抗浮錨桿加固土體的影響因素分析

邱知茂 黃晨曦

摘要：為研究抗浮錨桿加固土體受力變形的影響因素，利用數值軟件建立抗浮錨桿和土體整體結構的二維有限元模型，明確單根錨桿下土體受力和變形情況，并通過設置不同的錨桿間距和變截面形狀工況，提取有限元模型計算結構種的土體豎向位移和剪應力、等效應力數值，研究抗浮錨桿間距和變截面形狀對抗浮錨桿加固土體的影響。研究結果顯示：單根抗浮錨桿作用下，同一深度土體的豎向位移會隨著遠離錨桿而呈現減小的變化趨勢。同一深度下的土體剪應力，隨埋深增大表現為先變大再減小的變化形式，且與錨桿越近的土體，其剪應力數值越大。

關鍵詞：抗浮錨桿；數值模型，豎向位移；剪應力

0? ?引言

在城市建設過程中，地下建筑的結構建設是其重要組成部分，由于降水等原因引起的地下水位不斷升高，會導致地下結構受到的浮力不斷增加。若其受到的浮力過大甚至大于結構自身重力，會引起地下建筑結構的嚴重損壞，為此如何增大地下結構的抗浮能力成為急需解決的問題[1]?？垢″^桿作為一種抗浮性能強的抗浮方法，被廣泛應用于地下建筑結構中[2]。針對抗浮錨桿的設計方法和土層的受力特點，國內外學者開展了大量研究。苗晉維[3]針對城市軌道交通地鐵的地下車站工程，研究在其抗浮措施中采用抗浮樁和抗浮錨桿兩種不同抗浮方法的差異。陳星杰[4]基于實際工程結構，研究了抗浮錨桿在地下室底板中的應用和設計優化。劉歡[5]對比分析了采用錨桿抗浮和配重抗浮兩種抗浮措施的優缺點。本文建立抗浮錨桿和土體整體結構的二維有限元模型，分析單根錨桿下土體受力和變形分布，并通過設置10種錨桿間距工況，提取土體的豎向位移和剪應力特征，研究抗浮錨桿間距改變和對不同深度的土體變形受力的影響。

1? ?地下室防水施工要點

本文研究對象為某地下室結構，地下室底板以下主要為硬塑黏土。施工時需做好肥槽回填工作，防止肥槽積水滲入至抗水板之下產生浮力。肥槽回填前應清渣，并采用隔水性較好的黏土分層回填夯實。肥槽下部采用混凝土封閉。抗水板下應采用混凝土進行回填，不宜采用可能形成儲水空間的材料回填，并做好地表水的防滲和疏排工作。

地下室防水工程應考慮地表水、毛細管水和地下水的影響，最高防水水位應不低于室外地坪0.5m。根據擬建物特征，應請設計單位對擬建物進行抗浮驗算，抗浮措施采取抗浮錨桿。錨桿鋼筋使用PSB830預應力螺紋鋼筋，該鋼筋材料強度高，變形小，并有專用連接器，不用車絲，不會損傷鋼筋原材，多根連接情況下更易保證錨桿質量。

2? ?錨桿加固機理

建筑物受地下水位的影響，會受到浮力的作用。而抗浮錨桿的作用就像是建筑物的根系深入土層中，通過抗浮錨桿與土之間的摩擦力來確保建筑物更加穩定。在使用抗浮錨桿錨固時，主要考慮的問題主要包括兩個方面：其一是抗浮錨桿自身的強度，包括錨固體強度，錨筋強度以及錨筋與錨固體之前的粘接強度。其二是土體的強度，包括土體的抗剪強度、孔隙率以及土體含水率等。

3? ?模型建立

為了分析抗浮錨桿加固土體的影響因素，本文利用有限元分析軟件建立土體和抗浮錨桿的數值模型，研究抗浮錨桿和土體的受力和位移特點。已有研究表明，抗浮錨桿直徑以及尺寸對土體加固有效作用范圍影響有限，為了便于建立模型，本文采用等截面錨桿形式進行有限元建模。

3.1? ?材料模型和參數

針對抗浮錨桿連接的土層，采用有限元分析軟件中的D-P模型進行模擬，以有效模擬土體材料在外力作用下的受力和變形特征。需定義的材料參數包括密度、彈性模量、泊松比、粘聚力及內摩擦角。本文建模時所使用的土體材料參數如表1所示。

針對抗浮錨桿結構，采用線彈性材料進行模擬，需定義的材料參數包括：密度、彈性模量、泊松比?？垢″^桿材料參數如表2。

3.2? ?有限元模型

針對土體采用平面實體單元PLANE183進行數值建模，抗浮錨桿結構采用桿單元LINK180進行數值建模，錨桿直徑為0.5m，長度為2m，土體長度、寬度分別為10m、5m。

