基于非线性Mohr–Cou...倾斜条形锚板抗拔承载力预测_王洪涛.pdf

水利与土木工程DOI:10.15961/j.jsuese.202101134基于非线性MohrCoulomb破坏准则的浅埋倾斜条形锚板抗拔承载力预测王洪涛1,2,3，陈昌耀1，张华军3，王海明4，徐涌帅1，范福强1，陈云娟1,2(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南 250101；3.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250100；4.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250004)摘要：针对浅埋倾斜布置条形锚板抗拔承载力预测问题，本文采用非线性MohrCoulomb破坏准则，提出了极限上拔荷载作用下锚板上方土体的非对称曲线型破坏机制，并利用极限分析上限法与虚功率原理，导出了浅埋倾斜条形锚板极限抗拔力和土体破裂曲线的理论解析解。在此基础上，分析得到了埋深比、布设倾角、非线性系数、初始黏聚力、土体重度和地面超载等参数对锚板极限抗拔力和土体破裂范围的影响规律。研究结果显示：锚板极限抗拔力随布设倾角、埋深比、土体初始黏聚力、重度与地面超载增加而增大，但随非线性系数增加而减小；土体破裂范围随非线性系数和土体重度增加而减小，随初始黏聚力和地面超载增加而增大；锚板倾角、埋深比、土体黏聚力与非线性系数对倾斜条形锚板极限抗拔力和土体破裂范围影响较为显著，在工程设计及施工中应予以重视。将本文结果和现有研究工作进行对比分析，本文方法计算求得的锚板极限抗拔力及土体破裂范围与已有研究方法成果具有较好的吻合特性，进一步验证了本文方法的有效性。本文研究工作可为条形锚板设计及施工提供一定理论参考。关键词：非线性MohrCoulomb破坏准则；倾斜锚板；抗拔承载力；上限定理中图分类号：TU470文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0232-10Prediction of Uplift Capacity of ShallowBuried Inclined Strip Anchor PlateBased on Nonlinear MohrCoulomb Failure CriterionWANG Hongtao1,2,3，CHEN Changyao1，ZHANG Huajun3，WANG Haiming4，XU Yongshuai1，FAN Fuqiang1，CHEN Yunjuan1,2(1.School of Civil Eng.,Shandong Jianzhu Univ.,Jinan 250101,China;2.Key Lab.of Building Structural Retrofitting and Underground Space Eng.(Shandong Jianzhu Univ.),Ministry of Education,Jinan 250101,China;3.Jinan Rail Transit Group Co.,Ltd,Jinan 250100,China;4.Jinan Municipal Eng.Design&Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Jinan 250004,China)Abstract:Aiming at the prediction of the uplift capacity of shallow-buried inclined strip anchor plates,the nonlinear Mohr-Coulomb failure cri-terion was employed in the analyses,and an asymmetric curve failure mechanism of the soil mass above the anchor plate in a limit state was pro-posed.Then based on the upper bound method and the principle of virtual power,the analytical solutions for the ultimate pullout force of the an-chor plate and the soil failure curve were deduced.On this basis,the influence laws of buried depth ratio,inclination angle,nonlinear coefficient,initial cohesion,unit weight,and ground overload on the ultimate pullout force and soil failure range were obtained.The results show that the ulti-mate pullout force of the anchor plate increases with the increase of inclination angle,buried depth ratio,initial cohesion,unit weight,and groundoverload,but decreases with the increase of nonlinear coefficient.The failure range of the soil mass decreases with the increase of nonlinear coef-ficient and unit weight but increases with the increase of initial cohesion and ground overload.The inclination angle,buried depth ratio of the an-收稿日期:2021 11 12基金项目:国家自然科学基金项目（51704177；42172310）；中国博士后科学基金资助项目（2022M711314）；山东省自然科学基金（ZR2022ME088）；山东省高等学校科技计划项目（J16LG04）；山东建筑大学博士科研基金项目（XNBS1501）作者简介:王洪涛（1986），男，副教授.