的约束条件。施加的荷载为锚杆上端点的1mm位移荷载。单根抗浮锚杆及土体有限元模型如图1所示。

4   单根锚杆影响分析

4.1   土体竖向位移与单根锚杆位置关系

通过对单根抗浮锚杆的有限元模型计算，提取结构竖向位移结果，如图2所示。由图2可知，土体的竖向位移云图在整体上呈现倒圆锥形式，关于锚杆左右对称，从土体上表面至锚杆最下端，土体因锚杆受力变形位移不断变小，且随着锚杆不断远离，土体的变形位移在不断减小。

4.2   土体竖向位移随其深度变化状况

为了分析锚杆对土体变形位移影响，提取距锚杆不同深度的土体变形位移数值结果进行对比，如图3所示。由图3可知，同一深度土体的竖向位移会随着远离抗浮锚杆而呈现减小的变化趋势，表明锚杆越近土体的变形位移越强。当土体与锚杆之间距离达到2.5m时，土体基本不受到锚杆影响，其竖向位移近似为0mm。当土体距锚杆距离相同时，深度越大的土体其竖向变形位移越小。

4.3   土体剪应力随其深度变化状况

土体剪应力随其深度变化如图4所示。由图4可知，同一深度下的土体剪应力表现为先变大再减小的变化形式，且与锚杆越近的土体，其剪应力数值越大，埋深增大时其变化的程度也越大。距离锚杆不同距离的土体其最大剪应力出现的埋深也不同。

5   锚杆布置间距的影响分析

为研究锚杆间距的变化对土体受力变化的影响，本文通过有限元数值，计算研究锚杆布置间距对土体变形和受力的影响。

5.1   建立有限元模型

选取2根抗浮锚杆和土体的结构，并建立其有限元模型。有限元相关参數同单根模型一致。2根抗浮锚杆及土体有限元模型如图5所示。

5.2   10倍杆径间距工况土体竖向位移

共设置锚杆间距为1至10倍杆径的10种工况，分别计算不同工况下，土体竖向位移和土体剪应力结果，由于篇幅限制，本文仅以10倍杆径间距工况为例进行分析。

图6为工况为10倍杆径下土体竖向位移云图。由图6可知，与单根锚杆所得结论相同，在锚杆顶部的位移最大。且随着距离锚杆中心位置越远，所引起的土体变形越小，并且锚杆加固的影响范围有限。

提取10种工况下的土体竖向位移和土体单元的剪应力数据，汇总如图7所示。由图7a可知，两根锚杆之间土体随着埋深的增加其竖向位移数值不断减小，在3m深处土体基本没有变形位移，说明此处不受到锚杆的影响。当间距小于5倍杆径时，土体各埋深处的竖向位移变化不规律。当间距大于5倍杆径时，土体各埋深处的竖向位移变化均匀，说明仅当锚杆间距小于5倍杆径时锚杆受力上拔时，才会对杆间土体变形产生较大影响，且间距越小影响效果越大。

由图7b可知，土体剪应力会随着锚杆间距的减小而逐渐增大，同时以5倍杆径为分割点，仅当锚杆间距小于5倍杆径时，土体剪应力增加较大且不规律，局部易产生剪切破坏。

6   结束语

本文通过数值分析软件，建立抗浮锚杆和土体整体结构的二维有限元模型，研究单、双根锚杆下土体受力和变形特征，并通过提取不同的工况下的土体竖向位移和剪应力和等效应力数值，明确了抗浮锚杆间距对不同深度的土体变形受力的影响。主要研究成果如下：

单根抗浮锚杆作用下，同一深度土体的竖向位移会随着远离锚杆而呈现减小的变化趋势，当二者之间距离达到2.5m时，土体基本不受到锚杆影响位移为0mm。当土体距锚杆距离相同时，深度越大的土体其竖向变形位移越小，同一深度下的土体剪应力表现为先变大再减小的变化形式，且与锚杆越近的土体，其剪应力数值越大，埋深增大时其变化的程度也越大。

锚杆间距小于5倍杆径时，锚杆受力上拔会对杆间土体变形产生较大影响，且间距越小影响效果越大，同时土体剪应力增加较大且不规律，局部易产生剪切破坏。建议锚杆布置间距大于5倍杆径。

参考文献

[1] 张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨J].岩土工程学报，2009，31（9）：1445-1449.

[1] Han J，Wang N，Wang Y. Detection of anti-floating anchorin the underground space structure[J].Civil Engineeringand Technology，2013，2（3）.

[2] 周昱哲.地下室抗浮锚杆的设计分析[J].散装水泥，2022（2）：127-129.

[3] 苗晋维.抗浮锚杆在岩石地区地铁中的应用研究[J].价值工程，2023，42（6）：104-106.

[4] 陈星杰.抗浮锚杆布置的合理性研究[J].福建建设科技，2023（2）：25-27.

[5] 刘欢.抗浮锚杆在水池结构设计中的应用与分析[J].玻璃，2022，49（4）：43-49.