錨桿加固失穩(wěn)擋墻的受力特性分析

■楊驍鵬

（寧德沙埕灣跨海高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352100）

舊擋墻的失穩(wěn)是公路、鐵路、礦山、堤壩等領(lǐng)域普遍存在的問(wèn)題[1]。舊擋墻的主要荷載是土壓力和相關(guān)的外來(lái)荷載，隨著其使用時(shí)間的增長(zhǎng)，舊擋墻穩(wěn)定性逐漸減弱，甚至出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象。尤其在頻繁的外部荷載、雨水等自然因素的作用下，舊擋墻的失穩(wěn)現(xiàn)象表現(xiàn)的更加突出。

加固擋墻的方法很多，比如小擋墻加固、抗滑樁加固以及錨桿加固等[2-5]。其中巖土錨固技術(shù)由于其力學(xué)性能良好、施工方便，在失穩(wěn)擋墻加固領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6-8]。雖然錨桿加固失穩(wěn)擋墻技術(shù)應(yīng)用較廣，但錨固力、錨桿間距以及錨桿傾角對(duì)失穩(wěn)擋墻加固效果的影響仍不清晰?；诖?，本文以福建某公路為例，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對(duì)失穩(wěn)擋墻加固前后的力學(xué)性能進(jìn)行分析，并討論不同錨固力、錨桿間距及錨桿傾角對(duì)失穩(wěn)擋墻力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 舊擋墻穩(wěn)定性分析

1.1 舊擋墻概況

福建某公路邊坡支護(hù)采用重力式擋土墻 （幾何模型見(jiàn)圖1所示），其材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。由理正設(shè)計(jì)軟件計(jì)算擋土墻的抗滑安全系數(shù)為0.926，抗傾覆安全系數(shù)為1.425，均不滿足規(guī)范要求。

1.2 舊擋墻受力的數(shù)值模擬分析1.2.1 模型和參數(shù)

有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2，采用平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)單元CPE4。土和擋土墻的參數(shù)見(jiàn)表2，其中強(qiáng)風(fēng)化花崗巖采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，擋土墻采用線彈性模型。

圖1 幾何模型（單位：m）

圖2 模型的網(wǎng)格劃分

表1 各材料的參數(shù)

1.2.2 結(jié)果分析

對(duì)原工程舊擋墻進(jìn)行建模分析，圖3～圖5分別為舊擋墻水平應(yīng)力云圖、塑性區(qū)云圖以及水平位移云圖，由圖可知：（1）舊擋墻的墻趾出現(xiàn)了應(yīng)力集中，主要原因是坡體整體的位移的方向指向墻趾。（2）坡頂和坡底塑性區(qū)貫通，說(shuō)明了邊坡不穩(wěn)定，容易發(fā)生破壞，從而使擋土墻發(fā)生坍塌。（3）最大的水平位移出現(xiàn)在坡頂，達(dá)到了42.98mm，而坡底的水平位移為10.74mm，所以擋土墻容易產(chǎn)生傾覆破壞。

圖3 水平應(yīng)力

圖4 塑性區(qū)

圖5 水平位移

2 錨桿加固舊擋墻受力分析

2.1 錨桿加固方案

根據(jù)以上分析結(jié)果，擬采用錨筋措施加固舊擋墻。預(yù)應(yīng)力錨桿：自由段長(zhǎng)度La=4m，錨固段長(zhǎng)度Lm=8m。共使用了兩排錨桿，其間距為2.5m。其幾何模型如圖6所示：

圖6 錨桿加固

2.2 錨固力的影響

圖7～圖10分別為錨桿加固后Na=300kN時(shí)的水平位移云圖、豎直位移云圖、水平應(yīng)力云圖、塑性區(qū)云圖。由圖可知：（1）最大水平位移發(fā)生在墻底，順著墻往上位移逐漸減小。邊坡的水平位移發(fā)生在坡底，位移云圖呈環(huán)狀，越往里位移越小。（2）豎向位移呈層狀，從上到下位移值逐漸減小。（3）在錨桿和框架梁附近會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力值最大處會(huì)出現(xiàn)在這兩個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)上，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須注意節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中。（4）塑性區(qū)會(huì)發(fā)生在墻底周圍。

圖7 水平位移云圖

圖8 豎直位移云圖

圖9 水平應(yīng)力云圖

圖10 塑性區(qū)

