巖土工程自適應錨位技術的有限元分析與應用

徐乾元

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司)

1 自適應有限元理論概述

自適應有限元理論要想判斷是否具有足夠的精度，必須參考計算所得的誤差信息。換言之，誤差較大的區域可以應用自適應有限元理論優化局部網格。計算機可以自動識別沒有達到精度要求的網格區域，并自動優化該類區域，使其達到精度要求。從這一角度而言，自適應有限元理論的應用可以自動調整算法，且求解的過程也在不斷改進中。研究者在初始網絡中輸入描述問題的幾何特性，并錄入其可接受網絡的誤差水平，計算機可根據需求自動算出滿足要求的網絡，從而提升了數據分析的效率及結果的可靠性。

2 巖土錨固自保護技術原理

處于工作狀態下的錨固體系在外力的作用下會使錨桿所受的力處于平衡狀態。若發生超載，錨固結構體系所受的外力增加，錨拉桿件的長度也隨之增高。因為施工條件的限制，錨拉桿件的長度不能隨之增加時，錨拉桿件就會斷裂，從而破壞了錨固體。但錨拉桿件長度無限度增加，其本身的應力就會下降。嚴重時還會產生變形。

鑒于上述原因，如何在確保錨桿應力的前提下使其充分拉伸是解決錨固體系自我保護的關鍵點。在錨拉桿件上安裝上塑性變形發生器，一旦該構件超出負荷就會產生塑性變形，以此保護錨拉桿件。自動保護裝置在鞏固錨拉應力的前提下，還可以最大限度保護錨桿。理論上講，根據設計需求不同，塑性變形程度也可以無線擴大。

3 巖體工程自適應錨位技術應用

3.1 設計工作

3.1.1 有限元體系設計

在設計有限元體系時要確保自協調結構體系和單元結構體系的協調能力。在外力的作用下給予構件可轉移多余荷載的空間。即使在單元結構中發生位移也不會對結構體系產生影響。重新組建結構體系，單元結構體系也會相應發生改變。重新組建的單元結構之間需留出一定的位移和變形空間，確保各個獨立的單元結構處于同一個整體結構體系中。

3.1.2 結構體系的設計

設計錨固支護結構是為了達到力平衡的作用，錨固體在巖土體壓力和錨固支護結構橫向支撐力的相互作用中達到受力平衡[1]，在平衡條件下利用有限元理論計算錨固力，方法簡單，實用性高。周圍巖土的平衡狀態在開挖巖土地下工程時被破壞，巖土體內部的應力重新分配成次應力，當次應力大于巖土承載力時周圍的土體將遭到破壞，此時要做好支護。使用自適應錨位技術進行支護，將錨固體系和周圍巖土體固定在一個整體支護結構中，可減少周圍土體的破壞。

3.2 自保護裝置試驗

巖土錨固體系自保護裝置（即塑性變形發生器）因其受力機理合理且工作性能良好，可以自動保護錨固體系，具有良好的應用前景。在自適應錨位技術施工前，試驗該保護裝置的安全性能是相當有必要的。

1）試驗對象

受剪體形狀不同所用到的試驗方案也不同，可將其形狀分為螺旋齒型和其他形狀齒型。

2）試件設計

裝置設計荷載的大小根據螺旋齒條的數量和齒寬決定，為確保荷載的穩定性需使用螺旋布置。設計齒條之間的間距時從兩點入手：①確定裝置尺寸后，根據螺旋的密度和齒條寬度確定極限荷載的大小；②盡可能避免荷載疊加，因而破壞前排齒剪切后，后排齒不能被擠壓。

本試驗的關鍵部分在于螺旋型的內芯，對于只起輔助作用的套筒的變形量在可控制的范圍內即可。鑒于上述原因，選材時螺旋型的內芯使用A3鋼，套筒選用高一級的鋼材。

3）試驗設備和測試系統

本試驗中使用INSTRON1346材料伺服壓力機。該試驗機有2種加載方式，即荷載控制加載和位移控制加載。前者加載時，需確保試驗機平板上的壓力和位移均勻；后者加載時，平板壓下的位移要保持一致。本試驗選擇后者控制加載。最大的位移數值為50mm，極限荷載數值為2000kN，加載速度控制為800sec。

