錨桿擋土墻三維有限元分析

引言
　　預應力錨桿擋墻是用于基坑開挖和邊坡穩(wěn)定的一種新型的支護技術(shù)，是賈金青博士于20世紀90年代初提出并應用于實際的[1]，該方法由于其工程造價低，施工方便，變形小和施工安全等顯著優(yōu)點，在我國已得到廣泛應用。但到目前為止尚未有一個較為完善的計算模型能模擬其支護機理和力學性能，且其理論明顯滯后后工程實踐。且目前對預應力錨桿擋墻的研究多集中在土體中[2,3]，基于此，本文采用數(shù)值計算方法對預應力錨桿擋墻在破碎巖體中的應用進行分析研究，以期能對理解預應力錨桿擋墻的工作機理有所裨益。
　　2 三維有限元模型的建立
　　2.1 計算參數(shù)取值
　　為了使分析具有一般意義，建立理想化模型。錨桿擋土墻高9m，墻頂為一6m寬的道路，荷載為25Kpa，豎直開挖，預應力錨桿孔徑為130mm，錨桿鋼筋采用Φ36二級鋼筋，預應力錨桿長9m，其中自由段5m，內(nèi)錨固段4m，初始預應力值為100kN，預應力錨桿間距為2.5m×2.5m，傾角15°。錨桿擋墻肋柱為300mm×400mm，擋土板厚度為200mm。巖體、擋土板和肋柱均采用SOLID45單元,錨桿采用三維桿單元LINK8單元模擬。巖體彈性模量E=300MPa，重度為22kN/m3,粘結(jié)力c=30Kpa,內(nèi)摩擦角為25°，泊松比為0.35。錨桿彈性模量E=2e5MPa，重度為78kN/m3,泊松比為0.2，根據(jù)有關(guān)參數(shù)，計算錨桿極限承載力為216kN?；炷翉椥阅Ａ縀=28000MPa，重度為25kN/m3, 泊松比為0.25。
　　2.2 計算范圍、邊界條件的確定
　　計算范圍對計算結(jié)果的影響是比較明顯的，參考以往計算經(jīng)驗和文獻報道[4，5]，取計算范圍為：坡腳到左端邊界的距離為開挖深度的1.5倍，坡腳到右邊邊界的距離為4開挖深度的4.5倍，上下邊界總高為2倍開挖深度。
　　邊界條件為：底面邊界加Y方向的約束；兩個側(cè)面采用滾動支座，豎直方向沒有約束，可自由滑動，產(chǎn)生豎向位移；前后土體不能相互擠壓，模型的前后邊界加Z方向的約束。
　　2.3 三維有限元模型的建立
　　取一列預應力錨桿的作用范圍作為分析對象，建立的三維有限元模型主要考慮具有有限尺寸的一列預應力錨桿對半無限薄層巖體的整體三維作用。根據(jù)上述參數(shù)及邊界條件，進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，模型的單元劃分基本上都用了手動控制，選取六面體八節(jié)點等參單元進行劃分，從而使單元形狀比較規(guī)則，盡量避免相鄰網(wǎng)格大小發(fā)生突變，如圖1所示。
　　
　　2.4 預應力錨桿擋土墻“逆作法”施工過程的模擬
　　錨桿擋土墻的施工是一個邊開挖邊支護的過程，在有限元計算中，對錨桿擋墻邊開挖邊支護的施工過程進行了模擬。其具體步驟如下：
　　第一步殺死LINK8單元，即錨桿不起作用，計算自重應力場。
　　第二步開挖至-2.0m，殺死相應的土體單元；
　　第三步開挖至-4.5m，同時施作擋墻至-2.0m，激活第一排預應力錨桿；
　　第四步開挖至-7.0m，同時施作擋墻至-4.5m，激活第二排預應力錨桿；
　　第五步開挖至-9.0m，同時施作擋墻至-7.0m，激活第三排預應力錨桿；
　　第六步施作擋墻至-9.0m。
　　第七步加坡頂?shù)缆泛奢d25kN/m2。
　　3 邊坡位移和錨桿軸力分析
　　3.1水平位移分析
　　預應力錨桿擋墻支護邊坡與普通錨桿擋墻支護邊坡的水平位移比較見圖2所示。從圖2中可以看出，較普通錨桿擋墻支護，預應力錨桿擋墻支護時邊坡開挖面的水平位移整體形狀并未改變，呈“鼓肚子”現(xiàn)象，但水平位移的量值要減小一些，最大水平位移從4.12mm減小到3.88mm，減小約5.8％。
　　
　
　　3.2預應力錨桿錨固段軸力分析
　　預應力錨桿分為自由段和錨固段。預應力錨桿桿體與土體之間的剪切荷載傳遞只發(fā)生在錨固段，因此預應力錨桿在自由段長度上的拉力大小是相等的。預應力錨桿錨固段的軸力隨荷載步的分布變化見圖3。
　　從圖中，我們可以看出，錨桿錨固段軸力在與自由段相接的地方最大，遠端最小，軸力變化呈曲線分布，各荷載步軸力分布曲線形狀基本一樣。隨著開挖的進行，預應力錨桿錨固段軸力增大，這是因為隨著開挖的進行，巖體的變形增大，導致錨桿錨固段的軸力增大，因此錨固段的軸力隨著開挖深度的增加而增大。
　
　　4結(jié)論
　　通過建立三維有限元模型，對預應力錨桿擋土墻與普通錨桿擋土墻的水平位移、錨桿軸力變化的等進行了分析，探討了預應力錨桿擋土墻的作用，得出以下結(jié)論：
　　（1）預應力錨桿擋墻較普通錨桿擋墻能更好地控制邊坡的水平位移。
　?。?）錨桿錨固段軸力在與自由段相接的地方最大，遠端最小，軸力變化呈曲線分布。
　?。?）隨著開挖的進行，巖體的變形增大，導致錨桿錨固段的軸力增大，因此錨固段的軸力隨著開挖深度的增加而增大。