在進行模型的網格劃分時，選擇的最小單元尺寸為0.05m。抗浮錨桿與土體直接通過共用節點進行連接完成力的傳遞。對土體底層所有節點進行全約束，對土體兩個側面節點進行垂向方向上的位移約束，來模擬實際邊界的約束條件。施加的荷載為錨桿上端點的1mm位移荷載。單根抗浮錨桿及土體有限元模型如圖1所示。

4? ?單根錨桿影響分析

4.1? ?土體豎向位移與單根錨桿位置關系

通過對單根抗浮錨桿的有限元模型計算，提取結構豎向位移結果，如圖2所示。由圖2可知，土體的豎向位移云圖在整體上呈現倒圓錐形式，關于錨桿左右對稱，從土體上表面至錨桿最下端，土體因錨桿受力變形位移不斷變小，且隨著錨桿不斷遠離，土體的變形位移在不斷減小。

4.2? ?土體豎向位移隨其深度變化狀況

為了分析錨桿對土體變形位移影響，提取距錨桿不同深度的土體變形位移數值結果進行對比，如圖3所示。由圖3可知，同一深度土體的豎向位移會隨著遠離抗浮錨桿而呈現減小的變化趨勢，表明錨桿越近土體的變形位移越強。當土體與錨桿之間距離達到2.5m時，土體基本不受到錨桿影響，其豎向位移近似為0mm。當土體距錨桿距離相同時，深度越大的土體其豎向變形位移越小。

4.3? ?土體剪應力隨其深度變化狀況

土體剪應力隨其深度變化如圖4所示。由圖4可知，同一深度下的土體剪應力表現為先變大再減小的變化形式，且與錨桿越近的土體，其剪應力數值越大，埋深增大時其變化的程度也越大。距離錨桿不同距離的土體其最大剪應力出現的埋深也不同。

5? ?錨桿布置間距的影響分析

為研究錨桿間距的變化對土體受力變化的影響，本文通過有限元數值，計算研究錨桿布置間距對土體變形和受力的影響。

5.1? ?建立有限元模型

選取2根抗浮錨桿和土體的結構，并建立其有限元模型。有限元相關參數同單根模型一致。2根抗浮錨桿及土體有限元模型如圖5所示。

5.2? ?10倍桿徑間距工況土體豎向位移

共設置錨桿間距為1至10倍桿徑的10種工況，分別計算不同工況下，土體豎向位移和土體剪應力結果，由于篇幅限制，本文僅以10倍桿徑間距工況為例進行分析。

圖6為工況為10倍桿徑下土體豎向位移云圖。由圖6可知，與單根錨桿所得結論相同，在錨桿頂部的位移最大。且隨著距離錨桿中心位置越遠，所引起的土體變形越小，并且錨桿加固的影響范圍有限。

提取10種工況下的土體豎向位移和土體單元的剪應力數據，匯總如圖7所示。由圖7a可知，兩根錨桿之間土體隨著埋深的增加其豎向位移數值不斷減小，在3m深處土體基本沒有變形位移，說明此處不受到錨桿的影響。當間距小于5倍桿徑時，土體各埋深處的豎向位移變化不規律。當間距大于5倍桿徑時，土體各埋深處的豎向位移變化均勻，說明僅當錨桿間距小于5倍桿徑時錨桿受力上拔時，才會對桿間土體變形產生較大影響，且間距越小影響效果越大。

由圖7b可知，土體剪應力會隨著錨桿間距的減小而逐漸增大，同時以5倍桿徑為分割點，僅當錨桿間距小于5倍桿徑時，土體剪應力增加較大且不規律，局部易產生剪切破壞。

6? ?結束語

本文通過數值分析軟件，建立抗浮錨桿和土體整體結構的二維有限元模型，研究單、雙根錨桿下土體受力和變形特征，并通過提取不同的工況下的土體豎向位移和剪應力和等效應力數值，明確了抗浮錨桿間距對不同深度的土體變形受力的影響。主要研究成果如下：

單根抗浮錨桿作用下，同一深度土體的豎向位移會隨著遠離錨桿而呈現減小的變化趨勢，當二者之間距離達到2.5m時，土體基本不受到錨桿影響位移為0mm。當土體距錨桿距離相同時，深度越大的土體其豎向變形位移越小，同一深度下的土體剪應力表現為先變大再減小的變化形式，且與錨桿越近的土體，其剪應力數值越大，埋深增大時其變化的程度也越大。

錨桿間距小于5倍桿徑時，錨桿受力上拔會對桿間土體變形產生較大影響，且間距越小影響效果越大，同時土體剪應力增加較大且不規律，局部易產生剪切破壞。建議錨桿布置間距大于5倍桿徑。

參考文獻

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[3] 苗晉維.抗浮錨桿在巖石地區地鐵中的應用研究[J].價值工程，2023，42（6）：104-106.

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[5] 劉歡.抗浮錨桿在水池結構設計中的應用與分析[J].玻璃，2022，49（4）：43-49.