彈柔錨桿在擋土墻支護中的數值模擬

高 林，李長洪，徐國強

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083；2.河北聯合大學河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063009)

錨桿擋土墻是將錨桿一端與工程結構物相連，另一端錨固在穩定的地層中新型擋土結構，它依靠工程結構物承受土壓力，并利用錨桿與地層間的錨固力來維持結構物的穩定[1]。錨桿擋土墻與重力式擋土墻相比，具有土方工程量小、機械化作業快、安全系數高、有效控制邊坡變位量等優勢。由于錨桿擋土墻是一種輕型支擋結構，要求邊坡荷載不宜過大，特別對邊坡動荷載最為敏感；另外錨桿擋土墻對大變形邊坡的控制效果不好，一旦邊坡出現較大變位量，錨桿極易被拔出或出現支擋破壞[2]。

通過對錨桿受力和變形的分析，確定在普通錨桿的鎖固端和托盤之間增加彈柔變形體，充分利用彈柔體的形變和應力緩沖，從而形成彈柔錨桿。在動荷載情況下，彈柔體可在鎖固端與托盤間形成有阻尼的荷載傳遞，減緩經由托盤直接傳遞給錨桿的動荷載；在大變形情況下，彈柔體可相應耗散變形勢能，減少形變在錨桿桿體中的產生應力負擔。

1 研究方法

對于錨桿的研究通常有兩種途徑，一種是現場應力測試，另一種就是數值模擬分析。雖然現場應力測試更加貼近于實際應用狀態，但由于現場應力測試對試驗條件要求嚴格，而且測試結果受到土層分布狀態、加載等級和加載速度等各方面的影響，不能夠精確判斷錨桿的力學性能[3]。數值模擬分析是通過對錨桿桿體進行建模，采用數值分析軟件對錨桿的力學性能進行計算，并對模擬成圖結果開展分析，最終得到對錨桿力學性能的初步判定[4]。

FLAC3D(Fast Lagrangian Anlysis of Continua 3 Dimension)是美國ITASCA公司開發的一種三維快速拉格朗日分析程序,包含了11 種彈塑性材料本構模型,以及靜力、動力、蠕變、滲流、溫度等多種計算模式,可以模擬巖體、土體或其他材料實體等多種結構形式,以及梁、錨元、樁、殼等人工結構[5]。本研究所針對的彈柔錨桿是一種新型錨桿，因此更加適宜采用數值模擬分析。主要通過建立相同條件下的普通錨桿和彈柔錨桿的計算模型，采用FLAC3D 3.00進行分析。

2 結果與討論

經過對普通錨桿和彈柔錨桿進行FLAC對比數值分析可得到如下結果。

1) 從錨桿在地層中產生的應力影響深度來看，彈柔錨桿對地層的整體影響深度要比普通錨桿深約25%，說明彈柔錨桿可以將荷載更有效的傳遞給地層；普通錨桿錨固端壓應力影響深度要比彈柔錨桿深45%以上，而彈柔錨桿自由端拉應力影響深度則遠大于普通錨桿，并且應力分布沿錨桿全長更為均勻，這說明彈柔錨桿的彈柔變形體有效緩解了荷載直接作用于錨桿桿體，使錨桿以相對緩和的方式向地層分級傳遞荷載，避免錨桿與地層的接觸面上出現應力突變現象。如圖1所示。

2) 從地層應力分布情況來看，錨桿錨固端對地層產生壓應力，普通錨桿的最大壓應力值為1.9763e-003，而彈柔錨桿的最大壓應力值為1.3759e-003，也就是說，由于彈柔變形體的應力貢獻，使得彈柔錨桿與普通錨桿相比還有約30%左右負載空間；錨桿自由端對地層產生拉應力，普通錨桿的最大拉應力值為1.7500e-002，而彈柔錨桿的最大拉應力值為4.9997e-002，是普通錨桿最大拉應力值的2.85倍，也就是說，彈柔錨桿可以更大限度地將荷載通過錨桿自由端傳遞給土層，從而為彈柔錨桿提供更為堅實的承載體。如圖1所示。

3) 如圖2所示，從錨桿錨固端平面土層的變形來看，普通錨桿的中心最大變形值為1.8946e-009，而彈柔錨桿的中心最大變形值為3.4459e-009，是普通錨桿最大變形值的1.8倍，也就是說，彈柔錨桿可以適應擋土墻的大變形承載，彈柔變形體能夠更多的耗散變形勢能對擋土墻的作用；同時，通過變形影響范圍分析，顯然彈柔錨桿要遠大于普通錨桿，也就是說，彈柔錨桿可以更加有效地將荷載逐級分散到周圍土層，即為彈柔錨桿提供更多的承載體來分擔荷載作用，使得土層變形更為均勻。

圖1 地層應力分布對比圖

圖2 錨固端平面變形分布對比圖

4) 如圖3所示，錨桿桿體的軸向應力均為拉應力，普通錨桿的最大拉應力值為4.769e+005，而彈柔錨桿的最大拉應力值為5.014e+005，說明彈柔變形體的應力緩沖效應可以使得彈柔錨桿更加緩和的將荷載傳遞給地層，與普通錨桿相比可提高約5%的應力承受能力，更加有利于充分發揮錨桿的材料強度。如圖4所示，錨桿桿體產生的位移均表現為從自由端向錨固端逐漸增大的趨勢，直到錨固端達到最大位移值，普通錨桿的最大值為6.608e-006，而彈柔錨桿的最大值為6.949e-006，比普通錨桿最大位移值略大5%，經分析確定此為彈柔變形體協調變形產生的結果。

圖3 錨桿桿體軸向應力分布對比圖

圖4 錨桿桿體位移分布對比圖

3 結論

彈柔錨桿與普通錨桿相比，具有承載能力高、逐級分散荷載能力強、有效耗散支護體變形勢能、適于大變形支護等優勢。經數值模擬驗證，與普通錨桿相比，彈柔錨桿在相同條件下可以充分發揮彈柔變形體的形變和應力緩沖優勢，錨桿應力整體影響深度深約25%，錨固端壓應力承載高約30%，自由端拉應力承載高約1.85倍，錨桿整體應力值及變形均略大約5%。彈柔錨桿是特別適用于有大變形及動荷載要求的支護工程，具有廣闊應用前景的新型錨桿體系。

[1]周肅非.錨桿擋土墻及其在陡坡路基中的應用[J].中國高新技術企業，2008(18)：258,260.

[2]曹霞,王曉蕾,陳飛.錨桿擋土墻在邊坡防護工程中的應用[J].四川建筑,2005,25(5)：45-46.

[3]朱煥春.某邊坡錨桿應力狀態測試與分析[J].巖土工程學報,2000,22(4):471-474.

[4]李梅.三維錨桿的數值模擬方法[J].福州大學學報:自然科學版,2003,31(5):588-592.

[5]李晶晶,程祖鋒,耿立立,等.基于FLAC3D的復合土釘支護數值模擬分析[J].河北工程大學學報：自然科學版,2011,28(3):5-8.