多盘土锚抗拔特性FLAC3D数值模拟分析

刘 炜，夏红兵

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

近几年锚杆在基坑中的应用越来越广泛，人们不断地在研究和改进普通锚杆，通过改变锚固段的形状以及施工工艺来达到增加锚杆的承载力[1-4]。如扩体型锚杆[5]，裹式扩体锚杆[6]等多种新型锚杆，这些新型锚杆的特点是改变锚杆的形状，增加了与土体的接触面积，提高了土锚的锚固力。

从理论分析研究得到扩体锚杆的锚固机理，与传统锚杆相比，扩体锚杆增加了锚固段与锚周土体的接触面积，使得土体与锚固段相互的侧摩阻力、粘结力增大，从而提高了扩体锚杆的极限承载力。扩体锚杆的承载力主要由三部分组成，即普通锚固段侧摩阻力、扩体锚固段侧摩阻力、扩体截面的端阻力[7-9]。通过室内模型试验和数值模拟来研究竖向埋设扩体锚杆的抗拔承载特性，根据结果绘制荷载-位移曲线，得出其极限承载力相较于传统锚杆的极限承载力提高了50%～100%。并对扩体锚杆承载力影响因素进行对比试验，主要影响因素包括：扩体段直径、扩体段长度、埋深、扩体段数等，其中扩体段直径对其承载力影响明显，随着直径的增加承载力明显的增加[10-14]。

近些年许多学者主要通过模型试验和数值模拟研究竖向埋设的扩体锚杆所能承受的竖向抗拔和抗压承载力，及其承载特性的影响因素的，而研究水平埋深的扩体锚杆承载特性的较少，本文通过数值模拟对水平埋设的多盘土锚在拉拔荷载作用下的极限承载力、轴力沿土锚变化情况、侧摩阻力进行模拟分析并与等截面土锚进行对比，为实际工程应用提供参考价值。

1 多盘土锚

土锚在基坑围护及边坡治理等工程中有广泛应用，而多盘土锚[15]是一种利用成盘工具在土锚表面形成多个盘体，目的在于利用多盘迎土面受被动土压力作用这一特点，加之多盘累计迎土面面积更大，从而获得较高锚固力的土锚。多盘土锚包括：圆柱体，所述圆柱体内部设有钢绞线或螺纹钢，圆柱体由水泥浆或水泥砂浆固化得到，其长度不大于钻孔的深度盘体，且直径等于钻孔的直径。所述盘体与所述圆柱体由所述水泥浆或水泥砂浆固化一体成型。多盘土锚不仅增大了土体与锚固体之间的摩阻力，而且增加了锚盘与土体挤压产生的端承力，所以在不增加锚固长度的情况下，可大幅度提高抗拔力。

本文中的多盘土锚施工工艺采用了一种新的成盘工具来制备多盘土锚。成盘工具的主要构造包括：内衬管；气囊；压板；限位环。成盘工具采用气囊充气推动压 板径向膨胀，将压板表面的凸块压入钻孔的土中，并通过多次充放气、旋转和拉伸等操作形 成多个盘腔，再向扩充好的钻孔内灌注水泥浆或水泥砂浆，待水泥浆或水泥砂浆固化成盘体。

2 多盘土锚FLAC3D模拟

2.1 计算模型

该多盘土锚采用新的成盘工艺，因为有锚盘的存在，在该模型中锚土作用范围取10m，模型取10m×7.00m，土锚埋深H为5m，土锚长度L取为5.00m，土锚直径d为150mm，锚盘直径D为210mm，锚盘厚度h为80mm，盘间距s为425mm，在多盘土锚上共设置了9个锚盘。对于边界条件设置如下，除上表面土体外(也就是地面)，其余的前后左右下表面土体均固定，另外，多盘土锚上第一个盘前的范围不设置土体。

2.2 多盘土锚受拉过程中的假设及模型参数

1)多盘土锚采用的是均匀，连续，各向同性的弹性体。

2)土体采用的是均匀连续各向同性的理想弹塑性材料，采用Mohr-coulomb本构关系。

3)多盘土锚的承载特性基于锚土系统的共同作用原理。

4)由于多盘土锚与土体有接触，在建模时需要建立接触面，接触面的参数c，φ值的选取为了计算方便选取与土体的c，φ一致，粘聚力为8kPa，内摩擦角为24°。模型相关参数如表1所示。