圖11～圖14分別為錨固力Na分別取300、250、200、150、0 kN時(shí)舊擋墻的最大水平位移變化圖和水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)力變化圖（A點(diǎn)表示靠上的錨桿與擋土墻的接觸點(diǎn)，B點(diǎn)表示靠下的錨桿與舊擋墻的接觸點(diǎn)）。由圖可知，（1）舊擋墻最大水平位移隨著錨桿錨固力的增大而減小。說(shuō)明錨固力越大，錨桿對(duì)舊擋墻的加固效果越好。（2）水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力以及剪應(yīng)力皆隨著錨桿拉力的增大而先減小后增大，拐點(diǎn)大概都為Na=300kN左右。這可以說(shuō)明并不是越大的錨固力越好，過(guò)大的預(yù)應(yīng)力會(huì)使舊擋墻產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。

圖11 舊擋墻最大水平位移變化

圖12 水平應(yīng)力變化

圖13 豎向應(yīng)力變化

圖14 剪切應(yīng)力變化

圖15表示在不同的錨固力下，墻身水平位移的變化。由圖可知，舊擋墻最大的水平位移發(fā)生在墻底。中間的兩個(gè)拐點(diǎn)主要是由于錨桿的影響，而導(dǎo)致水平位移相對(duì)于周圍的小。隨著錨固力的增大，墻體整體的水平位移會(huì)變大。

圖15 墻身水平位移的變化

2.3 錨桿間距的影響

圖 16表示錨桿間距 S分別取 3.5、2.5、2、1.5m 時(shí)，墻身的水平位移的變化?？梢钥闯?，墻底的水平位移最大，墻頂?shù)奈灰谱钚?，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)位移，而中間的兩個(gè)拐點(diǎn)間距與錨桿的間距相符，錨桿的存在限制了接頭點(diǎn)的水平位移。間距越大，墻底和墻頂?shù)奈灰撇钪禃?huì)更小。

圖16 墻身水平位移對(duì)比

2.4 錨桿傾角的影響

圖17表示錨桿與水平方向的夾角 （逆時(shí)針為正）分別取 α=10°、15°、20°、30°時(shí)，墻身的水平位移的變化。 可以得出最大水平位移都是在墻底，位移曲線兩個(gè)拐點(diǎn)的距離差不多，其中α=10°時(shí)，坡頂坡底的位移差最大，α=30°時(shí)，坡頂坡底的位移差最小。四條曲線比較接近，所以錨桿的角度對(duì)舊擋墻的位移影響不明顯。

3 結(jié)論

（1）錨桿對(duì)失穩(wěn)擋墻進(jìn)行加固后，最大的水平位移發(fā)生在墻底部分。錨固力越大，水平位移越小。墻頂會(huì)發(fā)生向邊坡方向很小的負(fù)位移。加固后錨桿結(jié)點(diǎn)處的舊擋墻水平位移會(huì)減小且小于旁邊位移。間距越大，墻底最大的水平位移越小，且墻底與墻底的位移差值越小。錨桿角度對(duì)擋土墻位移的影響不大。

圖17 墻身水平位移對(duì)比

（2）加固前，應(yīng)力集中出現(xiàn)在舊擋墻的墻趾上；而使用錨桿加固會(huì)出現(xiàn)三個(gè)應(yīng)力集中部位，錨桿的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和墻底。錨固力變化時(shí)，最大的集中應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最低值，大概為Na=300kN左右時(shí)，之后越大的錨固力產(chǎn)生的應(yīng)力集中越嚴(yán)重。兩錨桿的間距越小，越容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)施工時(shí)，這方面應(yīng)該注意。

（3）加固前，失穩(wěn)擋墻上部的位移會(huì)大于下部的位移，所以容易發(fā)生傾覆破壞；錨桿加固后，失穩(wěn)擋墻底部的位移比頂部的位移大，底部會(huì)先發(fā)生滑移破壞。

（4）加固前邊坡坡頂?shù)狡履_整體貫通；而錨桿加固后，塑性區(qū)不會(huì)發(fā)生貫通，只在失穩(wěn)擋墻墻角區(qū)域出現(xiàn)部分塑性區(qū)。因此，錨桿加固失穩(wěn)擋墻效果良好。

隨著錨固力增大，最大的集中應(yīng)力會(huì)逐漸降低至最低值，之后越大的錨固力產(chǎn)生的應(yīng)力集中越嚴(yán)重；錨桿間距越小，越容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

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