樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)支護(hù)效果的影響*

傅國(guó)慶，李 聰，，蔡亞峰，萬小龍，林宇亮

（1.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)由于其發(fā)展歷史較長(zhǎng)、技術(shù)體系完備、支護(hù)效果好、成本經(jīng)濟(jì)而被廣泛應(yīng)用于各類邊坡工程中，特別是深基坑和高邊坡等對(duì)坡體變形有著嚴(yán)格要求的支擋工程中。完善樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的理論研究，提高樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬水平，有利于加強(qiáng)對(duì)樁體的變形和受力以及對(duì)樁后土體變形的預(yù)測(cè)和分析，對(duì)提高樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。梁文靜等[1]運(yùn)用有限元GTS軟件在不同錨桿傾角和不同錨桿錨固段長(zhǎng)度情況下分別進(jìn)行數(shù)值模擬，其研究建議布置錨索錨固角在10～15°；張宗輝[2]進(jìn)行了地下工程預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計(jì)方法的研究，得出在裂隙發(fā)育的硬巖地下洞室工程中，錨桿重點(diǎn)布置在拱頂受拉破壞區(qū)，對(duì)于水平成層巖層，錨桿應(yīng)盡可能與巖層構(gòu)成直角布置，而在其他條件下，則徑向使之構(gòu)成楔狀布置這一結(jié)論。此外，陳東印[3]、余曼[4]等也做過關(guān)于錨桿傾角方面的研究工作。宋衛(wèi)康等[5]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力值對(duì)樁錨復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究，此研究分析了錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)樁體變形和樁后土體變形的影響。文章基于湖南長(zhǎng)沙龍?zhí)列W(xué)與國(guó)防科大間支路路塹邊坡防護(hù)工程實(shí)例，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在不同錨桿預(yù)應(yīng)力條件下，樁體和樁后土體以及坡頂土體的變形情況，進(jìn)而研究預(yù)應(yīng)力對(duì)邊坡支護(hù)效果的影響。

1 工程概況

龍?zhí)列W(xué)與國(guó)防科大支路工程設(shè)計(jì)路線全長(zhǎng)約1.3km。該項(xiàng)目路基處理以挖方為主，K0+205～K0+525、K0+682～K0+965左側(cè)路塹邊坡地質(zhì)概況為粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化板巖，遇水易受沖刷和軟化，部分邊坡切深達(dá)14m，坡頂有重要的建筑物距道路紅線較近；受國(guó)防科大側(cè)用地限制，無較大放坡空間。結(jié)合初步設(shè)計(jì)評(píng)審意見，此次設(shè)計(jì)采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系對(duì)路塹式邊坡進(jìn)行支護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)施工圖如圖1所示。

2 模型的建立

2.1 模型的基本假定

（1）假定該支護(hù)結(jié)構(gòu)變形滿足平面問題的基本條件。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

（2）假定該錨桿為完全彈性體，錨桿采用cable單元。

（3）假定土體為彈塑性材料，模擬其塑性特性時(shí)屈服條件符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

2.2 模擬計(jì)算斷面選取

根據(jù)工程實(shí)際情況，在該段邊坡支護(hù)工程中，選取K0+396為計(jì)算剖面，該剖面高度最高，從坡頂?shù)介_挖后的路面標(biāo)高距離為22.23m。該剖面一共分為三層土，邊坡最上層為硬塑粉質(zhì)黏土層，層厚為6.866m；中間層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖，層厚為14m；最下層為中風(fēng)化礫巖，層厚為20.5m。該剖面樁后土體不是水平面，而是一個(gè)有一定坡度的小山丘，該小山丘采取的是放坡處理。該計(jì)算剖面適用于K0+340～K0+430段，該段采用樁錨支護(hù)，樁距2.0m，采用圓形樁，直徑為1.0m，冠梁的截面尺寸均為1.0m×0.8m。

