擴大頭錨桿-土體相互作用數(shù)值模擬與分析

擴大頭錨桿應用越來越廣泛。本文對擴大頭錨桿采用數(shù)值模擬的方法，獲得擴大頭錨固結(jié)構(gòu)的應力場，位移場以及擴大頭端頭在提高錨固體錨固力方面的作用。
　　1   有限元模型的建立
　　錨固體混凝土采用理想線彈性材料模型，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。土體C值為6kPa，值為25°，容重γ為13.92。錨桿擴大頭直徑為100mm，長500mm。幾何模型上，接觸面附近的土體采用較密的網(wǎng)格單元，較遠的土體采用較稀的網(wǎng)格。樁土網(wǎng)格劃分如圖1所示。
　　2   模擬結(jié)果分析
　　加載步共118步，典型增量步的Mises應力、豎向位移U2與擴大端頭附近土體的等效塑性應變PEEQ等值線圖如圖2～圖10所示。
　　2.1 Mises應力等值線圖
　　通過Mises應力等值線圖可以較清楚得看到擴大頭錨桿桿體應力的變化情況。隨著荷載的增加，錨桿自上而下應力發(fā)生變化，錨桿側(cè)壁摩阻力逐漸發(fā)揮作用，在此期間，擴大頭附近土體Mises應力變化不明顯（小于0.001 MPa）。荷載繼續(xù)增加，錨桿的Mises應力向下發(fā)展，此時擴大頭端頭附近土體的應力狀態(tài)開始發(fā)生變化。土體應力變化范圍自端頭兩側(cè)開始，逐漸向上部土體擴展。錨桿桿體擴大頭段應力變化趨于穩(wěn)定（0.001～0.474MPa），應力變化范圍主要發(fā)生在端頭附近土體部分（0.001MPa～0.474 MPa），擴大頭端頭效應明顯。
　　2.2 豎向位移U2等值線圖
　　通過數(shù)值模擬的豎向位移云文圖可知，位移自上而下逐漸變大，即錨桿側(cè)摩阻力是自上而下逐漸發(fā)揮作用的。隨著荷載的增加，擴大頭段產(chǎn)生豎向位移，擴大端頭開始擠壓土體，上部土體產(chǎn)生較大的位移，并且以擴大頭為中心，擴大端頭對周圍土體的影響范圍不斷擴大。在加載的中后期，錨桿擴大頭段的位移增量較小（0.81～0.89mm），錨桿的位移變化主要在錨固段（0.89～1.50mm），擴大頭效應明顯。
　　2.3   等效塑性應變PEEQ等值線圖
　　在擴大端頭的作用下，首先出現(xiàn)塑性區(qū)的部位發(fā)生在擴大端頭的兩側(cè)，即擴大端頭兩側(cè)的土體首先達到抗剪強度，發(fā)生塑性應變（0.001～0.444）。隨后塑性區(qū)與擴大端頭成一定角度向上發(fā)展。待塑性區(qū)向上發(fā)展到錨桿錨固段時，開始向兩側(cè)發(fā)展，塑性區(qū)面積不斷增大。塑性區(qū)面積增大的過程，也是錨桿位移不斷增大、端頭附近土體不斷被壓密的過程，這個過程中，塑性區(qū)面積的增長較快。待塑性區(qū)連通后，外圍塑性區(qū)擴展開始變慢，更大的塑性應變開始在擴大端頭的兩側(cè)土體中產(chǎn)生，塑性應變值大于1.313。
　　3   結(jié)語
　　通過分析Mises應力、豎向位移U2以及等效塑性應變PEEQ等值線圖可知，不同直徑的錨桿與土體之間的相互作用相似：隨著荷載的增加，擴大頭錨桿自上而下逐漸發(fā)揮作用，當擴大頭段產(chǎn)生豎向位移時，擴大端頭兩側(cè)土體的應力狀態(tài)最先發(fā)生變化，有應力集中的現(xiàn)象。加載過程中，擴大端頭對附近土體的應力狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，導致土體應力重新分布，直至土體在新的應力狀態(tài)下發(fā)生剪切破壞，端頭效應顯著。普通錨桿承載力由側(cè)壁-土體之間的相互作用，即側(cè)壁摩阻力控制。
　　另外，通過模擬不同擴大頭直徑可知，在小變形的情況下，直徑越大，錨桿承載力越高，在擴大頭錨桿加載后期，錨桿抗拔力提高的潛力越大。對于擴大頭錨桿，特別是大直徑擴大頭錨桿，在允許錨桿出現(xiàn)一定位移的情況下，錨桿承載力由端頭附近土體的排水抗剪強度以及端頭附近錨固體的強度來控制。