关于预应力锚索框架作用下附加应力的FLAC模拟研究

　　预应力锚索框架作用下附加应力的FLAC模拟
　　[摘要]为研究预应力锚索框架与岩土体的相互作用机理及施加预应力产生的附加应力,以福建省漳(州)龙(岩)高速公路和溪段K63+730～950与K64+690～790边坡的锚索框架加固为工程实例,在对预应力锚索框架结构力学作用机理分析的基础上,建立相应的三维地质力学模型,应用FLAC3D快速拉格郎日差分程序对此进行数值模拟,并对这种抑制结构作用下的附加应力分布规律进行了初步探索。
　　[关键词]FLAC3D;预应力锚索框架;地梁;附加应力
　　随着高速公路网建设向山区的转移,将出现大量的路堑类土质边坡,所以如何采用经济、安全的措施对这些边坡进行加固,保证高速公路的正常运营是当前一个极其重要的课题。预应力锚索框架结构采用对预应力锚索施加的预应力将滑动岩体与稳定岩体紧密连结为一体,增加岩体各层面的抗滑力,同时又通过坡面上框架梁将各个锚索有效地连成一个整体,形成一个由表及里的加固体系,进而达到防止整体边坡失稳的目的,是一种新型的抗滑结构。但作者查阅大量文献后发现,目前为止,预应力锚索框架结构对岩土体作用机理、影响范围、作用后的应力分布等的研究还相对较少,对施加预应力坡体内所产生的附加应力的研究参见有关文献资料。传统的附加应力是利用弹性理论,假定地质体为均质线弹性体推导出来的,即布辛内斯克解。但实际上,一些学者的试验研究及测量结果表明,土体中附加应力的分布是受土体的非线性、非均质和各向异性的影响的。而传统的土压力的测试中,土压力盒的埋设对土压力有一定的扰动,对测试结果有很大影响,而且价值昂贵,只能在有限深度内测试有限个点,这对研究预应力锚索框架对边坡加固后的附加应力分布是远远不够的。而附加应力却是结构设计的一个重要基础。本文在对预应力锚索框架结构力学作用机理分析的基础上,应用美国ITASCA咨询集团公司开发的FLAC3D快速拉格郎日差分程序对此作了相应的数值模拟,并对这种抑制结构作用下的附加应力分布规律进行了初步探索。
　　1　力学作用模式
　　岩土体内的应力产生原因有两种:由岩土体本身自重引起的自重应力和由外荷载引起的附加应力。一般来说,自重应力引起的地基压缩变形绝大部分已经在地质历史时期完成,所以,影响坡体变形稳定性的主要为由抑制结构所引起的附加应力。采用预应力锚索抗滑,抑制件为连续格形结构地梁即框架,将梁嵌入坡体与坡面平直,并通过钻孔将钢绞线或高强度的钢丝固定于深部稳定的地层中,并在被加固体表面通过张拉产生预应力,控制岩体的变形和位移,改善岩体的应力状态,提高岩体强度,同时保证锚索在抗滑结构中的均匀性、连续性及整体性,从而达到加固边坡稳定和限制其变形的目的。预应力锚索框架中,将锚索锚固到框架上,锚固力首先作用于框架,然后通过框架传递给岩土体,从而在岩土体中产生附加应力,调整岩土体内应力环境,起到加固边坡的目的。其作用模式可以看作柱下交叉条形基础与地基之间的相互作用。而框架相对于岩土体来说是一种刚性结构,预应力锚索框架是利用施加于锚索上的预应力,通过框架传入稳定地层。根据弹性地基梁计算原理,可将锚索预应力简化为框架交叉处施加一个集中外荷载,利用荷载分配法,按交汇于接点处的纵横梁的线刚度来分配该接点处的垂向荷载,即将锚索预应力分配到各自梁上。根据锚索预应力作用的对称性,框架对地基的作用相当于锚索预应力传递到框架后分配到框架上的均布力作用在矩形面积上。所以,在锚索框架组成的抑制结构作用下,岩土体中的附加应力即相当于交叉型矩形均布荷载作用下的附加应力。
　　2　FLAC3D及其结构单元
　　FLAC是快速拉格郎日差分分析(FastLagrangian Analysis of Continua)的简写。FLAC是力学计算的数值方法之一,该名词源于流体动力学,它研究每个流体质点随时间变化的情况,即着眼于某一个流体质点在不同时刻的运动轨迹、速度及压力等。快速拉格郎日差分分析将计算域划分为若干单元,单元网格可以随着材料的变形而变形,即所谓的拉格朗日算法,这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。FLAC3D可以模拟任意形状、任意特性的结构体与岩土体的相互作用,以及力作用在结构体上或岩土体时,结构体和岩土体的力学反应。FLAC3D可以模拟4种结构单元(梁、锚索、桩及板壳单元)。FLAC3D中,结构单元的计算模式与其他计算一样,利用的依然是与隐式矩阵算法相对应的解全运动方程的显式拉格郎日算法。结构单元力学性态的计算模拟可以通过几何大变形和小变形两种计算模式计算,而且还设置动力状态来模拟结构与岩土体的动力反应。预应力锚索框架结构中,应用的结构单元有两种:梁单元(BeamSel)和锚索单元(CableSel),其主要特点如下:梁单元:假定为线性弹性材料,为线单元,具有两个节点,每个节点6个自由度(3个位移分量和3个转动分量),可以承受一定弯矩,允许有一定的挠曲。锚索单元:为两节点的线单元,只允许轴向变形,一个自由度,只能承受拉力或压力,而不能承受弯矩。结构单元之间以及结构单元与岩土体之间的相互作用是通过联接来完成的,FLAC中有两种联接:节点与单元之间的联接和节点与节点之间的联接。其类型有三种:自由联接(节点速度与它的联接体无关)、刚性联接(节点与联接体连接在一起,速度相同)、可变连接(节点与联接体之间为弹性)。通过联接关系来实现力的传递,进而实现其相互作用。本次计算中采用的是刚性联接。