杨阳
（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙，410014）
摘要：利用ANSYS大型有限元软件，建立导墙三维模型，分析预应力锚索对导墙抗滑稳定及导墙基础应力的影响，结果表明，预应力锚索可以明显改善导墙侧向的抗滑稳定性，减小导墙基础左侧的侧向拉应力，但不能有效增大导墙基础左侧的竖向压应力；预应力合力越大，导墙抗滑稳定安全性越高，导墙基础左侧侧向拉应力越小；在预应力合力相同时，锚索根数越少，导墙抗滑稳定效果越好，但对导墙基础应力影响很小；锚索的灌浆高度以及锚索长度对导墙的抗滑稳定及导墙基础应力影响均不大。
关键词：预应力，锚索，导墙，抗滑稳定，应力
0引言：
预应力锚索具有经济、安全、可靠的优点，在水利水电、铁路交通、城市建设、地下工程、国防建设和采矿工程等行业中得到了广泛的应用，并获得巨大的成功，取得了良好的经济和社会效益[1]。很多学者对此做了大量的研究，王全成[2]等人使用磁通量传感器对拉力集中型预应力锚索锚固段钢绞线应力分布进行研究，分析了预应力锚索锚固段钢绞线应力传递和分布的规律，结果表明磁通量传感器技术可作为锚索基本试验等各种试验中钢绞线应力分布检测的一种有效的方法。邓东平[3] 等人使用滑动面搜索新方法，对预应力锚索加固边坡进行稳定性分析，结果表明，锚索加固可有效提高边坡的稳定性，同时，也增大了原有边坡发生滑动的范围，单位水平加固间距上的锚固力越大，锚索对边坡的加固效应越明显。
本文通过有限元软件对导墙及预应力锚索进行仿真模拟，研究了预应力锚索对导墙抗滑稳定及导墙基础应力的影响。
1计算模型与条件
1.1计算模型及材料属性
取某导墙作为研究对象，研究预应力锚索对导墙的影响。导墙混凝土与地基岩体采用八节点六面体单元模拟，锚索采用杆单元模拟，锚索与水平面夹角均为20°。地基左右侧面、上下游面施加法向约束，底面施加全约束。模型X向为左右岸方向，Y向为竖直方向，Z向为上下游方向，整体模型如图1所示。
图1 导墙有限元模型
结构材料属性见表1。
表1 材料属性
1.2计算荷载及方案
导墙的计算荷载包括：（1）混凝土自重；（2）右导墙左侧水推力；（3）扬压力；（4）锚索力。
锚索预应力的模拟采用降温方法施加：
其中，预应力锚索膨胀系数为1.0×10-5，锚索直径为10mm，单根锚索的预应力分别取1000kN、2000kN、3000kN、4000kN。
根据锚索灌浆高度、单根锚索预应力以及锚索根数的不同，分为8个方案进行计算，计算方案如表2所示，其中方案一为无预应力锚索方案，方案二到方案八为施加预应力锚索方案。
表2 计算方案
2计算结果分析
2.1导墙抗滑稳定分析
在计算抗滑稳定时，采用安全系数法，即利用有限元计算得到的地基面上的正应力和剪应力值，通过积分求得地基面上总的抗滑力与总的滑动力的比值，即为抗滑稳定安全系数。
左右侧向（X向）抗滑稳定安全系数的计算公式见式（2）。
其中：为右导墙混凝土与地基接触面上的抗剪断摩擦系数，值为0.85；
为右导墙混凝土与地基接触面上的抗剪断凝聚力，值为0.65MPa；
为右导墙混凝土与地基接触面面积，m2；
为右导墙混凝土与地基接触面上的法向正应力，
即为作用在地基面上的总法向力；
为右导墙混凝土与地基接触面上的X向剪应力，
即为地基面上的X向总滑动力。
通过计算，各方案导墙侧向抗滑安全系数如表3所示。
表3 各方案导墙抗滑安全系数
由方案一和其他施加预应力方案对比可知，预应力锚索可以明显改善导墙侧向的抗滑稳定性，增大导墙抗滑稳定安全系数；方案三比方案二安全系数增加了11.6%，方案四比方案二安全系数增加了25.6%，故预应力合力越大，导墙抗滑稳定安全性越高；方案三、方案五和方案六锚索在基岩的灌浆高度不同，三种方案计算所得安全系数相差不大，灌浆太靠近导墙基础面，锚索效果略差，但总体来看，锚索的灌浆高度对导墙的抗滑稳定影响不大；通过方案三和方案七的对比可知，在预应力合力相同时，锚索根数越少，导墙抗滑稳定效果越好；方案三与方案八计算结果基本相同，故锚索长度对抗滑稳定影响不大。
2.2导墙基础应力
在导流过程中，导墙基础左侧可能会产生侧向拉应力，而侧向和竖向最大压应力一般在导墙基础最右侧产生，各方案下导墙基础应力如表4、表5所示，由表4可知，预应力锚索可以明显减小导墙基础左侧的侧向拉应力；对比方案二、三、四可知，预应力合力越大，导墙基础左侧侧向拉应力越小；表5为导墙基础竖直方向应力，在导流过程中，导墙基础左侧竖直方向不应出现拉应力，由八个方案可知，预应力锚索不能有效增大导墙基础左侧的压应力，故导墙基础左侧竖直方向出现拉应力时，施加预应力锚索不是有效的措施。由方案三、五、六可知，锚索灌浆高度对导墙基础应力影响不大，通过方案三和方案八可得，锚索长度对导墙基础应力影响不大，对比方案三和方案七可知，在预应力合力相同时，锚索根数对导墙基础应力影响很小。
3结论
预应力锚索可以明显改善导墙侧向的抗滑稳定性，预应力合力越大，导墙抗滑稳定安全性越高；锚索的灌浆高度以及锚索长度对导墙的抗滑稳定影响不大；在预应力合力相同时，锚索根数越少，导墙抗滑稳定效果越好。
预应力锚索可以明显减小导墙基础左侧的侧向拉应力，预应力合力越大，导墙基础左侧侧向拉应力越小，但预应力锚索不能有效增大导墙基础左侧的竖向压应力；锚索灌浆高度和锚索长度对导墙基础应力影响不大；预应力合力相同时，锚索根数对导墙基础应力影响很小。
通过对预应力锚索的分析，为导流墙在设计或运行过程中，针对不同情况，是否选用预应力锚索，以及选择施加的应力大小、锚索参数等提供主要的依据。