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(shù)值軟件建立抗浮錨桿和土體整體結(jié)構(gòu)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(guò)設(shè)置不同的錨桿間距和變截面形狀工況，提取有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)種的土體豎向位移和剪應(yīng)力、等效應(yīng)力數(shù)值，研究抗浮錨桿間距和變截面形狀對(duì)抗浮錨桿加固土體的影響。研究結(jié)果顯示：?jiǎn)胃垢″^桿作用下，同一深度土體的豎向位移會(huì)隨著遠(yuǎn)離錨桿而呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。同一深度下的土體剪應(yīng)力，隨埋深增大表現(xiàn)為先變大再減小的變化形式，且與錨桿越近的土體，其剪應(yīng)力數(shù)值越大。

關(guān)鍵詞：抗浮錨桿；數(shù)值模型，豎向位移；剪應(yīng)力

0? ?引言

在城市建設(shè)過(guò)程中，地下建筑的結(jié)構(gòu)建設(shè)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(huì)導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)受到的浮力不斷增加。若其受到的浮力過(guò)大甚至大于結(jié)構(gòu)自身重力，會(huì)引起地下建筑結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞，為此如何增大地下結(jié)構(gòu)的抗浮能力成為急需解決的問(wèn)題[1]?？垢″^桿作為一種抗浮性能強(qiáng)的抗浮方法，被廣泛應(yīng)用于地下建筑結(jié)構(gòu)中[2]。針對(duì)抗浮錨桿的設(shè)計(jì)方法和土層的受力特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。苗晉維[3]針對(duì)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(shí)際工程結(jié)構(gòu)，研究了抗浮錨桿在地下室底板中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)優(yōu)化。劉歡[5]對(duì)比分析了采用錨桿抗浮和配重抗浮兩種抗浮措施的優(yōu)缺點(diǎn)。本文建立抗浮錨桿和土體整體結(jié)構(gòu)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(guò)設(shè)置10種錨桿間距工況，提取土體的豎向位移和剪應(yīng)力特征，研究抗浮錨桿間距改變和對(duì)不同深度的土體變形受力的影響。

1? ?地下室防水施工要點(diǎn)

本文研究對(duì)象為某地下室結(jié)構(gòu)，地下室底板以下主要為硬塑黏土。施工時(shí)需做好肥槽回填工作，防止肥槽積水滲入至抗水板之下產(chǎn)生浮力。肥槽回填前應(yīng)清渣，并采用隔水性較好的黏土分層回填夯實(shí)。肥槽下部采用混凝土封閉?？顾逑聭?yīng)采用混凝土進(jìn)行回填，不宜采用可能形成儲(chǔ)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(yīng)考慮地表水、毛細(xì)管水和地下水的影響，最高防水水位應(yīng)不低于室外地坪0.5m。根據(jù)擬建物特征，應(yīng)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位對(duì)擬建物進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，抗浮措施采取抗浮錨桿。錨桿鋼筋使用PSB830預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，該鋼筋材料強(qiáng)度高，變形小，并有專用連接器，不用車絲，不會(huì)損傷鋼筋原材，多根連接情況下更易保證錨桿質(zhì)量。

2? ?錨桿加固機(jī)理

建筑物受地下水位的影響，會(huì)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(guò)抗浮錨桿與土之間的摩擦力來(lái)確保建筑物更加穩(wěn)定。在使用抗浮錨桿錨固時(shí)，主要考慮的問(wèn)題主要包括兩個(gè)方面：其一是抗浮錨桿自身的強(qiáng)度，包括錨固體強(qiáng)度，錨筋強(qiáng)度以及錨筋與錨固體之前的粘接強(qiáng)度。其二是土體的強(qiáng)度，包括土體的抗剪強(qiáng)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(shù)值模型，研究抗浮錨桿和土體的受力和位移特點(diǎn)。已有研究表明，抗浮錨桿直徑以及尺寸對(duì)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(jìn)行有限元建模。

3.1? ?材料模型和參數(shù)

針對(duì)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(jìn)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(shù)包括密度、彈性模量、泊松比、粘聚力及內(nèi)摩擦角。本文建模時(shí)所使用的土體材料參數(shù)如表1所示。

針對(duì)抗浮錨桿結(jié)構(gòu)，采用線彈性材料進(jìn)行模擬，需定義的材料參數(shù)包括：密度、彈性模量、泊松比?？垢″^桿材料參數(shù)如表2。

