基于FLAC-3D对预应力锚杆柔性支护的数值分析
预应力锚杆柔性支护方法作为支护深基坑的一种新型支护形式,与其它支护方法相比,该方法由于其经济、可靠、施工便捷、变形小、支护深度大等显著优点,在我国岩土工程领域中己得到广泛的应用。
一、预应力锚杆柔性支
(一)预应力锚杆支护构造
预应力锚杆柔性支护是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新的支挡技术。是由预应力锚杆与喷射混凝土面层或木板面层结合而成的一种支护方法。其中预应力锚杆是由众多吨位较小的预应力锚杆组成的系统锚杆。它的主要构造包括自由段、锚固段、锚下承载结构、面层、排水系统等。(具体构造见图1)
预应力锚杆柔性支将锚杆锚固于潜在滑移面以外的稳定岩土体中,对锚杆施加的预应力通过锚下结构和面层对潜在滑移面以外的稳定岩土体进行锚固。由于在非稳定岩土体内设置了自由段,锚杆在自由段中可以自由伸缩,因此预应力对整个非稳定岩土体进行了主动的约束锚固。
(二)适用范围
一般来讲,从经济效益来看,预应力锚杆柔性支护的经济使用要求土层在垂直或陡斜边上开挖2m左右高时,不加支护条件下能保持自稳1-2d。另外,特别要求钻孔孔壁能保持稳定至少数小时。预应力锚杆柔性支护可适用于下列土层类型:(1)无不良方向性和低强度结构的残积土和风化岩;(2)粉质黏土和不易于产生蠕变的低塑性黏土之类的硬黏土;(3)天然胶结砂或密实砂相具有一定粘结力的砾石;(4)天然含水量至少为5%的均匀中、细砂。
二、预应力锚杆柔性支护的数值分析
(一)FLAC-3D
FLAC(Fast LagrangianAnalysis for Continuum)是可以完成"拉格朗日分析"的"显式有限差分程序", 它采用的混合离散法来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。这种方法比有限元通常采用的"离散集成法"更为准确、合理。FLAC3D是美国ITASCA国际咨询与软件开发公司在FLAC基础上开发的三维数值分析软件。FLAC3D可实现对岩石、土和支护结构等建立高级三维模型,进行复杂的岩土工程数值分析与设计。
(二)基坑模型参数
基坑深9m,不考虑地下水影响。均质土体,土层参数如下:密度2000kg/m3,体积模量500MPa,切变模量330MPa,内聚力2kPa,摩擦角25€?,剪胀角0€啊?
本基坑采用预应力锚杆柔性支护,分6步开挖,每步开挖1.5m,开挖一层支护一层。面层采用钢筋网混凝土,厚度150mm,弹性模量取2.0€?05 MPa。锚杆水平间距为1.5m,锚杆其它参数见表1。
由于基坑横向长度远大于基坑深度,可简化为平面应变问题,建模时横向取锚杆的水平间距1.5m。为考虑基坑开挖对远处的土体,基坑的计算范围取,基坑底以下0.5H,基坑后方2H。具体锚杆布置图和计算模型图分别见图2、图3。
(三)锚杆的锚固长度
由图8可知:基坑的水平位移随锚固段的增加而减小,锚固段较短时减小得较快,锚固段较长时减小得较慢,锚固段达到一定长度后,基坑水平位移趋于稳定。
(四)锚杆的竖向间距
从图9可知基坑坑壁的侧移随着锚杆的竖向间距的增大而增大,当锚杆的间距过大时,基坑便失稳。图10为只布置三排锚杆时的水平位移云图,从图中可知此时基坑的最大水平位移为378mm,已远大于基坑设计规范所规定的最大值。因此,为了基坑的水平位移应适当加密锚杆的密度。
四、结论
通过上面的分析可知,锚杆的预应力大小、锚杆锚固段的长度、锚杆的倾角、锚杆的分布密度对基坑的水平位移都有较明显的影响。
(一) 锚杆所施加的预应力大小对基坑的水平位移影响很大。随着锚杆预应力的增加,基坑的位移大幅度减小,当预应力施加到一定大值之后,对基坑的位移影响幅度较小。此外当预应力达到一定值后,还会使基坑反向失稳。因此为了控制基坑的变形,预应力的值可适当增大,但不能单纯靠增大预应力值来控制位移。
(二) 从变形控制和基坑稳定的角度出发,认为对于直立开挖锚杆支护,锚杆的最佳支护角度为5度和10度之间,此范围内锚杆对土体的约束锚固作用得到充分的发挥,锚杆支护的基坑变形较小些。
(三) 从基坑的受力状态分析,基坑开挖后,使边坡附近由静止状态向主动状态过渡,形成主动区和被动区,位移的产生主要源于主动区,锚杆长度增加使边坡的主动区保持稳定,并其产生过大的位移,但锚杆长度过长后位移减小得不明显。因此,为控制基坑的变形,应适当增加锚杆的长度,但基坑的变形与锚杆长度并不是线性关系,锚杆长度过长,控制变形的效果不明显,造成浪费。
(四) 锚杆间距较小时,锚杆布置的密度较大,锚杆承受到较多的开挖荷载,对土体的约束作用明显,因此基坑水平位移较小。锚杆间距较大时,锚杆的密度较小,锚杆对土体的约束作用减弱,此时基坑水平位移较大,土体自身承受到的荷载较多,稳定性降低。
参考文献:
[1]朱亚林.预应力锚杆柔性支护方法的数值分析.大连理工大学硕士论文,2004.
[2]贾金青.深基坑预应力锚杆柔性支的理论及实践[M].中国建筑工业出版社,2006.
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[4]刘波,韩彦辉.FLAC 原理,实例与应用指南[M].人民交通出版社,2005,(9).
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