研究方向：岩土锚固理论及地下工程支护.E-mail：网络出版时间:2022 10 12 13:32:15 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023chor plate and the initial cohesion,and nonlinear coefficient of the soil mass have a significant influence on the uplift capacity and failure range,and more attention should be paid to engineering design and construction.Finally,a comparison analysis with existing research works was con-ducted.The ultimate pullout force and the failure range of the anchor plate obtained by this method are in good agreement with the results of ex-isting research methods,which further verifies the effectiveness of the proposed method.The research work can provide some theoretical refer-ences for the design and construction of strip anchor plates.Key words:nonlinear MohrCoulomb failure criterion;inclined anchor plate;uplift capacity;upper bound theorem 锚板是一种埋设于地层土体内部的板式结构基础，可有效为建（构）筑物提供抗拔力。锚板基础具有施工工序简单、经济效益高和对周围环境扰动少等优势，目前已广泛应用于悬浮式海上平台、边坡挡墙、输电塔基础、地下结构抗浮及其他高耸结构等工程领域。常见的锚板形状包括圆形、条形与矩形等。根据工程需要与荷载作用方向要求，在安装锚板时可采用水平、垂直及倾斜等形式进行布设。在锚板基础设计时，准确预测其抗拔承载力一直是设计人员关注的重点。国内外学者围绕该问题也开展了较为广泛的研究，常用研究方法包括理论分析、数值模拟和室内试验3大类。在理论分析方面，王洪涛1、Zhao23、Hu4等基于非线性MohrCou-lomb准则和极限分析上限定理，研究了不同因素对水平条形锚板极限抗拔力和土体破裂范围的影响规律；余生兵56、黄茂松7等基于锚板破坏的旋转块体集和组合块体集理论，提出了浅埋和深埋条形锚板抗拔承载力预测方法，并探讨了不同因素影响规律；张晓曦等8应用极限平衡原理并结合水平条分法，研究了不同参数影响下条形锚板的极限抗拔力；Is-lam等9使用非线性有限元方法研究条形锚板在黏性土中的抗拔影响因素。在数值模拟方面，于龙10、刘君11等采用弹塑性有限元分析方法并结合数值模拟，对不同固结条件下的锚板抗拔承载力进行深入的分析；Wang等12应用有限元分析软件对矩形锚板连续拉拔过程进行数值模拟；Chen13、Bhattacharya1415等基于有限元分析方法，研究了条形锚板在不同土体中的拉拔过程；Evans等16基于离散元方法分析了水平锚板上拔过程中不同参数对锚固承载力的影响规律。在试验研究方面，朱泳17、陈榕18等运用改装的试验装置，对锚板在砂土中的抗拔特性进行了研究；郝冬雪等19开展了小比例尺拉拔模型试验，分析了锚板形状和尺寸对上拔承载特性的影响；Zhang20、Choudhary21等通过室内模型试验分别研究了软黏土和加筋砂土中锚板的抗拔性能；Kanitz等22基于粒子成像测速技术和模型性试验研究了锚板上拔速度对其抗拔力的影响；Rahimi等23基于模型试验并结合有限元分析研究了土工加筋土对提高锚板抗拔性能的影响。在上述研究工作中，学者们多围绕水平布设锚板进行研究。但在实际工程中，受工程选址或抗拔设计要求影响，不可避免地会选择一定倾斜角度布设锚板，而目前关于倾斜锚板研究还相对较少。锚板形状、布设角度、土体强度参数及破裂特征等因素，均会对锚板抗拔承载性能产生显著影响。本文在现有理论研究工作基础上，基于非线性MohrCoulomb破坏准则，进一步围绕浅埋倾斜条形锚板进行研究，提出极限上拔荷载作用下锚板上方土体的非对称曲线型破坏机制，并利用极限分析上限法与变分原理，导出锚板极限抗拔承载力和土体破裂曲线的理论解析解，并分析得到埋深比、布设倾角、非线性系数、土体初始黏聚力、重度及地面超载等参数对锚板抗拔承载力和土体破裂范围的影响规律，可为倾斜工况条形锚板基础设计及施工提供一定理论参考。1 浅埋倾斜条形锚板上拔破坏力学模型及基本假设2aPu uqxzf1(x)f2(x)12l1l2n1n1n2n2在斜拉上拔荷载作用下，地层中任一布设倾角的浅埋条形锚板上方土体会发生破坏，并最终贯通至地表；锚板布设倾角对土体破裂机制产生显著影响。当水平布设锚板时，锚板上方覆土厚度无变化，破裂范围呈现对称性，这与文献1的破坏机制