【摘要】本文針對建筑工程預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)方法進(jìn)行了綜合了比較，得知有限單元數(shù)值分析法最適用于對支護(hù)內(nèi)力分析，它的規(guī)范化程序化以及方便模擬土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力學(xué)行為的優(yōu)點(diǎn)使他成為應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)的首要方法，最后，通過軟土地基上路堤的有限元分析法測試了此方法在柔性支護(hù)技術(shù)的運(yùn)用。
1.引言
目前，建筑工程中用于深基坑支護(hù)的方式種類較多，而當(dāng)前最常用方法的主要是深基坑預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是安全系數(shù)高、造價(jià)低廉、施工便捷且基坑原貌得到有效保持。自上世紀(jì)90年代預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)的概念提出，得到了市場的廣泛認(rèn)可。本文對應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)方法進(jìn)行了綜合分析對比后，最后決定采用數(shù)值計(jì)算方法對預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)進(jìn)行分析研究，以達(dá)到對支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析[1]。
2.應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)方法優(yōu)選
在對預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)方法選取之前，有必要先介紹一下預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)體系，它是由眾多小噸位預(yù)應(yīng)力錨桿(索)、面層、錨下承載結(jié)構(gòu)和排水系統(tǒng)組成的。
隨著應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)技術(shù)的普遍應(yīng)用，與之產(chǎn)生的支護(hù)技術(shù)的計(jì)算方法也日漸精湛[2]。每種方法都有其應(yīng)用的獨(dú)特之處，在此，我們將對各種方法進(jìn)行一個(gè)簡單比較。
有限單元法因其優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)技術(shù)計(jì)算數(shù)值分析的首選方法。其主要實(shí)現(xiàn)方式是將支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體都劃分為有限的單元，每個(gè)單元均可采用特定模型進(jìn)行分析[3]。本文提出的建筑工程預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)方法的數(shù)值分析，主要是指建筑工程預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)方法的有限單元分析。
3.數(shù)值分析法于建筑工程預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)的運(yùn)用
3.1有限單元法實(shí)現(xiàn)步驟
要將數(shù)值分析法中的有限單元法運(yùn)用于應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)設(shè)計(jì)，必須先對有限單元法的實(shí)現(xiàn)步驟有一個(gè)大致了解。
3.2有限單元法實(shí)現(xiàn)實(shí)例分析
本文以軟土地基上路堤的有限元分析法作為建筑工程預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)方法的數(shù)值分析的實(shí)例。
有限單元法很容易考慮逐漸加荷的施工方法。為此，需在相當(dāng)于每一填筑層的標(biāo)高上布置理想化的有限單元。分析包含有結(jié)構(gòu)物在不同施工階段，依次的應(yīng)力和位移的計(jì)算。例如，首先僅需考慮最低層的單元。用計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的參數(shù)求得這些單元的剛度，以及由這些單元所產(chǎn)生的自重力，然后計(jì)算在最低層中由于自重而產(chǎn)生的應(yīng)力和位移。增加一層，則體系由兩層填筑層所組成。形成新體系的剛度矩陣，計(jì)算機(jī)由于第二填筑層自重力產(chǎn)生的位移和應(yīng)力，再加上原先那層自重引起的位移和應(yīng)力，則得新體系的總位移和總應(yīng)力。按這種方法對每一連續(xù)進(jìn)行施工的填筑層重復(fù)這些步驟，就可得到路堤由分層填筑完工后在路堤中的位移和應(yīng)力。