對比荷載與位移變化曲線，得出如下結論。

①荷載大小與齒寬是有聯系的，荷載會隨著齒寬的增大而增大；

②改造之后的曲線起伏小，套筒接觸面會隨著齒條的厚度而增大，這時處于不完全受剪狀態。從套筒中取出做好的試件時，根據其形狀可知齒條是被剪壞的；

③當實際荷載小于設計荷載的80%時產生的位移很小，近似于直線變化；

④當實際荷載與設計荷載越來越接近時材料進入塑性狀態，位移變大；

⑤初始破壞荷載達到最大值時，齒條抗剪能力和荷載能力均呈下滑趨勢。這時可通過改變齒條始端形狀來保持峰值荷載。

綜上所述，螺旋齒剪切時既有剪切、扭轉、擠壓、彎曲等因素的影響，也有齒條間相互作用的影響。因而原則上講自我保護裝置可以達到理想塑性變形。

4 實際應用

從理論上說，“塑性變形發生器”的塑性變形大小不受限制，因而從某種程度上來看，這種結構的自保護裝置塑性材料的性質是極好的。設計者應利用其裝置的塑性強度，使錨拉構件在預應力結構體系中具有充分的變形能力。

4.1 工程概況

某工程施工區滑坡災害頻頻發生，該區域內分布有儀表廠滑坡、大灣道滑坡、李子壩小學滑坡等。區域內滑坡長度達600m，寬達110m，弓形平面，面積為 6.2×104m2，體積約為 7.0×104m3。從滑體總體變形的滑移方向可知該滑坡的主滑方向為350°，其滑坡形式為牽引式。總體說來，成樁后自然覆土呈松散狀態，深土層，需要填大量的土填平溝壑。此外，樁的下端巖巖體陡峭，嵌固性能差。若此時選擇懸臂樁結構很難保證施工安全，出于經濟性考慮，該工程選擇樁錨結構。

4.2 設計計算

該工程的支護結構為樁錨結構，使用“理正巖土”軟件計算，其參考標準需符合國家規定和重慶市地方規范。根據地勘報告選取巖土計算參數，計算時選擇不利剖面。再加上滑坡的推力控制著支護結構，因而本文只選取滑坡推力作用下的計算結果。樁的總長度為26.000m，計算結果見表1。

上表中的數據為使用M法計算得來，土層序號為1層，厚50.000m，重度為22.000kN/m3，樁前滑動土層厚10.000m。

錨索參數為：道號為1，豎向間距7.000m，水平剛度20.000MN/m。

物理參數為：樁混凝土強度等級為C30；樁縱筋合力點到外皮距離為35mm；樁縱筋級別為HRB335；樁箍筋級別為HPB235；樁箍筋間距為200mm；使用一般擋土墻進行擋土。墻后填土內摩擦角32°，墻背與墻后填土摩擦角15°，墻后填土容重21.000kN/m3。

表1 結算結果

除上述內容外，滑坡推力在支擋處的推力較大，為使得錨固體系的受力性能良好，樁體量的重量變小，縮小嵌巖的深度，預應力錨索是最佳選擇。但使用柔性錨索中的預應力錨索填坡時，還需解決如下問題：新填筑的填土在自重力的作用下會下沉，間接產生的彎曲荷載作用于錨索上，容易造成錨索下部的土體剝離，嚴重時錨索懸空，因其自重的影響出現彎曲。在填土段的預應力錨索是一根柔性錨索，抗彎性能不佳。當錨索處于懸垂狀態時所能承受的橫向力達到最大，當錨索緊繃時橫向力稍微超出最大限值，錨索內的應力瘋狂增長，有可能繃斷錨索。

5 結語

本文基于實際情況，結合有限元理論分析巖土工程錨固技術的特點，并給出了巖土工程中自適應錨固支護單元結構的設計方法，可為類似工程提供參考。