海河堤岸预应力土层锚杆加固的数值模拟分析.pdf

水利水电技术第3 6卷2 0 0 5年第 1 1期 海河堤岸预应力土层锚杆力 口 固硇数值檩拟分析 朱芳清，李胜军，李振(天津市水利局，天津3 0 0 0 7 4)【摘要】为研究预应力锚杆对海河堤岸的加固效果，利用三维显式有限差分法，建立了预应力锚固 仿真分析数值模型。通过预应力锚杆的现场试验，获取 了数值计算所必需的参数。理论计算与实测结 果吻合较好，因而验证了海河堤岸改造工程设计的可靠性。【关键词】预应力锚杆；数值模拟；堤岸加固；海河 中图分类号：U 6 5 6 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0(2 0 0 5)1 1 0 0 3 8 0 4 Nu m e r i c a l s i m ul a t i o n a na l y s i s o n t h e r e i n f o r c e m e nt o f ba nk s o f Halhe Ri v e r wi th pr e-s t r e s s e d a nc ho r r o d Z H U F a n g-q i n g，L I S h e n g-j u n，L I Z h e n (T i a n j i n Wa t e r R e s o u r c e s B u r e a u，T i a n j i n 3 0 0 0 7 4，C h i n a)Ab s r a c t：A n u me ri c al mo d e l f o r s i mu l a t i o n a n a l y s i s o n t h e p r e s t r e s s e d an c h o r a g e for t h e r e i n f o r c e me n t o f t h e b a n k s of Ha i h e Ri v e r i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e 3-D e x p l i c i t fi n i t e d i f f e r e n c e me t h o d，S O a s t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t of t h e p r e s t r e s s e d an c h o r r o d o n t h e a n c h o r a g e r e i nfo r c e me n t of the b an k s T h r o u g h t h e fi e l d e x p e rime n t c o n c e r n e d，t h e n e c e s s a r y p a r a me t e r s for t h e n u me r-i c a l c a l c u l a t i o n o f t h e p r e s t r e s s e d an c h o r a g e a r e o b t a i n e d、I t s h o w s t h a t t h e r e s u l t s of t h e e x p e rime n t b a s i c a l l y c o i n c i d e wi t h t h e t h e o r e t i c al c alc u l a t i o n，an d t h e n t h e r e l i ab i l i t y of t h e e n g i n e e ri n g d e s i g n for t h e mo d i fi c a t i o n w o r k s o f Ha i h e Ri v e r B a n k s i s c o n fi r me d a s we l 1 Ke y wo r d s：p r e-s tr e s s a n c h o r r o d；n u me ric al s i mu l a t i o n；b an k r e i n f o r c e me n t；Ha i h e Ri v e r 1 引言 本文以海河改造工程堤岸 的加 固设计 为工程背 景，结合锚杆的现场试验，采用数值模拟技术，对预 应力土层锚杆的加固作用效果进行了探索。