單錨點與多錨點抗滑樁抗震性能數(shù)值計算研究

陳晉波　吳紅剛　艾揮

摘要：錨索抗滑樁作為一種常用的高邊坡支擋結(jié)構(gòu)，目前對單錨點與多錨點錨索抗滑樁在高烈震區(qū)的抗震性能研究較少。為了進一步分析單錨點與多錨點的抗震表現(xiàn)，本文以ABQUSE軟件分別建立單錨點與多錨點加固邊坡的三維數(shù)值模型。研究了不同向加載工況下，不同動峰值的EL-Centro波加速度作用下，邊坡的位移變形規(guī)律以及樁的山側(cè)動土壓力、彎矩、剪力分布規(guī)律。并得出以下結(jié)論：①從坡體的位移變形來看，輸入相同的EL-Centro波動峰值加速度，X加載時的坡體水平位移比z向加載時位移變化明顯，不利于坡面穩(wěn)定，且XZ雙向加載時的坡體位移比單向加載要大。②從錨索抗滑樁土壓力分布曲線來看：多錨點滑面處動土壓力相對較小，抗震性能較好。③相同動峰值加速度作用下，多錨點錨索抗滑樁加固的坡體產(chǎn)生的位移相對較小，有利于控制坡體的變形，且多錨點錨索抗滑樁樁身彎矩、剪力值相對較小，支擋效果較好。

關(guān)鍵詞：錨索抗滑樁；地震；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-431l（2017）30-0107-06

0引言

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是在抗滑樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于在工程中的大量應(yīng)用，對于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的研究，相比國外對橫向樁的研究，我國在這一方面處于世界的前列。目前，國內(nèi)外對于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的研究主要集中在靜力方面：謝慶華通過對預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁治理廣西某二級公路滑坡進行了現(xiàn)場測試，研究了樁身應(yīng)力與樁深的關(guān)系。曾云華等通過室內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁模型試驗，分析了滑坡推力對抗滑樁的作用分布形式，認為樁前滑體抗力可作為安全儲備來考慮。張玉芳等通過深圳市黃貝嶺滑坡治理工程的預(yù)應(yīng)力錨索樁的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分析了錨索拉力隨時間的變化的關(guān)系。對于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的加固機理以及加固效果方面的研究，國內(nèi)外基本上還處于起步研究階段，公開報道的成果較少。總體而言，相對于其工程應(yīng)用，錨索抗滑樁的理論研究明顯滯后。至于單錨點與多錨點抗滑樁的動力特性方面的研究，目前相關(guān)報道極少。僅有艾揮和吳紅剛等H通過振動臺對比試驗初步對單錨點與多錨點錨索抗滑樁加固邊坡的變形與受力規(guī)律進行了初步探討。大量統(tǒng)計結(jié)果表明7度及以上烈度區(qū)發(fā)生地震都會誘發(fā)滑坡發(fā)生，并且隨著烈度的增高，產(chǎn)生滑坡的概率也相應(yīng)增大?？梢?，有必要通過數(shù)值模擬對高烈震區(qū)單錨點與多錨點錨索抗滑樁抗震性能進行分析研究。

1基本假定與計算模型

1.1基本假定本次計算模型未考略錨索對土體影Ⅱ向，并且在模型計算時，設(shè)定錨索只產(chǎn)生彈性階段變形，且變形量不超過錨索自由段長度的3%：考慮到土體本構(gòu)關(guān)系及其變形對應(yīng)力的影響，計算模型計算采用Mohr-Coulonb模型。

1.2計算模型為了更好地反映在地震作用下，單錨點與多錨點錨索的動力特性，采用ABQUSE軟件分別建立單錨點與多錨點錨索抗滑樁加固邊坡的計算模型，其幾何尺寸的長、寬、高分為3.0m×1.5m×1.14m，樁長70cm，其中懸臂段35cm，錨固段35cm。

為了提高計算結(jié)果的精度，將幾何模型進行劃分為規(guī)則體連接。計算模型如圖1所示。模型計算時，采用EL-Centro波進行模型計算，選用的EL-Centro波加速度時程曲線如圖2所示。

模型材料基本力學(xué)參數(shù)見表1、表2。模型計算時，單錨點錨索抗滑樁單根錨索拉力設(shè)為24N，多錨點錨索抗滑樁設(shè)置錨索2根，拉力各為12N。