當(dāng)路堤不是修建在巖石基礎(chǔ)上時(shí)，地基的柔度對路堤的位移和應(yīng)力有很大的影響。這時(shí)，用有限元法分析時(shí)，需要將路堤和地基聯(lián)合起來考慮(地基需要考慮一定的深度和寬度)，對不同地基柔度，按分層填筑施工計(jì)算的路堤底面位移和應(yīng)力。垂直應(yīng)力與地基柔度無關(guān)，僅與路堤材料的容重有關(guān)。而水平應(yīng)力和剪應(yīng)力卻隨地基柔度變化有明顯的不同。通常，由于地基變軟它們的數(shù)值隨之減小。但是，在靠近路堤坡址處的水平應(yīng)力由于地基變形而有增大。另外，路堤底部的位移與地基柔度關(guān)系很大，隨到地基變軟而增大。同時(shí)，由于地基的位移，在路堤體中計(jì)算出的位移也相應(yīng)地增加。
軟土地基上路堤的有限元分析當(dāng)路堤是修建在軟土地基上時(shí)，這時(shí)需要考慮到依賴于時(shí)間的位移因素的影響。索姆斯(Thoms)等人利用有限元法研究了這個(gè)問題。他們的主要工作分為有限元程序和確定材料性質(zhì)這樣兩個(gè)方面?，F(xiàn)扼要地介紹如下：
這個(gè)研究的數(shù)值方面包括一個(gè)計(jì)算在乎面應(yīng)變狀態(tài)下飽和軟土的有很大時(shí)間依賴性的位移的程序設(shè)計(jì)。這個(gè)程序可以計(jì)算由于一個(gè)荷載增量的直接反應(yīng)，由于流體損失的與時(shí)間有關(guān)的收縮，以及土壤骨架的長期蠕變效應(yīng)。非線性幾何影響是通過采用一個(gè)“幾何”剛度矩陣、“平衡”修正以及增量荷載作用來考慮的。有兩個(gè)基本子程序，一個(gè)是固體程序，一個(gè)是熱流或流散(瞬時(shí)孔隙壓力)程序。對于整個(gè)問題，這個(gè)方法包括應(yīng)用荷載增量，以及同時(shí)采用固體程序和壓力程序。
固體程序是考慮應(yīng)用于由土壤骨架和包含在骨架孔隙中的任何流體組成的混合體上。壓力程序是考慮應(yīng)用于孔隙壓力分布和流體流動(dòng)上。
這二個(gè)程序以下述方法相互聯(lián)系，兩個(gè)程序都是以普通的時(shí)間比例控制，應(yīng)用一個(gè)初始荷載增量，固體程序是用來確定土壤的直接反應(yīng)。伴隨的應(yīng)力分布用于確定初始孔隙壓力狀態(tài)。然后，對于一個(gè)時(shí)間增量，起動(dòng)孔隙壓力程序。是在飽和土滲透性的基礎(chǔ)上選擇，或者選為增量荷載作用的時(shí)間。在末了，由于流體流動(dòng)產(chǎn)生的每個(gè)單元體積的變化，輸入到固體程序中作為固體程序下一次應(yīng)用的初始應(yīng)變。這時(shí)壓力程序立即停止。
由固體程序計(jì)算的幾何上的改變，然后可用來修正壓力程序的求解區(qū)域，把前一個(gè)時(shí)段產(chǎn)生的孔隙壓力加上作用荷載附加增量的可能影響，當(dāng)作孔隙壓力的初始值，壓力程序又重新開始執(zhí)行。滲透性各向異性值的可能變化，以及體積變化系數(shù)的數(shù)值可以在壓力程序開始之前插入。
可見，上面的方法本質(zhì)上是在路堤整個(gè)有意義的時(shí)間范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行。這個(gè)方法對于有明顯蠕變特征的土壤是特別合適的。
索姆斯對于所考慮條件下的土壤性質(zhì)采用了下面的應(yīng)力-應(yīng)變構(gòu)成關(guān)系：
?。?-1）
這樣，
?。?-2）
式中：，是在實(shí)在的或虛擬的時(shí)間增量內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變增量；
，是現(xiàn)存的應(yīng)變矢量增量；
，總的作用應(yīng)力，在時(shí)間間隔范圍內(nèi)是個(gè)常數(shù)；
為混合體應(yīng)變矢量增量；
，分別為流體流動(dòng)應(yīng)變矢量的增量和次增量；
為直接應(yīng)變矢量增量；
，分別為蠕變應(yīng)變矢量的增量和次增量；
[D]為應(yīng)力-應(yīng)變矩陣，在內(nèi)是個(gè)常數(shù)；
[C]為應(yīng)變-應(yīng)力矩陣，在內(nèi)是個(gè)常數(shù)；
[CC]為蠕變應(yīng)變-應(yīng)力矩陣，在內(nèi)是個(gè)常數(shù)；
在時(shí)間間隔范圍內(nèi)累計(jì)的總應(yīng)變，由下式給出：
?。?-3）
[C]和[CC]的確定采用了數(shù)值-試驗(yàn)法。為此作者專門設(shè)計(jì)了一個(gè)平面應(yīng)變試驗(yàn)箱，以收集軟土試件的有關(guān)參數(shù)。對于給定的應(yīng)力狀態(tài)(平面應(yīng)變)，在時(shí)間時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變矩陣[C]的元素計(jì)算如下：
?。?-4）
在方程式3-4)中，材料各向同性和對稱性的假定，意味著，，。因?yàn)閲蘹-y試驗(yàn)軸與主應(yīng)力軸重合，所以。這樣，以時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上面的方程式中，得到
應(yīng)用此方法，對數(shù)值模型和物理模型，分別計(jì)算和測量直接瞬時(shí)變形，其誤差達(dá)到了小于5%的精度。
4.結(jié)語
通過對有限分析法的詳細(xì)分析，并將此數(shù)值分析法應(yīng)用于應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)技術(shù)，取得了良好的效果，有限單元分析法特別適用應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)內(nèi)力的分析。
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