1、1列车动载作用下基坑锚索预应力变化规律研究摘要:石家庄六线隧道明挖基坑与既有京广线近距离并行长达 5km，既有铁路运营的长期振动必然对基坑桩锚支护体系稳定性造成影响。研究锚索支护体系内力变化规律对保证基坑支护稳定及铁路运营安全有着重大意义。基于此，在石家庄六线隧道选取代表性区段，进行了锚索锚固力长期监测现场试验。同时，利用 FLAC-3D软件建立数值模型，分析总结锚索预应力的动载响应规律。 关键词: 列车动载; 锚索预应力;明挖基坑 中图分类号：TV551.4 文献标识码： A 文章编号： 1、研究思路与方法 利用数值方法分析列车长期作用下锚索支护体系内力变化时，需要解决两个关键技术问题：一个
2、是长期荷载作用下数值模型的参数如何调整的问题；另一个是列车长期作用的荷载如何模拟的问题。本论文首先用 FLAC完成基坑开挖与支护的数值模拟，在此基础上根据实测数据得到锚索端头轴力变化规律，然后以此规律来实时的调整数值模型中锚索的相关参数，从而近似模拟长期荷载作用下基坑支护体系物理参数的变化。对于列车荷载，本质上属于动力荷载，长期的列车作用又类似于疲劳作用。但考虑到现有计算软件的计算效率，为了得出基坑锚索支护体系较长时间的内力变化规律，我们这里将荷载加以简化，利用冲量相等的原则，把每通过一列火车对基坑造成的冲击等效成一个矩形脉冲的作用，2然后再统计一下每次这种脉冲间隔的时间，进而形成一个拟静力的
3、荷载谱，来作为荷载输入从而完成数值分析。 2、长期列车荷载的模拟 模拟时所采用的列车荷载模型为： 表 1轨道几何不平顺管理值 在本次模拟中为保守起见，假定通过的均为货车，取单边静轮重。簧下质量取为，对应于，三种控制条件分别取其典型的不平顺振动波长和相应的矢高为：， ；， ；， 。 这样就得到单次列车通过时激振力为一不规则波形，如图 1所 当采用图 1所示振动曲线进行分析时，FLAC 的动力分析时间太长，虽理论上较精确，但计算效率是无法接受的。下面我们对该模型做了简化。 根据结构动力学的知识知道：动力荷载下结构的最大位移幅值主要依赖于作用冲量的大小，而与脉冲荷载的形式关系不大。因此我们可近似的认
4、为通过火车对场地带来的冲击大小仅由其冲量大小来决定，而与具体激振力函数的形式关系不大。只要保持冲量大小不变，那么只是改变激振力的函数形式对基坑处的受力不会带来很大影响。 按式（1）所计算的通过一列火车的冲量为 3（4） 其中t 为列车通过时持续时间。为计算简单起算，假定列车通过时车轮对场地的激振力为一常数 P，则产生的冲量就是 Pt。让冲量保持一致，即令式（4）等于 Pt，由此可求得等价后激振力的计算公式为 （5） 将本论文中所考虑的火车参数代入公式（5） ，并假定每次火车通过时持续 4秒，则所得到的 P为 480000N。每通过一列火车，就假定为一个激振力大小为 480000的力持续了 4秒
5、，根据统计，在现有铁路线上火车的通过频率大概为每 5分钟一列，这样就可以得到列车长期作用下的荷载谱如图 2所示。 图 2列车长期作用的荷载谱 3、锚索端头轴力变化实测值 在基坑开挖过程中，对锚索端头的轴力进行实测，得到了一批实验数据，利用该数据拟合出的锚索端头轴力变化曲线满足下列函数式： 第 1道锚索轴力变化满足： 第 2道锚索轴力变化满足： 第 3道锚索轴力变化满足： 在接下来的数值模拟中就利用了上面的函数关系来对锚索的参数进行相应调整，以反映实际工程中锚索参数随时间的变化。 4、计算结果与分析 4利用图 2所示荷载模型，结合锚索的实测数据，可完成锚索支护体系在列车长期荷载作用下的受力分析，
6、所得到主要结果整理如下。 (1)单次加载时锚索轴力变化规律 每根锚索不同位置处轴力对比 在利用 FLAC建模时，每根锚索根据长度的不同分成了不同的构件，基本上自由段由 5根构件组成，锚固段每米划分一个构件。在荷载作用下，每根锚索不同水平位置处轴力如图 3所示。 图 3每根锚索不同位置处轴力对比图 图中由上至下的曲线分别代表锚索靠近基坑与围护桩的端头处轴力、自由段轴力、锚固段轴力。其中端头处轴力最大，自由段处轴力保持不变（几条曲线重合了） ，而锚固段则随着与基坑侧壁距离的增加轴力逐渐降低。对单根锚索来说，基坑壁处轴力远远大于另一个锚固端的轴力（相差可达 10倍以上） ，且整条锚索的轴力变化很不均
