可回收錨索承載影響因素的數(shù)值模擬分析

俞春飛　殷振　何洲

摘要：普通錨索由于在支護(hù)功能失效后無法回收而對(duì)城市地下空間造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，使之成為亟需解決的問題。在基坑工程支護(hù)中，采用可回收錨索，不僅可以降低造價(jià)，更重要的是可以解決臨時(shí)支護(hù)造成的地下建筑垃圾的問題。文章采用小應(yīng)變土體本構(gòu)模型對(duì)可回收錨索承載的影響因素進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞：可回收錨索；HSS模型；有效應(yīng)力指標(biāo)；數(shù)值模擬；基坑工程支護(hù)；城市地下空間 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU757 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0093-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.046

土釘墻支護(hù)型式具有成本低、施工快速的優(yōu)點(diǎn)，是基坑工程一種主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，曾獲得廣泛應(yīng)用。但隨著地下空間開發(fā)利用過程中，大面積土釘墻的不可回收性從而造成對(duì)地下污染，影響后繼地下空間的開發(fā)利用，如地鐵建設(shè)中的盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)施工等。因此土釘墻已經(jīng)很少在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中因?yàn)槌^紅線問題而被采納，但可回收錨索具有快速施工、節(jié)約成本、基坑開挖空間大、節(jié)能環(huán)保而在工程實(shí)際中得到了一定的應(yīng)用。王東欣對(duì)深基坑中的可回收預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)進(jìn)行了探討。李克金在無錫某廣場(chǎng)深基坑工程中運(yùn)用旋噴可回收錨索。丁仕輝基于定值錨頭的可回收錨索設(shè)計(jì)與施工方法，工藝簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉、便于施工，回收率可達(dá)到100%。彭建忠等在佛山新城CBD超大基坑支護(hù)工程中采用了壓力型預(yù)應(yīng)力可回收錨索，并對(duì)回收率、錨固長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)力損失等關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論。

本文擬通過數(shù)值計(jì)算對(duì)可回收錨索受力和變形進(jìn)行分析，從而為可回收錨索的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 土體本構(gòu)模型及樁土模型

1.1 土體本構(gòu)模型

土體受力變形具有典型的應(yīng)力依賴性，土體偏應(yīng)力與主方向應(yīng)變成強(qiáng)非線性關(guān)系，而且不同深度處的土體的靜水壓力不同，在受力變形過程中產(chǎn)生超孔隙水壓力，均會(huì)對(duì)土體的有效應(yīng)力產(chǎn)生影響。為此對(duì)結(jié)構(gòu)與土共同作用進(jìn)行分析時(shí)，需要采用與土體應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的有效應(yīng)力本構(gòu)模型，目前公認(rèn)能反映土體非線性三軸應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，且能夠反映加卸模量不同的本構(gòu)模型為硬化土體小剛度模型（即HSS），偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)時(shí)偏應(yīng)力q與軸向應(yīng)變-的關(guān)系曲線，二者呈雙曲線關(guān)系，見式（1）所示。HSS本構(gòu)模型的塑性部分采用莫爾庫侖屈服面，見圖2所示。HSS本構(gòu)模型中，還需要輸入兩個(gè)參數(shù)，分別為式（2）和式（3）。

1.2 樁土界面本構(gòu)模型

錨索的錨固體采用水泥土復(fù)合體，通過與其周圍的土體發(fā)生相對(duì)滑移使界面摩阻力進(jìn)行發(fā)揮，本次數(shù)值計(jì)算時(shí)錨固體簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧琍LAXIS中提供了嵌入樁，該單元能夠?qū)崿F(xiàn)梁與周圍土體的切向和法向的相互作用，界面上存在兩個(gè)法向和一個(gè)切向，如圖3所示，其控制方程如式（4）所示，由該式可見，兩個(gè)切向彈簧和一個(gè)法向彈簧的受力變形相互獨(dú)立，不耦合。錨固體端部也簡(jiǎn)化為彈簧，見圖4所示。

2 有限元模型的建立

采用15節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?nèi)切螁卧M(jìn)行網(wǎng)格剖分，得到圖5所示的有限元網(wǎng)格，單元數(shù)為424個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為3554個(gè)，在嵌入樁附近網(wǎng)格自動(dòng)進(jìn)行了加密，在嵌入樁一端施加水平向強(qiáng)制位移。

HSS本構(gòu)模型參數(shù)，只需要確定壓縮模量Es，其它模量與該模型成比例關(guān)系?？蓮牡乜眻?bào)告當(dāng)中查找到壓縮模量ES 0.1～0.2，判斷土體的軟硬程度，估算HSS本構(gòu)的四個(gè)剛度參數(shù)，通?？砂凑找韵玛P(guān)系選取：

3 有限元數(shù)值計(jì)算分析

軟黏土的壓縮模量為2MPa，圖6和圖7分別給出了錨固體埋置深度5m和10m時(shí)拉力與加載點(diǎn)的水平位移關(guān)系曲線，由圖可見，隨著錨固體長(zhǎng)度增加，拉力逐步增加，但不同錨固體長(zhǎng)度時(shí)初始剛度差別不大。圖8給出了土體類型對(duì)拉力與位移關(guān)系的影響圖，由圖可見，隨著土性參數(shù)變好，拉力極限承載力和上升段的剛度均有所增加。圖9給出了地下水位深度對(duì)拉力與位移關(guān)系曲線的影響圖，由圖可見，隨著地下水位的下降，作用于錨固體上有效應(yīng)力增加，從而增加了初始剛度和錨固體的極限抗力。

4 結(jié)語

基于PLAXIS平臺(tái)，采用平面應(yīng)變有限單元法，對(duì)錨固體的拉力與位移關(guān)系全曲線關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過分析得出：（1）埋置于土體中的可回收錨索拉力與位移關(guān)系曲線呈理想彈塑性受力變形特點(diǎn)；（2）錨固體的極限拉拔力與錨固體的長(zhǎng)度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行選??；（3）土層中地下水位的下降可較大程度上提高錨固體的承載力，因此在基坑應(yīng)用中可通過一定的降水提高錨固體的抗力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王東欣.深基坑可回收錨索施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014，（1）.

[2] 李克金.可回收預(yù)應(yīng)力錨索在深基坑工程中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2015，（5）.

[3] 丁仕輝.基于定值錨頭的可回收錨索設(shè)計(jì)與施工[J].巖土錨固工程，2015，（9）.

[4] 彭建忠，張正乾，劉少躍.預(yù)應(yīng)力可回收錨索在超大基坑工程中的應(yīng)用[J].廣東水利水電，2015，（2）.

作者簡(jiǎn)介：俞春飛（1983-），男，浙江諸暨人，杭州（九喬）國(guó)際商貿(mào)城江干區(qū)塊建設(shè)指揮部辦公室（中國(guó)杭州四季青服裝發(fā)展有限公司）工程師，注冊(cè)二級(jí)建造師，研究方向：土木工程、市政基礎(chǔ)設(shè)施工程。

（責(zé)任編輯：蔣建華）