5)为了便于计算和建模，把多盘土锚水平放置，由于右边界固定，在土锚的水平方向0～-0.15m的部分沿孔径方向挖去土体厚30mm。

表1 土层与锚固体参数表

3 水平方向承载力特性

3.1 Q～s曲线

对该多盘土锚端部施加水平方向的拉力，对该模型进行分级加载，从70.7kN开始加载，每级加载17.6kN。由模拟结果可得到Q～s曲线(如图1)，根据文献[16]知锚杆破坏标准为：

1)后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生的位移增量的2倍。

2)锚头位移不收敛。

3)锚头总位移超过设计允许值。

故可根据锚杆破坏准则(1)判断该多盘土锚的极限抗拔承载力为300kN。在荷载为300kN时，多盘土锚发生的最大位移3.159 9mm。

本模拟用到的等截面土锚是直径为150mm，长度为5.00m的圆柱体由水泥砂浆浇筑而成，提供一定的承载力，是一种比较常见的基坑支护工具，从等截面土锚Q～s曲线(如图2)可以知，当荷载为159kN时，等截面锚的位移为2.555 7mm。从多盘土锚与等截面锚的Q～s曲线相比较可知，在等截面锚达到极限荷载时，多盘土锚在同样荷载159kN时，它的位移为0.939 5mm，多盘土锚可以明显的提高水平方向的极限抗拔承载力，可见，有锚盘的多盘土锚能大幅降低其水平位移，锚盘的作用就很明显，能极大地增加多盘土锚的极限承载力。

图1 多盘土锚Q～s曲线

图2 等截面土锚Q～s曲线

3.2 多盘土锚的轴力

多盘土锚端部在各级荷载作用下，其对应的轴力可根据相应的公式计算其对应的轴力，可以在FLAC3D中通过输入命令流来得到其相对应单元的平均应力值σ，再利用相应的公式便可以计算出所要求的截面的应力值Ni

Ni=∑σiAi

(1)

式中：Ai为多盘土锚单元截面面积；σi与Ai对应的多盘土锚单元的应力。

图3 各锚盘分担的荷载

图3所示为多盘土锚上的9个锚盘各自在不同荷载作用下所分担荷载的情况，前一个锚盘总比后一个扩体盘所承担的荷载大，且第一个锚盘承担的荷载要远高于第二个。在荷载小于300kN时，各锚盘所承担的荷载与施加荷载成正比关系，且每个锚盘承担荷载增加的幅度又不尽相同。

图4 多盘土锚轴力分布图

图4和图5表示在不同荷载作用下，多盘土锚和等截面土锚截面轴力分布图。图4为多盘土锚轴力图，可以很明显的观察到在锚盘处轴力会出现陡降的现象，而图5等截面土锚轴力呈直线下降，轴力下降的幅度相较于多盘土锚大。这说明了在受到外荷载作用时锚盘可以分担外荷载，却效果显著。锚盘增加了与周围土体的接触面积，这样可以把荷载很好的传递到周围土体，增强了锚土系统的共同作用效果，使得端部的水平方向位移有明显的减小，所以，多盘土锚锚的水平位移比等截面土锚的位移小的多，也就突出了锚盘的作用。

图5 等截面土锚轴力分布图

3.3 多盘土锚侧摩阻力

多盘土锚上的一段侧摩阻力就是两截面上的轴力差，可按照以下公式计算

Fi，j=Ni，j-Ni，j-1

(2)

式中：Ni，j、Ni，j-1分别为在荷载i作用下高度为J、J+1处的轴力值。

根据以上公式可以得到土锚的侧摩阻力。图6为等截面土锚侧摩阻力分布图，随着荷载的增大土锚的侧摩阻力也随之增加。图7为多盘土锚侧摩阻力分布图，当施加的拉拔荷载小于300kN时，其侧摩阻力随着荷载的增加也在逐渐地增大，但每一段所增加的幅度都不一样，可能是还没到极限承载力，大部分的荷载被锚盘所承担。

图6 等截面土锚侧摩阻力分布图

图7 多盘土锚侧摩阻力分布图

4 结论

(1)与等截面土锚相比较，多盘土锚能大幅增加极限承载力，而多盘土锚在相同荷载作用下的位移为0.939 5mm，两者相差了1.616 2mm，降低了锚头的位移。当两者发生破坏时，多盘土锚的承载力相比等截面土锚提高了85%，极大地提高了土锚的承载力。

(2)在受到外荷载作用时，多盘土锚的锚盘和盘下土体承担了大部分荷载，这是因为锚盘的存在使得土锚与周围土体的接触面积变大，使得更多的荷载可以传递到周围的土体，从而大幅增加了多盘土锚的极限承载力，锚盘的作用就表现的很明显。