2數(shù)值模型結(jié)果分析

本節(jié)主要分析地震烈度不超過Ⅸ時，單錨點與多錨點錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形規(guī)律和動土壓力分布形式。并以X向加載為例，分析了單錨點與多錨點錨索抗滑樁彎矩、剪力隨輸入EL-Centro波動峰值加速度的變化分布規(guī)律。

2.1單錨點錨索抗滑樁加固邊坡位移變形圖

圖3為在0.1g的Z向EL-Centro波作用下，單錨點錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在Z向發(fā)生的位移值最大，值為1.020E-03m，坡體后緣率先出現(xiàn)微小裂縫。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的Z向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面及以下部位位移較大，最大值為8.041E-05m。從坡面水平位移變化來看，從頂端到底部，水平位移依次增大。

圖4為在0.1g的X向EL-Centro波作用下，單錨點錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在Z向發(fā)生的位移值最大，值為4.863E-04m振動作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的x向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下部位位移較大，最大值為6.381E-04m，水平位移依次增大。

圖5為在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，單錨點錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在z向發(fā)生的位移值最大，值為1.091E-03m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下位移較大，最大值為6.384E-04m。從坡面水平位移變化來看，從頂端到底部，水平位移依次增大，且比單向加載時位移要大。

2.2多錨點錨索抗滑樁加固邊坡位移變形圖

圖6為在0.1g的Z向EL-Centro波作用下，多錨點錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在Z向發(fā)生的位移值最大，值為1.020E-03m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的X向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下位移較大，最大值為7.352E-05m。從坡面水平位移變化來看，從頂端到底部，水平位移依次增大。endprint

圖7為在0.1g的x向EL-Centro波作用下，多錨點錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在z向發(fā)生的位移值最大。值為0.487E-04m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的X向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下位移較大，最大值為6.363E-04m。從坡面水平位移變化來看，從頂端到底部，水平位移依次增大。

圖8為在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，多錨點錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在z向發(fā)生的位移值最大，值為1.092e-03m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下部位位移較大，最大值為6.365E-04m。從坡面水平位移變化來看，從頂端到底部，水平位移依次增大。

2.3動力壓力計算結(jié)果分析

從圖9可以看出：Z向單獨加載時，當輸入的動峰值加速度為0.4g時，單錨點與多錨點錨索抗滑樁動土壓力都有了顯著的增加，多錨點錨索抗滑樁最大值靠近樁底，值為1.72kPa：單錨點錨索最大值位于滑面處，值為1.67kPa。

同時，從圖中可以看出，隨著輸入的EL-Centro波動峰值加速度的增大，單錨點與多錨點錨索抗滑樁山側(cè)動土壓力均不斷增加，且動土壓力分布規(guī)律略有不同。單錨點錨索抗滑樁，滑面以上，靠近樁頂部分動土壓力較小，滑面附近動土壓力值最大，且動土壓力增幅較大：滑面以下，靠近樁底動土壓力值最大。而多錨點錨索抗滑樁，滑面以上，動土壓力值在滑面處最大：滑面以下，靠近樁底動土壓力值最大，動土壓力最大值位于樁底。

從圖10可以看出：X向單獨加載時，當輸入的動峰值加速度為0.4g時，單錨點與多錨點錨索抗滑樁動土壓力都有了顯著的增加，多錨點錨索抗滑樁最大值靠近樁底，值為2.98kPa：單錨點錨索最大值位于滑面處，值為6.38kPa。

同時，從圖中可以看出，隨著輸入的EL-Centro波動峰值加速度的增大，單錨點與多錨點錨索抗滑樁山側(cè)動土壓力均不斷增加，且動土壓力分布規(guī)律略有不同。單錨點錨索抗滑樁，滑面以上，靠近樁頂部分動土壓力較小，滑面附近動土壓力值最大：滑面以下，靠近樁底動土壓力值最大。當輸入的動峰值加速度為0.4g時，單錨點錨索抗滑樁動土壓力有了顯著的增加，最大值位于滑面處，值為6.38kPa。多錨點錨索抗滑樁，滑面以上，靠近滑面附近動土壓力值最大；滑面以下，靠近樁底動土壓力值最大，動土壓力最大值則位于樁底。

