目前，建筑工程中用于深基坑支护的方式种类较多，而当前最常用方法的主要是深基坑预应力锚杆柔性支护，它的主要优点是安全系数高、造价低廉、施工便捷且基坑原貌得到有效保持。自上世纪90年代预应力锚杆柔性支护的概念提出，得到了市场的广泛认可。本文对应力锚杆柔性支护方法进行了综合分析对比后，最后决定采用数值计算方法对预应力锚杆柔性支护进行分析研究，以达到对支护结构的内力分析[1]。

 

　　2.应力锚杆柔性支护方法优选

 

　　在对预应力锚杆柔性支护方法选取之前，有必要先介绍一下预应力锚杆柔性支护体系，它是由众多小吨位预应力锚杆(索)、面层、锚下承载结构和排水系统组成的。

 

　　随着应力锚杆柔性支护技术的普遍应用，与之产生的支护技术的计算方法也日渐精湛[2]。每种方法都有其应用的独特之处，在此，我们将对各种方法进行一个简单比较。
 

　　有限单元法因其优点成为应力锚杆柔性支护技术计算数值分析的首选方法。其主要实现方式是将支护结构与土体都划分为有限的单元，每个单元均可采用特定模型进行分析[3]。本文提出的建筑工程预应力锚杆柔性支护方法的数值分析，主要是指建筑工程预应力锚杆柔性支护方法的有限单元分析。

 

　　3.数值分析法于建筑工程预应力锚杆柔性支护的运用

 

　　3.1有限单元法实现步骤

 

　　要将数值分析法中的有限单元法运用于应力锚杆柔性支护设计，必须先对有限单元法的实现步骤有一个大致了解。

 

　　3.2有限单元法实现实例分析

 

　　本文以软土地基上路堤的有限元分析法作为建筑工程预应力锚杆柔性支护方法的数值分析的实例。

 

　　有限单元法很容易考虑逐渐加荷的施工方法。为此，需在相当于每一填筑层的标高上布置理想化的有限单元。分析包含有结构物在不同施工阶段，依次的应力和位移的计算。例如，首先仅需考虑最低层的单元。用计算机根据给定的参数求得这些单元的刚度，以及由这些单元所产生的自重力，然后计算在最低层中由于自重而产生的应力和位移。增加一层，则体系由两层填筑层所组成。形成新体系的刚度矩阵，计算机由于第二填筑层自重力产生的位移和应力，再加上原先那层自重引起的位移和应力，则得新体系的总位移和总应力。按这种方法对每一连续进行施工的填筑层重复这些步骤，就可得到路堤由分层填筑完工后在路堤中的位移和应力。

 

　　当路堤不是修建在岩石基础上时，地基的柔度对路堤的位移和应力有很大的影响。这时，用有限元法分析时，需要将路堤和地基联合起来考虑(地基需要考虑一定的深度和宽度)，对不同地基柔度，按分层填筑施工计算的路堤底面位移和应力。垂直应力与地基柔度无关，仅与路堤材料的容重有关。而水平应力和剪应力却随地基柔度变化有明显的不同。通常，由于地基变软它们的数值随之减小。但是，在靠近路堤坡址处的水平应力由于地基变形而有增大。另外，路堤底部的位移与地基柔度关系很大，随到地基变软而增大。同时，由于地基的位移，在路堤体中计算出的位移也相应地增加。

 

　　软土地基上路堤的有限元分析当路堤是修建在软土地基上时，这时需要考虑到依赖于时间的位移因素的影响。索姆斯(Thoms)等人利用有限元法研究了这个问题。他们的主要工作分为有限元程序和确定材料性质这样两个方面。现扼要地介绍如下：

 

　　这个研究的数值方面包括一个计算在乎面应变状态下饱和软土的有很大时间依赖性的位移的程序设计。这个程序可以计算由于一个荷载增量的直接反应，由于流体损失的与时间有关的收缩，以及土壤骨架的长期蠕变效应。非线性几何影响是通过采用一个“几何”刚度矩阵、“平衡”修正以及增量荷载作用来考虑的。有两个基本子程序，一个是固体程序，一个是热流或流散(瞬时孔隙压力)程序。对于整个问题，这个方法包括应用荷载增量，以及同时采用固体程序和压力程序。

 

　　固体程序是考虑应用于由土壤骨架和包含在骨架孔隙中的任何流体组成的混合体上。压力程序是考虑应用于孔隙压力分布和流体流动上。

 

　　这二个程序以下述方法相互联系，两个程序都是以普通的时间比例控制，应用一个初始荷载增量，固体程序是用来确定土壤的直接反应。伴随的应力分布用于确定初始孔隙压力状态。然后，对于一个时间增量，起动孔隙压力程序。是在饱和土渗透性的基础上选择，或者选为增量荷载作用的时间。在末了，由于流体流动产生的每个单元体积的变化，输入到固体程序中作为固体程序下一次应用的初始应变。这时压力程序立即停止。

 

　　由固体程序计算的几何上的改变，然后可用来修正压力程序的求解区域，把前一个时段产生的孔隙压力加上作用荷载附加增量的可能影响，当作孔隙压力的初始值，压力程序又重新开始执行。渗透性各向异性值的可能变化，以及体积变化系数的数值可以在压力程序开始之前插入。

 

　　可见，上面的方法本质上是在路堤整个有意义的时间范围内重复进行。这个方法对于有明显蠕变特征的土壤是特别合适的。

 

　　索姆斯对于所考虑条件下的土壤性质采用了下面的应力-应变构成关系：

 

　　（3-1）

 

　　这样，

 

　　（3-2）

 

　　式中：，是在实在的或虚拟的时间增量内产生的应变增量；

 

　　，是现存的应变矢量增量；

 

　　，总的作用应力，在时间间隔范围内是个常数；

 

　　为混合体应变矢量增量；

 

　　，分别为流体流动应变矢量的增量和次增量；

 

　　为直接应变矢量增量；

 

　　，分别为蠕变应变矢量的增量和次增量；

 

　　[D]为应力-应变矩阵，在内是个常数；

 

　　[C]为应变-应力矩阵，在内是个常数；

 

　　[CC]为蠕变应变-应力矩阵，在内是个常数；

 

　　在时间间隔范围内累计的总应变，由下式给出：

 

　　（3-3）

 

　　[C]和[CC]的确定采用了数值-试验法。为此作者专门设计了一个平面应变试验箱，以收集软土试件的有关参数。对于给定的应力状态(平面应变)，在时间时，应力-应变矩阵[C]的元素计算如下：

 

　　（3-4）

 

　　在方程式3-4)中，材料各向同性和对称性的假定，意味着，，。因为嚣x-y试验轴与主应力轴重合，所以。这样，以时间的试验数据代入上面的方程式中，得到

 

　　应用此方法，对数值模型和物理模型，分别计算和测量直接瞬时变形，其误差达到了小于5%的精度。

 

　　4.结语

 

　　通过对有限分析法的详细分析，并将此数值分析法应用于应力锚杆柔性支护技术，取得了良好的效果，有限单元分析法特别适用应力锚杆柔性支护内力的分析。