7、匀。另外，从图中还可以看出，在列车作用下每根锚索轴力都是先经过一段波动后很快就趋于一个稳定值，即动力荷载引起的瞬态响应衰减的很快。 每排锚索不同位置处单根锚索轴力变化 本项目中基坑每侧设有三排锚索，第 1排锚索间距 3米，第 2、3 排锚索间距均为 1.5米。通过计算可以得到沿着既有铁路线方向上每排锚索不同位置处锚索的平均轴力变化。如图 4所示。 5图 4每排锚索不同位置处轴力对比图 图中共 6条曲线，最上面两条曲线几乎重合，代表的是第 2排锚索中两根有代表性锚索的平均轴力；中间两条曲线代表的是第 1排锚索中两根代表性锚索轴力；最下面两条曲线代表的是第 3排锚索中不同位置的两根锚索轴力。由这些
8、曲线的对比可以看出锚索轴力的大小主要与初始的预拉力有关，一般初始预拉力越大，此后的平均轴力就越大，比如在本项目中第 1道锚索的预拉力为 255kN，第 2道锚索预拉力为 365kN，第 3道锚索预拉力为 265kN。另外对于同一道锚索顺铁路方向不同位置处的锚索轴力也不尽相同，只是随时间的变化规律一样。 三道锚索平均应力对比 在一列火车通过时，所得到的每道锚索平均应力随时间的变化如图5所示。 图 5三道锚索平均应力对比图 图中从上到下的曲线依此代表第 2道锚索应力、第 1道锚索应力、第 3道锚索应力。三道锚索的初始预拉力由大到小顺序依此是：第 2道锚索预拉力第 3道锚索预拉力第 1道锚索预拉力，
9、这与图 5的顺序并不一致，初步认为可能是由列车荷载引起的振动从地表到基坑底部逐渐减小，进而第 1道锚索的处的轴向变形相对较大所致。这一点在图 4中也有所反映。 (2)列车长期作用下锚索轴力变化规律 6本项目中每根锚索分自由段、锚固段两部分。根据图 4可以知道，在自由段处不同部位轴力是一样的，而锚固段不同部位的轴力相差较大。因此在接下来所输出的锚索轴力均指的是自由段的轴力值。 由计算所得到的三道锚索平均轴力的变化规律分别如下图所示。 图 8锚索平均轴力变化图 图中横坐标是 FLAC计算的时步数，计算天数为 200天。每通过一列火车时，锚索轴力都经过一段震荡后趋于稳定，即最大轴力和稳定轴力；当下列
10、火车通过时又要经过一个震荡后趋于平稳，如此这样循环下去，所得的结果就形成了如图所示的多个循环的叠加，每个循环均含有最大值和稳定值。开始阶段由于锚索参数变化较大，计算时间较长。随着锚索参数趋于稳定，计算时间相应加快。因此 FLAC所生成的图中，横坐标（时步数）并不与时间（天数）成线性关系。为了更清楚的反映轴力随时间的衰减规律，我们将每个循环的稳定值连起来，就得到了下面的轴力变化曲线。 图 9锚索轴力的变化规律 从图 9的对比可以看出，由于采用了实测数据来对数值计算中的锚索参数进行实时调整，因此所得轴力的变化规律与实测规律很接近。都是前期衰减的较快，经过一段时间的衰减后基本就稳定下来，此后衰减速度
11、非常慢。考虑到土的相应参数未进行实时的调整，因此，具体的轴7力数值与实际的有差别。 参考文献： 1 陈忠汉,程丽萍.深基坑工程M.北京:机械工业出版社,1999:157-223. 2 徐勇,杨挺,王心联.桩锚支护体系在大型深基坑工程中的应用J.地下空间与工程学报,2006,2(4):646-665. 3 李宝平,张玉,李军.桩锚式支护结构的变形特性研究J.地下空间与工程报,2007,3(7): 1291-1294. 4 吴文,吴玉山.深基坑桩锚支护体系主动区土压力试验研究J.岩土工程技术,1999,8(2): 26-29. 5 吴文,徐松林,汪大国.深基坑桩锚支护体系中的土锚试验研究J.土工基础,2000,14(l): 27-30. 6 欧吉青.某深基坑桩锚支护体系计算方法与结果分析J.南华大学学报(自然科学版),2007,21(3):73-77.