海河堤岸改造工程包括北运河北洋桥至海河外环 桥全长约2 0 k m河道、近4 0 k m堤岸。护岸大多修建 于2 0 世纪5 0、6 0年代，从现场检测来看，堤岸结构 存在混凝土碳化和钢筋锈蚀问题，有些堤段破损程度 较严重。根据海河两岸综合开发 的要求和景观设计，需新建直立式护岸结构。从护岸结构安全可靠和技术 经济比较及景观效果考虑，选取有锚板桩作为主要受 力结构，考虑现场施工场地、建筑物、道路和现状地 下管线等因素，为此设计选用预应力土层锚杆作为护 岸的拉锚体系。工程区地下水主要为孔隙型潜水，地 下水动态受季节影响明显，枯水期地下水补给河水，丰水期河水补给地下水，两者互为补排关系。由于该 工程地处饱和软土地层中，海河市区两岸特殊的地理 位置和环境为土层锚杆技术 的实施提出了新的课题。2 数值模拟方法 锚杆加固的堤岸结构包含土体、板桩、锚杆和锚 孔中的灌注砂浆几部分介质。预应力一方面通过板桩 作用于土体表面，另一方面通过锚杆内锚固段与土体 之间的砂浆粘结作用于土体，其结果使锚固土体成为 多种介质相互作用的复合体。由岩土介质的特点决定 了岩土力学的问题往往牵涉到非线性大变形的问题，它兼顾了材料非线性和几何学上的非线性问题，对锚 杆一堤岸结构体系的数值仿真，既要正确模拟这几部 分材料介质的物理力学特性，又要正确模拟结构各部 分之间接触 面的粘结滑移关系。F L A C 如(F a s t L a 收 稿 日期：2 0 0 5 0 2 1 8 作者简介：朱芳清(1 9 5 6 一)，男，高级工程师，副局长。rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we r En g i n e e r i n g V o 1 3 6No 1 1 维普资讯 g r a n g i a n A n a l y s i s C o n t i n u e 连续介质快速拉格朗 日分 析)是由 P A C u d a ll 提出的一种显式时间差分解析 法，由美国1 T A S C A咨询集团首先使用并推广发行。它是一种专门用于求解岩土力学问题的拉格朗日 元法 程序，可用于进行有关边坡、基础、坝体、隧道、锚 固、地下采场、洞室等的应力分析，在国际岩土界相 当流行。这一方法的最主要特点是利用有限差分法，通过对三维介质的离散，使所有外力与内力集中于三 维网络节点上，进而将连续介质运动定律转化为离散 节点上的牛顿定律，将静力问题当作动力问题来求 解，将运动方程中的惯性项用来作为达到所求静力平 衡 的一种 手段。同有 限元 法 和边 界 元 法相 比，F L A C 求解岩土介质大变形问题更具优势，还能针 对不同的材料特性，使用相应的本构模型来比较真实 地反映实际材料的动态行为。对锚杆加固机理的数值仿真，应正确模拟锚固体 的各个组成部分以及各部分之间的界面。对于岩土工 程中的多种加固措施和支护形式，F L A C 如 设置了梁、锚、桩、壳四种结构单元，用来模拟锚杆、衬砌、板 桩、混凝土喷层等。本文计算中，应用的结构单元有 两种：桩单元(P il e S e 1)和锚杆单元(C a b le S e 1)。对于 锚杆自由段、内锚固段采用锚单元来模拟，预应力采 用施加在锚固端的一对集 中力来模拟。在 F L A C 如 软件中，锚杆支护模型的建立是假定 锚杆与岩土体完全结合，在岩土体发生变形时由锚杆 通过充填与岩土体间产生的剪应力来抵抗岩土体变 形，这一模拟过程为沿锚杆方 向的单 轴行为特性。锚单元的轴向行为特性采用一维模型描述，锚单元可 以指定其拉伸屈服强度和压缩屈服强度，单元轴力不 能超过强度极限。界面材料特性假定为理想弹塑性，采用莫尔一库仑准则作为屈服准则。每个锚单元均允 许沿轴向产生变形并发生屈服。锚索与岩体间的界面 可以发生剪切屈服、产生滑动直至拉拔破坏。3 锚杆拉拔试验的数值分析 为了研究锚杆数值模型的计算可靠性，建立了锚 杆土体相互作用的数值计算模型，对锚杆现场试验进 行了数值分析。3 1 地质模型 根据天津市水利勘测设计院的地质工程勘察报 告，海河市区段左、右岸的地层除人工填土层外，均 为第四系全新统松散沉积物。