可回收锚索承载影响因素的数值模拟分析

俞春飞　殷振　何洲

摘要：普通锚索由于在支护功能失效后无法回收而对城市地下空间造成了严重的环境污染，使之成为亟需解决的问题。在基坑工程支护中，采用可回收锚索，不仅可以降低造价，更重要的是可以解决临时支护造成的地下建筑垃圾的问题。文章采用小应变土体本构模型对可回收锚索承载的影响因素进行了数值计算分析。

关键词：可回收锚索；HSS模型；有效应力指标；数值模拟；基坑工程支护；城市地下空间 文献标识码：A

中图分类号：TU757 文章编号：1009-2374（2017）10-0093-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.046

土钉墙支护型式具有成本低、施工快速的优点，是基坑工程一种主要围护结构形式，曾获得广泛应用。但随着地下空间开发利用过程中，大面积土钉墙的不可回收性从而造成对地下污染，影响后继地下空间的开发利用，如地铁建设中的盾构机的推进施工等。因此土钉墙已经很少在基坑围护设计中因为超过红线问题而被采纳，但可回收锚索具有快速施工、节约成本、基坑开挖空间大、节能环保而在工程实际中得到了一定的应用。王东欣对深基坑中的可回收预应力锚索施工技术进行了探讨。李克金在无锡某广场深基坑工程中运用旋喷可回收锚索。丁仕辉基于定值锚头的可回收锚索设计与施工方法，工艺简单、性能可靠、成本低廉、便于施工，回收率可达到100%。彭建忠等在佛山新城CBD超大基坑支护工程中采用了压力型预应力可回收锚索，并对回收率、锚固长度、预应力损失等关键问题进行了讨论。

本文拟通过数值计算对可回收锚索受力和变形进行分析，从而为可回收锚索的工程应用提供依据。

1 土体本构模型及桩土模型

1.1 土体本构模型

土体受力变形具有典型的应力依赖性，土体偏应力与主方向应变成强非线性关系，而且不同深度处的土体的静水压力不同，在受力变形过程中产生超孔隙水压力，均会对土体的有效应力产生影响。为此对结构与土共同作用进行分析时，需要采用与土体应力状态有关的有效应力本构模型，目前公认能反映土体非线性三轴应力与应变关系曲线，且能够反映加卸模量不同的本构模型为硬化土体小刚度模型（即HSS），偏应力与轴向应变关系曲线如图1所示，标准三轴固结排水试验时偏应力q与轴向应变-的关系曲线，二者呈双曲线关系，见式（1）所示。HSS本构模型的塑性部分采用莫尔库仑屈服面，见图2所示。HSS本构模型中，还需要输入两个参数，分别为式（2）和式（3）。

1.2 桩土界面本构模型

锚索的锚固体采用水泥土复合体，通过与其周围的土体发生相对滑移使界面摩阻力进行发挥，本次数值计算时锚固体简化为梁单元，PLAXIS中提供了嵌入桩，该单元能够实现梁与周围土体的切向和法向的相互作用，界面上存在两个法向和一个切向，如图3所示，其控制方程如式（4）所示，由该式可见，两个切向弹簧和一个法向弹簧的受力变形相互独立，不耦合。锚固体端部也简化为弹簧，见图4所示。

2 有限元模型的建立

采用15节点平面应变三角形单元进行网格剖分，得到图5所示的有限元网格，单元数为424个节点数为3554个，在嵌入桩附近网格自动进行了加密，在嵌入桩一端施加水平向强制位移。

HSS本构模型参数，只需要确定压缩模量Es，其它模量与该模型成比例关系。可从地勘报告当中查找到压缩模量ES 0.1～0.2，判断土体的软硬程度，估算HSS本構的四个刚度参数，通常可按照以下关系选取：

3 有限元数值计算分析

软黏土的压缩模量为2MPa，图6和图7分别给出了锚固体埋置深度5m和10m时拉力与加载点的水平位移关系曲线，由图可见，随着锚固体长度增加，拉力逐步增加，但不同锚固体长度时初始刚度差别不大。图8给出了土体类型对拉力与位移关系的影响图，由图可见，随着土性参数变好，拉力极限承载力和上升段的刚度均有所增加。图9给出了地下水位深度对拉力与位移关系曲线的影响图，由图可见，随着地下水位的下降，作用于锚固体上有效应力增加，从而增加了初始刚度和锚固体的极限抗力。

4 结语

基于PLAXIS平台，采用平面应变有限单元法，对锚固体的拉力与位移关系全曲线关系进行了数值模拟分析，通过分析得出：（1）埋置于土体中的可回收锚索拉力与位移关系曲线呈理想弹塑性受力变形特点；（2）锚固体的极限拉拔力与锚固体的长度呈线性增长关系，设计时根据需要进行选取；（3）土层中地下水位的下降可较大程度上提高锚固体的承载力，因此在基坑应用中可通过一定的降水提高锚固体的抗力。

参考文献

[1] 王东欣.深基坑可回收锚索施工技术[J].铁道建筑技术，2014，（1）.

[2] 李克金.可回收预应力锚索在深基坑工程中的应用技术研究[J].铁道建筑技术，2015，（5）.

[3] 丁仕辉.基于定值锚头的可回收锚索设计与施工[J].岩土锚固工程，2015，（9）.

[4] 彭建忠，张正乾，刘少跃.预应力可回收锚索在超大基坑工程中的应用[J].广东水利水电，2015，（2）.

作者简介：俞春飞（1983-），男，浙江诸暨人，杭州（九乔）国际商贸城江干区块建设指挥部办公室（中国杭州四季青服装发展有限公司）工程师，注册二级建造师，研究方向：土木工程、市政基础设施工程。

（责任编辑：蒋建华）