地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化數(shù)值分析*

陶 暉，時軼磊，葉帥華

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學院，蘭州 730000；2.蘭州理工大學 土木工程學院，蘭州 730000）

0 引言

目前我國已有學者對地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)進行了理論與數(shù)值分析研究，且已取得了一定的進展。董建華[1-3]等，對地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)的動力計算方法進行了研究分析。文獻[4-6]采用不同的有限元軟件對邊坡地震響應進行了數(shù)值計算分析。地震作用下框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)的受力復雜，目前有關(guān)該支護結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力作用機理的研究還不很成熟。本文采用PLAXIS3D有限元軟件，通過建立框架預應力錨桿支護多級高邊坡有限元計算模型，進行地震作用下框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)的受力分析，得出其受力變化特點，并可為該支護結(jié)構(gòu)的研究提供一定的指導。

1 框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)的組成與特點

1.1 框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)的組成

框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)是近幾年隨著邊坡支護結(jié)構(gòu)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型邊坡支護結(jié)構(gòu)，主要由框架（橫梁、立柱）、擋土板和錨桿組成。立柱為擋土板的支座，橫梁將兩側(cè)的擋土板連接成整體以保持擋土墻的穩(wěn)定[7]，擋土板的主要作用為擋土，它與一系列間距相等的框架剛性連接而成為連續(xù)板。預應力錨桿分為自由段與錨固段，自由段的外端與框架相連，錨固段錨固在邊坡內(nèi)部穩(wěn)定土層中，從而可以充分利用邊坡體深層的錨固力。

1.2 框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)的特點

框架預應力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的被動支護變?yōu)槌浞掷眠吰律顚油馏w自身穩(wěn)定能力的主動支護，不僅可以有效控制邊坡在外力擾動下的側(cè)移，而且具有一定的抗震能力。在外力作用下，邊坡體土壓力通過框架傳遞給錨桿自由段的鋼拉桿，再由鋼拉桿傳至錨固段，然后通過錨固段周邊地層的摩擦力傳遞到錨固區(qū)的穩(wěn)定地層中，從而利用邊坡體自身的錨固力保持邊坡的穩(wěn)定?？蚣茴A應力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)以其施工簡單、受力合理、可有效控制邊坡位移等特點而在邊坡支護工程中得到普遍應用。

2 框架預應力錨桿支護邊坡模型建立

2.1 邊坡工程概況

本文以某一深挖路塹邊坡支護工程實例為背景，選取一最高斷面為39m的邊坡進行數(shù)值計算分析。所選取邊坡共為四級，坡度均為1∶1，各級邊坡坡高依次為10m，10m，10m，9m，每兩級坡之間設(shè)置2m寬平臺。邊坡土層及物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學參數(shù)

2.2 邊坡數(shù)值模型建立

采用PLAXIS3D有限元軟件建立框架預應力錨桿支護邊坡計算模型如圖1所示。模型中沿邊坡縱向取9m寬的計算單元，設(shè)計錨桿水平向間距為3m，因此模型中沿縱向每排共設(shè)置3根錨桿。有限元計算中，網(wǎng)格劃分的疏密程度會對計算結(jié)果的精確度產(chǎn)生一定影響。如圖1中所示，可在模型局部和結(jié)構(gòu)物附近對網(wǎng)格進行局部加密，以更好的模擬結(jié)構(gòu)物與土體之間的相互作用，計算結(jié)果也更接近實際。

圖1 邊坡有限元模型

2.3 地震波的輸入

該邊坡模型輸入的地震波采用EL-Centro波加速度時程曲線，峰值地震加速度為0.3g，模型中地震持續(xù)時間取前10s，地震加速度-時間曲線如圖2所示。

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 地震作用下錨桿軸力分析

圖2 水平地震加速度-時間曲線

Plaxis3D有限元軟件中采用點對點錨桿單元模擬錨桿的自由段。所建模型中錨桿自由段施加設(shè)計預應力為100kN，取從坡頂?shù)狡履_每排中間一根錨桿地震前后軸力，各道錨桿自由段軸力折線圖如圖3所示。由圖可知，地震作用前錨桿軸力基本無變化，地震作用后錨桿軸力明顯增大，且每一級邊坡坡頂位置處的錨桿軸力最大，最大值依次為 391.7kN，320.1kN，257.9kN，182.1kN。說明每兩級邊坡之間平臺的設(shè)置使每一級邊坡在坡頂位置處變形增大，土壓力增大，而各道錨桿的施加，阻止了位移的發(fā)展，從而使坡腳處位移減小，錨桿軸力也逐漸降低。