人工填土层由炉灰渣、碎砖块及粉质粘土组成，层厚 0 51 5 m；人 工填 土层以下地层的岩性 由粉质粘土及粉土组成，局部夹 水利水电技术第3 6卷2 0 0 5年第1 I期 朱芳清，等海河堤岸预应力土层锚杆加固的数值模拟分析 淤泥质粉质粘土及泥质粉土透镜体。本次试验锚杆自 由段穿过人工填土层，锚杆与水平呈 2 0。角布置，锚 固段位于下部 的粉质粘土及粉土中。3 2 数值模型 计算范围包括锚杆、锚头和其周围的土体。锚杆 和土体共同受力的计算模型取 1 0 m x 1 0 in x 3 0 in的 立方块，锚杆布置在模型的中心，如图1 所示。锚杆 长度取 2 0 in，锚固体直径取 1 5 o m，采用锚单元模 拟锚杆，锚杆自由段则简化为锚杆端部的集中力。靠 近外锚头的土体表面为自由面，模型其他部位的土体 表面均采用法向约束条件。图 1 锚杆数值模型示意 分析时土体利用 8节点的六面体单元进行划分，共划分 3 0 0 0个六面体单元。锚杆共划分 2 0个锚杆 元。土体采用了莫尔一库仑模型，锚杆和土体之间用 弹簧连接，锚杆的内力和两者间的相对剪切位移成正 比，破坏时的拉力取决于土体的性质。3 3 数值计算结果与现场试验对比分析 土层锚杆现场试验是确定锚杆在应用土层中的极 限承载力、安全系数，获取锚杆 的力学参数，为在应 用土层中设计锚杆提供第一手资料的必要手段，同时 通过试验还能对锚杆的施工工序和施工方法做进一步 完善和补充。目前常用 的土层锚杆有普通 圆柱型锚杆和端部扩 大头型锚杆。根据海河两岸的地质构造和施工条件，分别对这两种类型的锚杆进行了试验，以便进行方案 比选。并选取试验圆柱型锚杆和试验端部扩大型锚 杆，对计算模型逐级施加预应力直至锚杆位移速率迅 速加大破坏，以研究锚杆承载的能力。图 2为圆柱型 锚杆的P s 曲线，从曲线上可以看出，在锚杆的工 作区内计算值与试验值有较好的一致性。两条曲线的 屈服拐点位置相近，试验值约为 3 2 0 k N，计算值约 为 3 1 0 k N。实践证明，采用端部扩大头型或二次灌浆的工艺 能有效提高锚杆的锚固力。但在锚杆数值分析中，如 何模拟这种加固效果，目 前尚无较好的计算模型。采 用等效力学参数计算，即提高岩土体 C、值可以 较好地模拟锚杆对岩土体的加固作用。文献 3 的具 维普资讯 朱芳清，等海河堤岸预应力土层锚杆加固的数值模拟分析 图2 圆柱型锚杆的 p s曲线 体做法是在二次灌浆后，将锚杆 1 5 m范围内岩体的 C、值提高 2 0，以等效二次灌浆作用。为模拟端部扩大头型锚杆的加固效果，本文计算 时将锚杆的剪切刚度提高了约 3 0，计算得到的锚 杆P S 曲线与试验得到的锚杆P S 曲线吻合的比较 好，证明应用 F L A C 如 程序计算预应力锚固问题，采 用提高岩土体力学参数的方法来模拟端部扩大或二次 灌浆等加固效果是可行的。端部扩大型锚杆的P s 曲线见图3。图3 端部扩大型锚杆的 Ps曲线 4 堤岸结构加固效果分析 在上面试验研究 的基 础上，选取 海河典型堤岸 段，利用 F L A C 。程序和现场试验所确定的各力学参 数，对施加预应力锚杆前后堤岸结构的应力和变形情 况进行了计算分析。海河旧堤岸主要为浆砌石护岸和直立式护岸两种 结构型式，根据景观要求，新建护岸为直立式结构，堤岸断面在高程 2 0 0 m处设亲水平台，亲水平台与 河岸采用板桩护岸，并选用预应力锚杆作为护岸的拉 锚体，根据地质条件和施工场地，采用端部扩大头型 锚杆或二次灌浆施工工艺。锚杆间距为2 0 m，锚杆 与水平面的夹角根据土层、施工场地和地下管线因素 确定为 2 0。，此时锚杆锚固段基本处于粉质粘土层 中，锚固点高程根据施工场地和施工水位及现状地下 管线的影响，确定为0 8 m。计算模型取一段单位长度堤岸，计算范围包含锚 杆和板桩，锚杆的外锚头锚固于板桩上，通过板桩将 力传递到土层中，按照设计要求，锚杆张拉力的锁定 荷载不低于 1 8 0 k N，并考虑了沿堤岸景观路面所作 用的人群荷载和车辆荷载。据此建立了 F L A C 如计算 模型，分别采用锚杆单元，桩单元和六面体单元来模 拟锚杆、板桩和土体。计算模型如图4 所示。图4 开挖支护后堤岸计算模型 整个数值计算共模拟了旧堤岸开挖、板桩墙支挡 和拉锚支护三个过程。