一种新型大直径多盘土锚承载力数值模拟分析

夏红兵,王佳威

(安徽理工大学 1.土木建筑学院;2.矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

土锚在深基坑支护、边坡加固等工程中发挥着不可替代的作用[1-3]。近年来国内外许多学者提出通过改变锚杆形状和施工技术来提高锚固力,从而获得更好的支护性能。如陈凡凡[4]研究发现伞式土锚与传统土锚相比,伞式土锚只需进行一次张拉就可获得锚杆所需承载力,并且可以有效提高土质边坡稳定性。吕权、孟凡元等人[5]研究发现在高水位地区施工时,抗浮锚杆施工技术可以有效避免地下水浮力的影响,保证施工安全与工程质量。Hamed Niroumand,Khairul Anuar Kassim[6]等人研究发现使用GFR加固可以显著提高圆形锚板的抗拔能力。文鹏宇[7]研究发现扩大头锚杆的承载力是普通锚杆的两倍多,扩大头直径宜为普通锚固段直径的2～3倍,扩大头长度宜为锚杆总长的三分之一。张博、夏红兵等人[8]通过专业的成腔工具在原等直径锚杆表面形成多个凸块,增大土锚与周围土体的接触面积,运用FLAC3D数值模拟软件分析发现,多凸块土锚可以在大幅度提高土锚极限抗拔承载力的同时减少土锚锚头位移。黄晓刚[9]通过理论分析与数值模拟并结合相关现场试验结果,证明囊式扩体锚杆可以达到预设极限承载力,并且在工程应用中,囊式扩体锚杆相对于灌注桩和普通锚杆更加具有优势。

在目前工程施工中,往往通过增加锚杆的长度[10-12]或增大扩大头直径[13-14]来提高锚杆的抗拔承载力[15],但这两种方法会降低施工效率、增加施工成本。为提高锚固力的同时降低工程造价,本文提出一种新型大直径多盘土锚,通过FLAC3D软件建立模型从极限承载力、侧摩阻力、轴力等方面进行研究,以获得更好的锚固性能,为日后的研究提供理论分析。

1 新型大直径多盘土锚介绍

新型大直径多盘土锚[16]是一种采用结构简单且易于实现的成盘工具在原等直径土锚表面形成多个较大盘径的盘体,其目的是利用被动土压力-Mazindrani(Rankine)理论[17],并且新型大直径多盘土锚的累积迎土面面积更大,可以显著提高土锚的锚固力。

本文中的成盘工具包括:1花管筒;2风动马达;3钢管;4进气管;5排土管;6推拉杆;7推拉杆等,如图1所示。

图1 成盘工具

具体成盘施工工艺:首先使用推拉杆将该扩孔装置送至已经形成的钻孔底部,然后回拉推拉杆,向进气管输送压缩空气,风动马达开始工作并带动花管筒旋转,花管筒表面的带齿链条在离心力作用下切削土体并逐渐向外扩展,切削出的土体在出土孔以及花管筒与风动马达间的间隙间从抽排土管排出,当扩孔作业完成时,关闭压缩空气,风动马达停止工作,花管筒表面的带齿链条逐渐停止旋转,并在磁吸力作用下,吸附在花管筒表面,向外回拉推拉杆,使该装置到达第二个扩孔位置,重复以上操作,同样方式完成扩孔;共扩孔多次,形成多个空腔。然后,在钻孔中放入带有对中支架的钢绞线,灌注水泥浆或水泥砂浆,待水泥浆或水泥砂浆固化后,得到新型大直径多盘土锚。

2 FLAC3D模型建立

2.1 计算模型

在建立FLAC3D模型计算模型时,模型取10m×10m×10m,土锚埋深H为10m,锚杆长6m,锚杆直径d为150mm,锚盘盘径D为350mm,锚盘间距S为1500mm,新型大直径多盘土锚共设置3个锚盘。土锚计算模型如图2所示,整体计算模型如图3所示。

图2 新型大直径多盘土锚计算模型

图3 整体计算模型

2.2 边界条件

模型顶部(土体表面)为自由边界,前后两侧面约束其沿y轴的方向位移,左右两侧面约束其沿x轴的方向位移,下表面约束其沿z轴的方向位移,另外,不在新型大直径多盘土锚第一个盘前的范围设置土体。

