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预应力锚杆柔性支护法机理与力学行为研究

涂兵雄  
【摘要】:预应力锚杆柔性支护法是一种新的深及超深基坑支护技术,目前采用该技术支护的大连远洋大厦深基坑深度为25.6m,大连国际金融中心超深基坑已经达到30.0m。预应力锚杆柔性支护技术主要由预应力锚杆、锚下承载结构以及喷射混凝土面层组成,具有造价低、工期短、施工占地小、施工便捷、安全可靠等优点,并广泛适用于风化岩层和中等强度及以上的岩土层,应用十分普遍。本文主要针对预应力锚杆柔性支护法技术,重点以压力型锚杆锚固机理、喷射混凝土面层上的土压力、锚下承载结构的承载力以及基坑的力学行为作为研究对象,利用理论分析、解析计算、试验对比和数值模拟等多种研究手段,得到了一些可直接应用于工程或供理论参考的研究成果。主要研究内容如下: (1)综合考虑锚固体弹性模量和泊松比,岩土体粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比,以及锚固体与岩土体界面上的粘结力以及外摩擦角,并引入锚固体与岩土体界面粘结力工作条件系数,推导了压力型锚杆锚固体与岩土体界面剪应力和锚固体轴力的计算公式并进行了参数影响分析。结果表明:压力型锚杆锚固段上剪应力和轴力均呈指数分布,且随到承载体处距离的增加而逐渐衰减。考虑锚固体与岩土体界面粘结力影响后,得到的锚固体界面上的剪应力比不考虑界面粘结力得到的剪应力要小,而轴力要大。在此基础上,分析了压力型单孔复合锚的锚固机理,推导了其锚固体上的剪应力和轴力计算公式,其荷载传递规律及参数影响研究结果表明:岩土体相对越坚硬,即岩土体弹性模量越大、泊松比越小、粘聚力越大、内摩擦角越大,则剪应力分布越不均匀,且剪应力和轴力衰减越快。压力型单孔复合锚由于在锚杆钻孔内同时设置多个承载体,形成多级锚固单元共同受力,各承载体单元受到的荷载大大降低,界面上的剪应力也大大降低,各单元锚固段上的侧摩阻力都得到较好的发挥,受力更加均匀合理。 (2)采用解析的方法,对压力型锚杆在受拉荷载及锚固体系极限承载力时的最大锚固长度进行了研究,得出了相应的锚固长度的计算方法,并分析了不同参数对锚固长度的影响,结果表明:岩土体弹性模量越大,泊松比越小,粘聚力越大,内摩擦角越大,则荷载在锚固段上传递的长度越小;泊松比对荷载传递长度的影响很小,几乎可以忽略不计。通过与压力型锚杆的室内模型试验结果对比,理论计算的荷载传递长度与模型试验测试结果吻合较好。另外,本文得出的压力型锚杆的锚固长度计算方法计算的结果与规范值比较吻合,由于规范假定侧摩阻力均匀分布,当实际锚固长度大于规范值或大于本文方法的计算值时,有可能会因为超出部分锚固段上的侧阻力得不到发挥而导致锚杆的锚固力达不到设计要求。本文得出的锚固长度计算方法,简单实用,可以较好地指导指导实际工程设计与施工。 (3)基于土拱效应,建立了预应力锚杆柔性支护法喷射混凝土面层土压力的分析模型,推导得出了作用在喷射混凝土面层上的土压力计算公式,并与简仓法和规程法进行了对比分析,结果表明:基于主动土压力的土钉规程法计算面层土压力明显偏高;本文法计算结果与简仓法比较吻合,但是简仓法由于没有考虑面层与岩土体间的外摩擦角以及岩土体的粘聚力影响,计算结果相对比较粗糙。通过进一步研究分析,提出了预应力锚杆柔性支护法喷射混凝土面层上土压力的简化计算公式。并将土拱效应应用于粘性填土的平动刚性挡土墙,推导了考虑土拱效应的挡土墙上主动土压力解析式,在不同情况下该解的简化解与现有经典解析结果及前人推导结果完全吻合,计算结果表明:土拱效应使挡土墙的主动土压力呈非线性分布,考虑土拱效应后,挡土墙中上部的土压力要大于经典土压力计算结果,而在中下部尤其是底部,得到的主动土压力偏小 (4)采用三维有限元分析软件,对预应力锚杆柔性支护法的锚下承载结构进行了数值试验分析,研究了不同型号槽钢组合形式下锚下承载结构的承载力,结果表明:厚垫板和竖向肋筋在一定程度上可以适当提高锚下承载结构的承载力;喷射混凝土约束可以有效控制锚下承载结构的侧向变形,增强结构的稳定性;且喷射混凝土全约束时,约束混凝土和槽钢形成复合承载结构,锚下承载结构的承载力得到较大提高,而喷射混凝土半约束时基本不提高结构的承载力;在槽钢上翼缘指定位置设置水平连接筋能有效控制结构的侧向变形,且设置水平连接筋后,喷射混凝土约束对控制槽钢侧向变形的效果大幅削弱。工程应用结果表明,通过数值试验得到的锚下承载结构承载力能很好地满足工程需要。本文得到的数值试验结果可为预应力锚杆柔性支护设计和施工提供科学依据和技术指导。 (5)结合预应力锚杆柔性支护深基坑工程案例,通过锚杆的拉拔试验,分析了锚杆在风化岩层中的抗拔力及锚固段侧模阻力分布规律,结果表明:锚杆的侧摩阻力呈非线性分布,锚杆的抗拔力并不随锚杆长度的增加而线性增加,仅仅采用增加锚杆锚固段长度的方法来提高锚杆的抗拔力是不合理的。采用FLAC软件对预应力锚杆柔性支护基坑进行了数值模拟,模拟得到的水平位移与实际工程监测值吻合较好。并重点分析了锚杆预应力对基坑变形及滑移场的影响,结果表明:锚杆预应力能有效控制基坑变形并改善基坑的滑移场,在一定范围内,预应力越大效果越明显,但是当锚杆预应力超过一定范围后,继续增大预应力几乎不起作用,反而在一定程度上延长工期。相关研究结论对预应力锚杆柔性支护基坑的合理设计与优化施工都具有一定的参考作用。


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