首層錨桿參數(shù)對基坑坡頂變形影響的有限元分析

楊文吉 焦兆利 孫國帥（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

首層錨桿參數(shù)對基坑坡頂變形影響的有限元分析

楊文吉 焦兆利 孫國帥
（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

摘 要：在以往論文中，研究土層錨桿參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性的影響很多。本文在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)通過Plaxis有限元軟件分析研究錨桿支護(hù)中首層錨桿參數(shù)對基坑坡頂?shù)淖冃斡绊懀瑸殄^桿支護(hù)設(shè)計提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：錨桿；基坑；變形；有限元

1引言

在基坑工程中，基坑變形對支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍建筑的影響是非常大的。控制基坑變形將大大減少基坑工程事故的發(fā)生。本文著力從首層錨桿的設(shè)置長度方面，總結(jié)以往室內(nèi)模型試驗(yàn)的研究成果以及結(jié)合工程實(shí)例運(yùn)用plaxis有限元軟件來探討首層錨桿參數(shù)對基坑坡頂變形的影響。

2室內(nèi)模型試驗(yàn)總結(jié)與分析

在汪班橋等人的室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元計算模型設(shè)計中得出的結(jié)論：在荷載作用下，靠近坡頂部的錨桿應(yīng)變最大，其余的幾排錨桿應(yīng)變較小．也就是說，由于在坡體上方施加荷載所引起的局部應(yīng)力集中，在錨桿支護(hù)中，坡頂部錨桿相對其他部位錨桿承受的荷載較多．從該結(jié)論中我們可以看到，加強(qiáng)首層錨桿的設(shè)計對控制坡頂變形是具有一定的意義。

3工程實(shí)例及有限元分析

某基坑工程開挖深度為10m，寬度為20m，采用0.35m厚的混凝土地下連續(xù)墻加兩排錨桿支撐，上排錨桿長17m，傾斜角為20°，下排錨桿19m，傾斜角為20度。地面附加荷載為q=10.0kPa，基坑深度范圍內(nèi)無地下水，如表1所示。

利用有限元軟件Plaxis8.2對基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，幾何模型采用平面應(yīng)變模型，單元設(shè)置為15節(jié)點(diǎn)，水平方向取40m，豎直方向取20m，地面超載取10kN/m2。由于基坑深度范圍內(nèi)無地下水，因此模擬過程不考慮基坑降水問題。為了更好的模擬土體行為，體現(xiàn)初次加載和卸載-再加載之間的剛度差異，本模型采用先進(jìn)的HS模型進(jìn)行模擬。

4有限元分析模擬結(jié)果

圖1給出了基坑開完過程的基坑水平位移圖，從該位移圖我們可以看出在首層錨桿錨固端的中上部分向前的附近區(qū)域出現(xiàn)位移最大，沿著錨固端中部陰影區(qū)域成一豎直的位移面，從錨桿端中部位移成斜向下的滑移面，在這些最大位移面圍成的區(qū)域，也是坡體發(fā)生位移最大的區(qū)域，這與德國學(xué)者Kranz提出的驗(yàn)算錨桿內(nèi)部穩(wěn)定性的假設(shè)具有一致性，首先在首層錨桿端部豎直向上形成以拉裂面，叫做“代替墻”，在其下部分區(qū)域形成一滑移面，整個土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，屬于錨桿端部深層滑縫導(dǎo)致的土體穩(wěn)定性破壞。該破壞模式的發(fā)生，首先在其錨桿錨固端中部出現(xiàn)，這也恰好與圖1中該處的的位移最大相同，因此驗(yàn)算錨桿內(nèi)部穩(wěn)定性的必要性也非常重要。這樣的破壞模式也常常會在錨桿端部地表出現(xiàn)一道平行基坑的裂縫，這道地表裂縫的開展最有可能發(fā)生的是在首層錨桿端頭。

5 錨桿自由端長度對坡定水平位移的影響

本方案在plaxis有限元軟件模擬的基礎(chǔ)上，保持第二層錨桿和其它條件不變，只調(diào)整首層錨桿自由端的長度，來模擬坡頂土體水平位移變化，將模擬出來的數(shù)據(jù)繪制成圖表，如圖2所示，從曲線中分析得出錨桿自由端長度從5m到8m，坡頂水平位移大致成線性變化，到9m的時候成水平直線，坡頂水平位移不再變化，說明調(diào)整錨桿自由端的長度只是在一定范圍內(nèi)能起到對坡頂水平位移的限制作用，超過一定適當(dāng)范圍，增加錨桿自由端長度將不再起到限制坡頂水平位移作用，或從曲線中看到，超過9m，坡頂水平位移突然陡增，預(yù)示坡頂土體產(chǎn)生滑坡的征兆，這跟錨固端深入土體太深有關(guān)，對淺層土體的位移限制作用，錨桿錨固端的貢獻(xiàn)作用越來越弱，導(dǎo)致淺層土體的位移急劇增加，因此在程序還沒有模擬完最后的工況，軟件終止模擬，彈出‘土體破壞’提示。

圖1 基坑水平位移

圖2 不同錨桿自由端長度下坡頂水平位移

表1土層厚度及物理力學(xué)性質(zhì)

結(jié)語

（1）為避免土層錨桿端頭在坡頂?shù)乇懋a(chǎn)生沿著基坑平行方向的裂縫，建議運(yùn)用Kranz法驗(yàn)算首層錨桿內(nèi)部穩(wěn)定性，確保錨桿長度滿足變形及穩(wěn)定性要求。

（2）從以上分許可以得出，首層錨桿對于控制坡頂變形有著一定的影響。適當(dāng)?shù)募娱L錨桿自由端長度，可以控制基坑坡頂水平位移；超過一定范圍的增加錨桿自由端長度，將不會起到控制坡頂水平位移，反而會加劇基坑坡頂?shù)乃轿灰啤?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]汪班橋，門玉明．土層錨桿的內(nèi)部穩(wěn)定性分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，42（03），382-386.

中圖分類號：TU470

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A