3.2? ?有限元模型

針對(duì)土體采用平面實(shí)體單元PLANE183進(jìn)行數(shù)值建模，抗浮錨桿結(jié)構(gòu)采用桿單元LINK180進(jìn)行數(shù)值建模，錨桿直徑為0.5m，長(zhǎng)度為2m，土體長(zhǎng)度、寬度分別為10m、5m。

在進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇的最小單元尺寸為0.05m?？垢″^桿與土體直接通過(guò)共用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接完成力的傳遞。對(duì)土體底層所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束，對(duì)土體兩個(gè)側(cè)面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行垂向方向上的位移約束，來(lái)模擬實(shí)際邊界的約束條件。施加的荷載為錨桿上端點(diǎn)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(guān)系

通過(guò)對(duì)單根抗浮錨桿的有限元模型計(jì)算，提取結(jié)構(gòu)豎向位移結(jié)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(xiàn)倒圓錐形式，關(guān)于錨桿左右對(duì)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(yuǎn)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(duì)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(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。由圖3可知，同一深度土體的豎向位移會(huì)隨著遠(yuǎn)離抗浮錨桿而呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，表明錨桿越近土體的變形位移越強(qiáng)。當(dāng)土體與錨桿之間距離達(dá)到2.5m時(shí)，土體基本不受到錨桿影響，其豎向位移近似為0mm。當(dāng)土體距錨桿距離相同時(shí)，深度越大的土體其豎向變形位移越小。

4.3? ?土體剪應(yīng)力隨其深度變化狀況

土體剪應(yīng)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(yīng)力表現(xiàn)為先變大再減小的變化形式，且與錨桿越近的土體，其剪應(yīng)力數(shù)值越大，埋深增大時(shí)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(yīng)力出現(xiàn)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(duì)土體受力變化的影響，本文通過(guò)有限元數(shù)值，計(jì)算研究錨桿布置間距對(duì)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(jié)構(gòu)，并建立其有限元模型。有限元相關(guān)參數(shù)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(shè)置錨桿間距為1至10倍桿徑的10種工況，分別計(jì)算不同工況下，土體豎向位移和土體剪應(yīng)力結(jié)果，由于篇幅限制，本文僅以10倍桿徑間距工況為例進(jìn)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(jié)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(yuǎn)，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(yīng)力數(shù)據(jù)，匯總?cè)鐖D7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(shù)值不斷減小，在3m深處土體基本沒有變形位移，說(shuō)明此處不受到錨桿的影響。當(dāng)間距小于5倍桿徑時(shí)，土體各埋深處的豎向位移變化不規(guī)律。當(dāng)間距大于5倍桿徑時(shí)，土體各埋深處的豎向位移變化均勻，說(shuō)明僅當(dāng)錨桿間距小于5倍桿徑時(shí)錨桿受力上拔時(shí)，才會(huì)對(duì)桿間土體變形產(chǎn)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(yīng)力會(huì)隨著錨桿間距的減小而逐漸增大，同時(shí)以5倍桿徑為分割點(diǎn)，僅當(dāng)錨桿間距小于5倍桿徑時(shí)，土體剪應(yīng)力增加較大且不規(guī)律，局部易產(chǎn)生剪切破壞。

6? ?結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值分析軟件，建立抗浮錨桿和土體整體結(jié)構(gòu)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(guò)提取不同的工況下的土體豎向位移和剪應(yīng)力和等效應(yīng)力數(shù)值，明確了抗浮錨桿間距對(duì)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(huì)隨著遠(yuǎn)離錨桿而呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)二者之間距離達(dá)到2.5m時(shí)，土體基本不受到錨桿影響位移為0mm。當(dāng)土體距錨桿距離相同時(shí)，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(yīng)力表現(xiàn)為先變大再減小的變化形式，且與錨桿越近的土體，其剪應(yīng)力數(shù)值越大，埋深增大時(shí)其變化的程度也越大。

錨桿間距小于5倍桿徑時(shí)，錨桿受力上拔會(huì)對(duì)桿間土體變形產(chǎn)生較大影響，且間距越小影響效果越大，同時(shí)土體剪應(yīng)力增加較大且不規(guī)律，局部易產(chǎn)生剪切破壞。建議錨桿布置間距大于5倍桿徑。

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