預應力錨桿有限元分析在深基坑中的應用

魏運均 杜曉克

0 引言

隨著城市地下空間越來越多的開發，基坑支護形式得到很大發展。預應力錨桿支護以其經濟、可靠、支護深度大等顯著優點，在基坑工程中已得到廣泛應用。

某商用辦公樓地下2層，基坑開挖深度12 m左右，開挖土層分別為素填土層、中砂層、粉砂層、礫砂層、粉質粘土層，常年穩定水位為2.60 m。針對工程中基坑周邊構筑較多，地下水位高，地質為砂層，采用樁錨支護，高壓旋噴樁止水帷幕。施工中砂層不利于錨桿施工成孔，地下水位高，水壓力較大，不利于錨桿施工注漿，因此錨桿施工難度大。采用ANSYS有限元分析錨桿在巖土體中粘結應力的分布規律，得出錨桿施工中質量控制重點，采取技術措施，提高了施工質量，降低了因施工不當所帶來的施工成本增加的可能性。

1 有限元模型的建立

1.1 單元選取

建立模型時，由于錨桿、注漿錨固體與錨下巖土體存在著復雜的傳力關系，所以結合在一起建模。對錨桿和注漿錨固體及巖土體采用三維體單元，其中錨桿選用Link8單元模擬，注漿錨固體選用Solid65單元模擬，巖土體選用Solid45單元模擬。

1.2 模型建立

由于支護錨桿最長達25 m，錨固段長度18 m，有限元模擬分析單元數量較多，不利于提高模擬分析質量以及電腦運行速度等條件限制，本文對注漿錨固體有限元模擬采取縮小尺寸。注漿錨固體長度取500 mm建模，直徑150 mm，巖土體直徑450 mm，由于結構對稱，取1/4進行計算，模型圖見圖1。

1.3 參數選取

錨桿彈模取E=200 GPa，泊松比μ=0.3，線膨脹系數α=2e－5，預應力σp=357 MPa;注漿錨固體按C40取，彈模E=34 GPa，泊松比 μ =0.2;巖土體彈模 E=50 MPa，泊松比 μ =0.4，粘聚力為30 kPa，內摩擦角20°。注漿錨固體是線彈性的本構模型，巖土體采用Drucker-Prager材料的本構模型。

1.4 網格劃分

使用MAPPED劃分出精度較準確的六面體八節點單元，如圖2所示。

1.5 邊界條件

在對稱面上加對稱約束，巖土體底面和上端面加支撐約束，注漿錨固體與巖土體之間加摩擦約束，摩擦系數取0.65。以降溫法模擬預應力錨桿的預應力，預應力對應的溫度變化值。

2 有限元計算結果分析

1)預應力錨桿一根鋼絞線錨固段有限元模型Mises應力云圖如圖3，圖4所示。

由圖3可知，預應力錨桿產生的預應力主要集中在錨固段與自由段相連的起始區域和錨固段末端區域，應力從錨固段兩端向中間傳遞逐漸衰減，并在遠離兩端面的一定距離處趨于穩定。

由圖4可知，預應力錨桿鋼絞線在Z向路徑上Mises應力在兩端向中間逐漸傳遞并趨于穩定。

預應力錨桿兩根鋼絞線錨固段有限元模型Mises應力云圖如圖5所示。

由圖5可知，錨桿兩根鋼絞線錨固段的應力分布規律與一根鋼絞線錨桿一致，應力從錨固段兩端逐漸向中間傳遞衰減。這與預應力錨固區基本原理預應力的傳遞，需要經過一個傳遞長度才能達到穩定的有效預壓應力是相符合的。

2)錨桿錨固體周圍巖土體Mises應力云圖如圖6所示。

由圖6可知，錨固體周圍巖土體中部粘結應力最大，這符合壓力型錨桿粘結應力分布規律:錨固體在持續荷載作用下與巖土體間的粘結應力從前段向末端逐漸傳遞的規律。

3 施工中采取的技術措施

為提高錨桿施工質量，針對數值分析得出的結論，加強技術改進，提高錨桿錨固體的支護功能，工程施工中采取以下措施提高錨桿質量:

1)錨桿自由段套膠皮管并用膠帶固定，確保錨桿自由段調節應力的能力，避免應力集中;更好地將荷載完全傳遞給破裂面以外的穩定地層。

2)二次高壓注漿。注漿管深入孔內，提高灌漿壓力二次注漿，確保灌漿密實飽滿，錨桿錨固段漿體充盈有利于荷載傳遞，錨固體受力均勻。

3)采用泥漿護壁既能提高成孔率，又保證錨桿施工質量。工程地質為砂層且含水量豐富，使用XY-2G型干式鉆機鉆孔容易塌孔，在前期合理降水的條件下，避免大量降水后臨近建筑發生沉降，采用泥漿護壁保證成孔率，提高錨桿施工質量，節約了降水時間。

4)由于錨桿錨固末端錨固力比較集中的特點，在每支錨桿末端安裝擠壓錨具。擠壓錨具安裝在距錨固區末端30 cm處，起到鎖住鋼絞線、增加錨固力的作用。

表1 支護錨桿抗拔靜載試驗數據匯總表

4 錨桿張拉檢測

根據錨索檢測數量不少于總數的5%，且不應少于3根，對99支錨桿中隨機抽出5支進行抗拔試驗，5支達到了設計張拉值328 kN，試驗張拉檢測數據如表1所示。

檢測的5支錨桿回彈率從60.71%～79.27%較高，說明錨桿的自由段自由，從而避免因將自由段用水泥漿灌滿，當錨桿受力時，產生下列不良后果:灌漿體開裂，腐蝕的風險加大;不能將荷載完全傳遞給破裂面以外的穩定地層;當外力增加時，不能利用自由段調節應力，易產生應力集中;降低預應力錨桿的抗震效應;與測量拉力變化的錨桿，工作狀況不一致。工程中錨桿自由段施工質量較高，提高了錨桿在基坑支護的功效。

5支錨桿在每級持續加荷下沉降量Q—S曲線匯總見圖7。

從檢測的5支錨桿Q—S曲線圖中可知道錨桿每級持荷與累積上拔量曲線近似直線，錨頭位移穩定，支護錨桿抗拔承載力滿足設計要求。根據有限軟件對錨桿錨固體的三維模擬粘結應力分布，在錨桿施工中采取的技術措施既提高了錨桿施工質量，又有效保證錨桿支護功能。

5 結語

本文采用有限元三維模擬分析方法對預應力錨桿進行了力學性能的研究，得到以下結論:

1)預應力錨桿產生的預應力主要集中在錨固段與自由段相連的起始區域和錨固段末端區域，應力從錨固段兩端向中間傳遞逐漸衰減，在經過一個傳遞長度后在遠離兩端面的一定距離處趨于穩定。

2)錨固體周圍巖土體中部粘結應力最大，并且錨固體在持續荷載作用下與巖土體間的粘結應力從前段向末端逐漸傳遞。

通過有限元分析得出錨桿粘結應力分布規律，錨桿粘結應力集中在自由段與錨固段連接起始區域，并隨著加荷持續逐漸傳遞至錨桿端部，加強錨桿施工質量控制，增強基坑支護穩定性。

[1]程良奎，李象范.巖土錨固·土釘·噴射混凝土——原理、設計與應用[M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

[2]李 圍.ANSYS土木工程應用實例[M］.第2版.北京:中國水利水電出版社，2007.

[3]王連捷.巖土錨固工程中錨固體應力分布的有限元分析[J］.中國地質災害與防治學報，1998(9):14-19.