從圖11可以看出：XZ向單獨加載時，隨著輸入的EL-Centro波動峰值加速度的增大，單錨點與多錨點錨索抗滑樁山側(cè)動土壓力均不斷增加，動土壓力分布規(guī)律略有不同。單錨點錨索抗滑樁，滑面以上，靠近樁頂部分動土壓力較小，滑面附近動土壓力值最大：滑面以下，靠近樁底動土壓力值最大。當輸入的動峰值加速度為0.4g時，動土壓力有了顯著的增加。多錨點錨索抗滑樁，滑面以上滑面附近動土壓力值最大：滑面以下，靠近樁底動土壓力值最大，動土壓力最大值則位于樁底。

綜上所述，當動峰值加速度不大于0.4g時，多錨點錨索抗滑樁的抗震效果較好。由于本次計算模型尺寸較小，滑體體積相對較小，使得滑坡推力較小，當多錨點錨索抗滑樁單根錨索的錨索拉力滿足其工程條件時，多錨點錨索抗滑樁相當于給抗滑樁施加了多個可靠約束，能有效地控制坡體變形，使得抗滑樁變形較小。

2.4剪力計算結(jié)果分析

當輸入的動峰值加速度不大于0.4g時，水平向振動效應(yīng)要比垂直向顯著。由于樁身剪力分布基本相同，因此本文以X向加載時，剪力隨輸入EL-Centro波動峰值加速度的分布變化進行分析。

圖12為x向加載時，隨著輸入EL-Centro波動峰值加速的增大，錨索抗滑樁樁剪力的變化分布曲線圖。圖（a）可以看出：X向單獨加載時，隨著輸入EL-Centro波動峰值加速度的增大，單錨點錨索抗滑樁在滑面處剪力不斷增大，且在嵌固段出現(xiàn)負剪力。在設(shè)置錨索位置，隨著輸入的EL-Centro波動峰值加速度的增大，振動作用加劇，該處剪力略有減小，其分布規(guī)律基本相同。

圖（b）可以看出：X向單獨加載時，隨著輸入EL-Centro波動峰值加速度的增大，多錨點錨索抗滑樁在滑面處剪力亦不斷增大，并且在抗滑樁的嵌固段局部出現(xiàn)負剪力，并隨著輸入的EI-Centro波動峰值加速度的增大，不斷增加。由于多錨點錨索抗滑樁設(shè)有2排錨索，該處剪力較小，分布規(guī)律基本相同?？傮w而言，多錨點抗滑樁樁身彎矩相對較小。

2.5彎矩計算結(jié)果分析

由于，不同向加載時，單錨點與多錨點抗滑樁彎矩分布規(guī)律基本相似，同樣以X向加載時，彎矩隨輸入EL-Centro波動峰值加速度的分布形式變化進行分析。

圖13為X向加載時，隨著輸入EL-Centro波動峰值加速的增大，錨索抗滑樁樁彎矩的變化分布曲線圖。圖（a）可以看出：X向單獨加載時，隨著輸入的EL-Centro波動峰值加速度的增大，單錨點錨索樁身彎矩不斷增大，尤其在滑面處較快增大。并且在樁頭部位出現(xiàn)反彎，其彎矩分布規(guī)律基本相同。

圖（b）可以看出：X向單獨加載時，隨著輸入EL-Centro波動峰值加速度的增大，多錨點錨索抗滑樁在滑面處彎矩亦不斷增大，并隨著輸入的EL-Centro波動峰值加速度的增大，不斷增加。但由于多錨點錨索抗滑樁設(shè)有2排錨索，樁頭設(shè)置錨索部位彎矩較小，分布規(guī)律基本相同?？傮w而言，多錨點抗滑樁樁身彎矩相對較小。

3結(jié)論

本文運用ABAQUS有限元數(shù)值軟件，建立單錨點與多錨點錨索抗滑樁加固邊坡的三維有限元模型，進一步研究了在不同EL-Centro波動峰值加速度作用下，單錨點與多錨點錨索抗滑樁的抗震性能，并得出以下結(jié)論：

①從坡體的位移變形來看，輸入相同的EL-Centro波動峰值加速度，X加載時的坡體水平位移比Z向加載時位移變化更明顯，不利于邊坡的穩(wěn)定，且XZ雙向加載時的坡體位移比單向加載要大。

②相同動峰值加速度作用下，多錨點錨索抗滑樁加固的坡體，其產(chǎn)生的位移相對較小，有利于控制坡體的變形，而且多錨點錨索抗滑樁樁身彎矩、剪力值相對較小。

③從錨索抗滑樁土壓力分布曲線來看：多錨點滑面處動土壓力相對較小，抗震性能較好。endprint