圖3 地震前后各道錨桿自由段軸力圖

Plaxis3D有限元軟件中對錨桿錨固段采用嵌入式梁單元模擬。地震作用后，取每一級邊坡距離坡頂最近一排錨桿錨固段沿桿長方向的軸力值，錨固段軸力沿桿長分布如圖4所示。由錨固段軸力變化圖可知，與靜力作用相比，地震作用后錨固段的軸力顯著增大，這也表明地震作用下錨桿錨固段軸力最大值發(fā)生在錨固段與自由段接觸位置，并沿錨固段遞減，在錨固段端點位置軸力最小。錨固段位于邊坡體穩(wěn)定土層內(nèi)，錨固段軸力沿遠離自由段遞減，也說明了錨固段軸力在逐漸傳遞到穩(wěn)定土層，在錨固段端點處軸力已基本完全傳遞給周圍土體，從而限制邊坡體側(cè)移，保持邊坡體穩(wěn)定

圖4 各級邊坡第一道錨桿錨固段軸力圖/kN

3.2 地震作用下抗滑樁內(nèi)力分析

在多級高邊坡的坡腳位置設(shè)置抗滑樁，可以與框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)的橫梁、立柱形成受力體系，更好的約束邊坡的變形，增強邊坡的穩(wěn)定性。該模型邊坡坡腳抗滑樁在地震前后的內(nèi)力變化情況如表2所示，靜力與地震作用下抗滑樁樁身彎矩圖如圖5所示。由此可知，靜力作用下，抗滑樁的剪力和彎矩值均較小，也表明靜力下邊坡變形較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑樁的作用還未完全發(fā)揮。地震作用后，抗滑樁樁身剪力和彎矩均發(fā)生突變，表明地震作用使邊坡整體變形增大，抗滑樁周圍土壓力突增，導致抗滑樁的內(nèi)力也隨之突增來抵抗邊坡的變形。通過抗滑樁內(nèi)力的劇增，也可說明抗滑樁對抵抗邊坡變形有顯著效果，在一些高邊坡的坡腳設(shè)置抗滑樁是很有必要的。

表2 地震前后抗滑樁內(nèi)力表

3.3 地震作用下框架柱內(nèi)力分析

圖5 抗滑樁樁身彎矩圖/kN·m

圖6 各級邊坡立柱剪力圖/kN

框架預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)類似于樓蓋設(shè)計中梁柱結(jié)構(gòu)體系，在施工時采用逆作法施工，橫梁、立柱現(xiàn)澆構(gòu)成一個整體，共同承受邊坡變形產(chǎn)生的土壓力。預應力錨桿固定于橫梁與立柱的交點位置，因此對立柱進行分析時，可將立柱簡化為豎向多跨連續(xù)梁，錨桿位置近似為支座。地震作用下，各級邊坡中間一榀立柱的剪力圖如圖6所示。邊坡土壓力主要是通過橫梁和立柱傳給預應力錨桿，因此立柱剪力的變化可一定程度上反應土壓力分布。由立柱剪力圖可知：（1）地震作用后，立柱剪力明顯增大，且在錨桿位置處有突變，說明地震后土壓力有明顯增加，預應力錨桿起到了控制土壓力持續(xù)增大的作用，使立柱剪力不至于持續(xù)增大而遭到破壞；（2）每一級邊坡立柱剪力在該級坡頂增加較快，也說明每一級邊坡坡頂位置變形大，相應土壓力大。

4 結(jié)語

由以上計算結(jié)果可知，地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)中的框架內(nèi)力、錨桿自由段和錨固段內(nèi)力、抗滑樁內(nèi)力均有明顯增大，反映了地震作用引起邊坡體位移增大，導致土壓力增大，進而引起支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增大?？蚣苤姆逯导袅Τ霈F(xiàn)在每級邊坡第一排錨桿處，主要原因是上部框架柱的懸臂引起的。錨桿自由段軸力峰值出現(xiàn)在第一級坡第一排錨桿處，說明地震時位移最大值出現(xiàn)在該位置處。錨桿錨固段軸力沿遠離自由段的方向遞減，在錨固段頂端處達到最小，說明地震產(chǎn)生的土壓力已通過錨桿傳至穩(wěn)定土層。通過以上分析，對框架預應力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化可有一個更加清晰的認識，為該支護結(jié)構(gòu)的工程應用提供很好的指導效果。

參考文獻：

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