2.3 基本假设

为了解决对模型进行数值模拟时所存在的问题[18],如收敛性问题、误差等,提出适合模拟分析新型大直径多盘土锚承载力特性的假设,如下所示。

(1)新型大直径多盘土锚采用的弹性体符合均匀性假设、连续性假设和各向同性假设。

(2)土体为均匀连续各向同性的弹性体,符合Mohr-coulomb屈服准则。

(3)忽略实际施工中产生的误差和时间等因素的影响。

(4)新型大直径多盘土锚的承载特性基于锚土系统的共同作用原理。

(5)由于现场开挖支护时需要设置接触面连接新型大直径多盘土锚与土体,为方便模拟计算,假设迎土面内摩擦角φ为24°、粘聚力с为8kPa,背土面内摩擦角φ为24°、粘聚力с为0。

按照上述假设,如表1所示为模型相关参数。

表1 土体和土锚参数

3 新型大直径多盘土锚竖直方向承载力分析

3.1 新型大直径多盘土锚荷载-位移曲线分析

为了研究新型大直径多盘土锚与等直径土锚受力后承载力特性与位移之间的关系,分别对新型大直径多盘土锚和等直径土锚模型端部锚头施加竖直方向的面荷载,采用分级加载。初始加载为15KN,每级增加15KN的拉力,从而得到新型大直径多盘土锚和等直径土锚在各级荷载作用下的荷载-位移曲线,如图4、图5所示。

图4 新型大直径多盘土锚荷载-位移曲线

图5 新等直径土锚荷载-位移曲线

根据岩土锚杆(索)技术规程[19]中有关土锚破坏的规定可知,当后一级施加荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级施加荷载产生位移增量的2倍时土锚发生破坏。根据图4可以看出,新型大直径多盘土锚极限抗拔承载力为135KN,此时锚头位移为1.2597mm;根据图5可以看出,等直径土锚极限抗拔承载力为90KN,此时锚头位移为0.8634mm。在90KN荷载作用下,新型大直径多盘土锚锚头位移为0.658mm。新型大直径多盘土锚相较于等直径土锚极限抗拔承载力提高了50%、土锚锚头位移量减少了24.22%。

对比新型大直径多盘土锚荷载-位移曲线和等直径土锚荷载-位移曲线可以看出,随着施加荷载的不断增大,两个土锚锚头位移也不断增加,当施加荷载达到90KN时,此时等直径土锚已经达到极限抗拔承载力,但新型大直径多盘土锚还远没有达到。此外,相同荷载下,新型大直径多盘土锚锚头位移远小于等直径土锚。

由此可以得出,新型大直径多盘土锚不仅能够显著提高土锚的极限抗拔承载力,还可以有效降低土锚锚头位移量,具有很好的支护效果。

3.2 新型大直径多盘土锚竖向位移云图分析

运用FLAC3D数值模拟软件分别对新型大直径多盘土锚和等直径土锚模型中间竖向平面切片,取一半对称平面部分进行研究分析土锚模型在荷载作用下的竖向位移,新型大直径多盘土锚在135KN荷载作用下的竖向位移云图如图6所示,等直径土锚在90KN荷载作用下的竖向位移云图如图7所示。

图6 新型大直径多盘土锚在135KN荷载作用下的竖向位移云图

图7 等直径土锚在90KN荷载作用下的竖向位移云图

对比图6新型大直径多盘土锚在135KN荷载作用下的竖向位移云图和图7等直径土锚在90KN荷载作用下的竖向位移云图可以看出新型大直径多盘土锚和等直径土锚在各自极限抗拔承载力作用下的竖向位移变化规律有异同点,相同点:土锚竖向位移均呈现从上向下逐渐递减,左右对称,锚头位置处竖向位移最大,竖向位移由中间向左右两侧发散。不同点:由于新型大直径多盘土锚的锚盘分担施加的荷载,施加相同的荷载时,新型大直径多盘土锚产生的的竖向位移小于等直径土锚,并且竖向位移在锚盘处发生变化,锚盘处的位移由第一个锚盘至第三个锚盘逐渐递减。故根据分析可知,新型大直径多盘土锚能够有效提高土锚受到荷载作用时的稳定性、减少土锚竖向变形位移量,具有很好的支护效果。