为了检验理论计算的可靠性，在赤峰桥左岸 2 0 0 m长堤岸上，间隔 5 0 m共设置 4 个观测点，在墙体内预埋测斜管，对桩顶水平位移和 桩体的变形进行了监测。计算表明：当旧堤岸开挖后，由于没有采取适当 的支挡措施，土体发生向开挖面方向倾斜，最大位移 量为 3 1 2 m m；采用板桩支挡后，板桩水平位移随人 土深度及预应力锚杆施工 而变化，其变化规律分如下 两个 阶段。(1)施加锚杆前：当采用板桩支挡后，抑制 了土 体向开挖面方向的滑动趋势，但板桩水平位移仍呈外 倾曲线，计算求得的顶端位移为2 1 3 m m。现场测试 的顶端位移范围为 1 8 2 8 n llT l，计算曲线与实测接近。(下转第4 4页)水利水电技术第3 6卷2 0 0 5年第 1 1期 维普资讯 严明，等岩质 边坡滑移一弯曲 破坏中间 状态的工程 地质 分析 图4 滑移一弯曲破坏演化模式 5 结语“碎裂一散体化过程”的发现与识别，对于顺向 坡稳定性研究具有重要意义：(1)从本文实例看，处于碎裂一散体化阶段的边坡，尽管其安全储备很 低，但基本稳定或接近极限状态。因此，处于早期 演化阶段(轻微弯曲、强烈弯曲一隆起)的边坡，其(自然条件下)稳定性应是比较高的。(2)由于中缓 倾角顺向坡在整体失稳前还存在一个以材料破坏为 特征的碎裂一散体化阶段或过程，因此，其破坏判 据，应有别于目前依据“三阶段”演化地质模式、按 结构失稳概念 所得 的结果。限于篇 幅，这里不 再介绍。参考文献：1 王士天，黄润秋，李渝生，等 雅砻江锦屏水电站重大工程地 质问题研究 M 成都：成都科技大学出版社，1 9 9 8 2 张倬元，王士天，王兰生，编著 工程地质分析原理 M 北 京：地质出版社，1 9 8 1 3 孙广忠 岩体结构力学 M 北京：科学出版社，1 9 8 8 4 秦四清，张倬元，等 非线性工程地质学导引 M 成都：西 南交通大学 出版社，1 9 9 3 5 李荣强 突变理论在顺层边坡稳定分析中的应用 J 同济大 学学报，1 9 9 3，2 1(3)(上接 第 4 0页)(2)施加锚杆后：锚头施加预应力并锁定后，墙体 在锚力作用下后倾，计算求得的桩顶位移为一 7 1 m m，大约至高程 一 7 0 0 IT I 以下转向正位移，呈反弯曲线。现场测试的桩顶端位移范围为 一 5一 1 2 m m，大约 至 一 5 一 7 IT I 以下转向正位移，呈反弯曲线。从计算所得到的堤岸断面应力情况看出，无支护 开挖情形下堤岸的塑性区主要分布在开挖面和岸坡坡 脚处，表明岸坡在无支护开挖下有破坏的可能；施加 预应力锚杆后，使岸坡的塑性区极度缩小，塑性区仅仅 出现在坡脚底部极小范围内，不会对岸坡的稳定性产生 危害。以上说明通过桩锚土的相互作用，锚杆调整了桩 与土体之间的应力，大大提高了堤岸的整体强度，说 明预应力锚杆用于海河堤岸结构支护是有效的。5 结语 本文采用三维显式有限差分方法，建立了堤岸加(责任编辑欧阳越)固的预应力锚固数值仿真模型，通过计算机模拟，获 得了锚杆加固堤岸结构的变形、塑性区分布规律。数值计算与锚杆现场试验结果的对 比分析表明，应用 F L A C 如 程序计算预应力锚固问题，采用提高岩 土体力学参数的方法来模拟端部扩大或二次灌浆等加 固效果是可行的；通过对海河堤岸锚杆加固过程的数 值模拟，表明理论计算与实测结果在总体规律上基本 吻合，因而验证了海河堤岸改造工程设计的可靠性。参考文献：1 C E C S 2 2：9 0，土层锚杆设计与施工规范 s 2 I t a s c a C o n s u l t i n g G r o u p I n c F L A C 3 D(V e r s i o n 2 0)U S e rs m a n u a l U S A：I t a s c a C o n s u l t i n g G ro u p I n c z 1 9 9 7 3 程桦，孙钧 三峡船闸及高边坡非线性大变形数值分析 J 岩土力学，1 9 9 8，1 9(4)4 漆泰岳，陆士良，高波 F L A C锚杆单元模型的修正极其应 用 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 4，2 3(1 3)5 冯元祯 连续介质力学 M 北京：科学出版社，1 9 8 7 (责任编辑欧阳越)水利水电技术第 3 6卷2 0 0 5年第 l 1 期 维普资讯