锚索和地下连续墙联合支护的开挖过程模拟(Tieback Wall)

1 引言

先前的软土地层开挖使用了地下连续墙和支杆对地层进行支护，在硬土地层开挖更多地使用地下连续墙(concrete diaphragm)和预应力锚索(prestressed ground anchors)联合支护，即Tie-back Wall。下面简要总结了这个项目的模拟过程和关键步骤。

软土地层开挖和支护模拟(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 1

软土地层开挖和支护模拟(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 2

软土地层开挖和支护模拟(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 3

2 模拟过程

2.1 材料模型

模型的开挖宽度为20m，深度为15m。混凝土连续墙长度为16m，厚度为0.35m。开挖边界两侧使用两排锚索支护墙体。为了叙述简洁方便，这里我使用了"锚索"，等同于"地层锚杆"的称谓, 这是从采矿工程借用过来的一个术语，锚索与锚杆的本质区别在于长度。在采矿工程中，一般长度8m以下的称作锚杆，8m以上的称作锚索。不管怎样，这只是一个专业的称谓。锚索长度为14.5m，与水平面的夹角为33.7°（2:3)。在开挖左侧地表，存在一个10kPa/m的线性载荷。

地层由三层土组成。第一层是Silt, 厚度3m; 第二层是Sand, 厚度12m; 第三层是Loam, 厚度15m。按照上面的几何模型建立材料模型。使用“Create borehole”工具产生三层土，均采用硬化土模型(Hardening soil)，排水类型按排干drained。

2.2 安装地下连续墙

地下连续墙的模拟包括墙体模型建立以及使用界面元模拟墙与土体的相互作用。使用“Create structure”工具创建板单元，然后输入板的材料参数，最后把材料模型赋值到几何模型。选择地下连续墙的几何体，为其两侧创建正界面和负界面。

2.3 安装锚索

首先产生三步开挖，第一步开挖至3m, 系统自动定义到Sand层的底部；第二步开挖至7m, 第三步开挖至10m；然后安装锚索，锚索使用非全长粘结【全长粘结锚杆数值模型(fully grouted cable bolts) 】，非锚固段使用node-to-node anchor模型，锚固段使用Embedded beam row模型【Plaxis 3D/2D中桩的模拟---Embedded Beam(Pile) Modeling】。最后定义分布载荷。

2.4 划分网格

在完成上述步骤后，产生的网格如下图所示。

2.5 计算阶段

这个项目的计算划分为6个阶段。在初始阶段后，按顺序增加: (1) Phase 1安装墙和线性载荷。(2) Phase 2第一步开挖。(3) Phase 3 安装第一层锚索，施加预应力。(4) Phase 4 第二步开挖。(5) 安装第二层锚索，施加预应力。(6) 最后一步开挖。

3 计算结果

下面所示的是最后阶段的网格变形图和主应力分布图。

4 关键步骤

本项目的第一个重点是如何模拟非全长粘结的锚索，非锚固段使用node-to-node anchor模型，锚固段使用Embedded beam row模型；第二个重点是Van Genuchten关系式的使用，通过计算地下水流产生新的水压力(孔隙压力)分布。