3.3 新型大直径多盘土锚竖向位移云图分析

首先在FLAC3D数值模拟软件操作界面分别对新型大直径多盘土锚和等直径土锚模型模型特定位置进行横向切面,从而各自得到6个截面,获取截面各单元的ID号,然后在命令窗口输入对应的命令流得到各单元的应力值,再根据公式(1)计算得到第i个截面轴力值Fi。

Fi=σisi

(1)

公式(1)中:σi为截面的平均应力;si为截面的面积。

新型大直径多盘土锚和等直径土锚模型在不同荷载作用下的土锚轴力变化规律如图8、图9所示。

图8 新型大直径多盘土锚轴力

图9 等直径土锚土锚轴力

对比图8新型大直径多盘土锚轴力图和图9等直径土锚土锚轴力图可以明显看出新型大直径多盘土锚和等直径土锚在不同荷载作用下的轴力变化规律有异同点,相同点:在相同的荷载作用下,随着土锚埋深的增加,新型大直径多盘土锚和等直径土锚的轴力逐渐降低;在土锚同一埋深位置处,随着施加荷载的增加,新型大直径多盘土锚和等直径土锚的轴力逐渐增大。不同点:通过观察两个土锚模型的轴力变化图,等直径土锚在同一荷载作用下,轴力随着土锚埋深的增加呈现直线下降,而新型大直径多盘土锚在同一荷载作用下,轴力随着土锚埋深的增加呈现阶梯式下降,并且轴力在锚盘位置出现陡降,这是因为锚盘的存在分担了施加的部分荷载,并使土锚与周围土体的接触面积变大,施加的荷载可以更好的传递到土锚的周围土体上,加强了土锚与周围土体的联合作用,提高土锚的极限抗拔承载力、减少了土锚的竖向位移。

对新型大直径多盘土锚模型的锚盘从锚头向下依次记为锚盘1、锚盘2和锚盘3,根据计算得到的截面轴力值,再按照公式(2)便可以计算出新型大直径多盘土锚第j个锚盘承担荷载δj。

δj=Fj-Fj-1

(2)

公式(2)中:Fj为第j个锚盘顶部截面的轴力;Fj-1为第j-1个锚盘底部截面的轴力。

新型大直径多盘土锚模型在不同荷载作用下各个锚盘承担的荷载如图10所示。

图10 锚盘承担荷载

从图10中不难看出,新型大直径多盘土锚模型3个锚盘承担的荷载均随着施加荷载的增加而增大,在施加荷载小于112.5KN时,锚盘1承担荷载>锚盘2承担荷载>锚盘3承担荷载,3个锚盘承担的荷载与施加荷载几乎成正比;在施加荷载大于127.5KN时,锚盘1承担荷载<锚盘2承担荷载<锚盘3承担荷载,锚盘1承载荷载增长率逐渐增大、锚盘2和锚盘3承担荷载增长率逐渐减小。当施加的荷载为新型大直径多盘土锚极限抗拔承载力135KN时,锚盘1承担荷载为13KN,锚盘2承担荷载为14.59KN,锚盘3承担荷载为15.737KN,锚盘承担总荷载为43.327KN,占比施加总荷载的32.094%。

3.4 新型大直径多盘土锚竖向应力云图分析

运用FLAC3D数值模拟软件分别对新型大直径多盘土锚和等直径土锚模型中间竖向平面切片,取一半对称平面部分进行研究分析土锚模型在荷载作用下的竖向应力,新型大直径多盘土锚在135KN荷载作用下的竖向应力云图如图11所示,等直径土锚在90KN荷载作用下的竖向应力云图如图12所示。

图11 新型大直径多盘土锚在135KN荷载作用下的竖向应力云图

图12 等直径土锚在90KN荷载作用下的竖向应力云图

对比图11新型大直径多盘土锚在135KN荷载作用下的竖向应力云图和图12等直径土锚在90KN荷载作用下的竖向应力云图可以明显看出新型大直径多盘土锚和等直径土锚在各自极限抗拔承载力作用下的竖向应力变化规律有异同点,相同点:由于土锚受到侧摩阻力作用将部分竖向应力传递到周围的土体上,新型大直径多盘土锚和等直径土锚在各自极限抗拔承载力作用下的竖向应力沿着土锚顶端向下逐渐递减。不同点:由于新型大直径多盘土锚的三个锚盘可以分担施加的部分荷载,所以新型大直径多盘土锚与等直径土锚相比可以承担更大的荷载,具有更好的承载性能,其在135KN荷载作用下的竖向应力在锚盘位置处发生突变,竖向应力云图呈现“丰”字型分布。

3.5 新型大直径多盘土锚侧摩阻力分析

新型大直径多盘土锚各段的侧摩阻力fm,n可以根据已计算得出的轴力值,再依据公式(3)得出。

fm,n=Fm,n-Fm,n-1

(3)

公式(3)中:Fm,n为在荷载m作用下高度为n处的轴力值;Fm,n-1第为在荷载m作用下高度为n-1处的轴力值。

新型大直径多盘土锚和等直径土锚模型在不同荷载作用下各段的侧摩阻变化规律如图13、图14所示。

图13 新型大直径多盘土锚侧摩阻力

图14 等直径土锚侧摩阻力

从图13中我们可以看出,新型大直径多盘土锚侧摩阻力整体上随着施加荷载的增大而增加,当施加荷载小于75KN时,四段侧摩阻力与施加荷载几乎成正比关系;当施加荷载位于75～150KN区间时,-3.05～-4.50m和-4.65～-6.00m两段的侧摩阻力增长率基本保持稳定,仍与施加荷载成正比,0.00～-1.50m和-1.45～-2.90m两段的侧摩阻力增长率降低,图像呈现“凸”字形;当施加荷载大于150KN时,0.00～-1.50m、-1.45～-2.90m和-3.05～-4.50m三段的侧摩阻力增长率与施加荷载成正比,侧摩阻力稳定增大,-4.65～-6.00m段的侧摩阻力图像呈现“凹”字形。观察图14可以发现,当施加荷载小于60KN时,四段侧摩阻力稳定增大且与施加荷载成正比;当施加荷载大于60KN时,0.00～-1.50m段的侧摩阻力先增大后减小,-1.50～-3.00m段的侧摩阻力增长率逐渐减小,-3.00～-4.50m段的侧摩阻力增长率基本不变,仍与施加荷载成正比,-4.50～-6.00m短的侧摩阻力增长率逐渐增大。对比两图,可以看出在相同荷载作用下,新型大直径多盘土锚的侧摩阻力要小于等直径土锚,由于锚盘分担了施加的部分荷载,故新型大直径多盘土锚可以承担更大的荷载,具有更好的支护效果。

4 结论

根据上述数值模拟分析得出,在相同条件下,新型大直径多盘土锚可以有效提高等直径土锚的极限抗拔承载力,当施加相同的荷载时,由于新型大直径多盘土锚锚盘分担了施加的部分荷载,从而减少新型大直径多盘土锚受力产生的位移。在工程施工中,只需使用扩孔成盘装置就可以制造出预设锚盘厚度的新型大直径多盘土锚,大幅度提高了土锚的锚固效果,节约成本,经济适用性强。

新型大直径多盘土锚的极限抗拔承载力相较于等直径土锚提高了50%,新型大直径多盘土锚和等直径土锚在各自极限抗拔承载力作用下,新型大直径多盘土锚的竖向位移相较于等直径土锚减少了24.22%,故新型大直径多盘土锚有更好的支护效果。

新型大直径多盘土锚和等直径土锚竖向位移均呈现从上向下逐渐递减,左右对称,锚头位置处竖向位移最大,竖向位移由中间向左右两侧发散。

新型大直径多盘土锚的三个锚盘使土锚与周围土体的接触面积变大,可以将更多的荷载传递到周围土体上,加强了土锚与周围土体的联合作用,减缓了土锚侧摩阻力的增长速度,当新型大直径多盘土锚达到极限抗拔承载力时,三个锚盘分担的荷载占施加总荷载的32.094%。