2.3 數(shù)值模型

對(duì)所模擬的斷面K0+396，根據(jù)實(shí)際工況以及網(wǎng)格的選取進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：取最上層硬塑粉質(zhì)黏土層厚度為6.5m，中間強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖厚度為14m，最下層中風(fēng)化礫巖層厚度為17.5m，開挖高度為13.5m，被開挖體為一斜坡體，坡面為一傾斜平面。樁后放坡土體高出樁頂8.5m，該土坡坡面起點(diǎn)在樁后4m處，樁后土體最大厚度取36m，樁前土體最大厚度取9.65m。沿計(jì)算斷面法線方向取模型寬度為12m，一共包含6根樁。模型中，樁直徑為1m，樁高取24.5m，包括路面以上13.5m和埋在土中的11m。依據(jù)數(shù)值模型的大小合理劃分網(wǎng)格，計(jì)算模型單元總數(shù)為87360，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為93245。模型的邊界條件：左右邊界設(shè)置法向約束；下部邊界固定，限制其水平位移和豎向位移；模型的上部邊界面為自由面。在模擬計(jì)算過程中，只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。開挖前后FLAC3D計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 FLAC3D計(jì)算模型

2.4 材料參數(shù)的選取

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)勘查資料和設(shè)計(jì)資料，查閱相關(guān)規(guī)范，確定材料力學(xué)參數(shù)和樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1、表2所示。

3 錨桿預(yù)應(yīng)力值的影響

根據(jù)工程實(shí)際，數(shù)值模型采用六排錨桿對(duì)樁體進(jìn)行錨固，第一排錨桿錨固點(diǎn)在冠梁處，第二排錨索與第一排錨桿的豎向間距為1.75m，從第三排開始各排錨桿的豎向間距均為2.5m。各排錨索從上至下總長(zhǎng)度/錨固長(zhǎng)度分別為30.5m/17.5m、28.5m/12.0m、26.5m/16.0m、24.5m/9.0m、20m/7.5m、18m/6m。各排錨桿預(yù)應(yīng)力皆為300kN。

在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿預(yù)應(yīng)力不僅僅給樁體提供支撐以限制樁體變形，同時(shí)也會(huì)影響樁后土體的變形特征。通過限制錨桿的其他變量，而僅改變預(yù)應(yīng)力值來探討錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)樁后土體水平位移、地表沉降、樁體變形等因素的影響。錨桿的傾角均取15°，取錨桿預(yù)應(yīng)力值 為 0kN、100kN、200kN、300kN、400kN、500kN、600kN、700kN、800kN的情況分別建模并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析在不同預(yù)應(yīng)力值條件下樁后土體的水平位移、坡頂?shù)乇沓两?、樁體變形的變化情況。

3.1 錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)樁后土體水平位移影響

選取模型對(duì)稱面處的樁后土體作為分析對(duì)象，由于開挖面以下土體的擾動(dòng)較小，這里只對(duì)開挖面以上的樁后土體位移進(jìn)行分析。將不同錨桿預(yù)應(yīng)力下樁后土體水平位移曲線進(jìn)行匯總，如圖3所示。

圖3 不同預(yù)應(yīng)力下樁后土體水平位移

由圖3可知：錨索預(yù)應(yīng)力值在一定范圍內(nèi)與樁后土體的側(cè)向位移有著顯著的關(guān)聯(lián)性。錨桿預(yù)應(yīng)力值從0kN增大到500kN的過程中對(duì)樁后土體水平位移的約束明顯增強(qiáng)，但錨桿預(yù)應(yīng)力值超過500kN后，各預(yù)應(yīng)力值下土體水平位移曲線基本重合，可認(rèn)為預(yù)應(yīng)力值超過500kN后繼續(xù)提高預(yù)應(yīng)力不能再對(duì)土體水平位移的控制起到增強(qiáng)效果。在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中，從對(duì)樁后土體水平位移的控制來看，在一定范圍內(nèi)增加預(yù)應(yīng)力是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但施加的預(yù)應(yīng)力也不能過大，因?yàn)楫?dāng)預(yù)應(yīng)力超出一定界限后并不能起到更好的效果，反而會(huì)提高工程造價(jià)。

表1 巖土體的特征參數(shù)情況

表2 混凝土及錨桿參數(shù)

3.2 錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)地表沉降的影響

以小土坡坡頂?shù)某两祦矸治鲥^桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)地表沉降的影響。將不同預(yù)應(yīng)力值下模擬得出的坡頂?shù)乇沓两登€進(jìn)行匯總，如圖4所示。

圖4 不同預(yù)應(yīng)力下坡頂?shù)乇沓两?/p>

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：各錨桿預(yù)應(yīng)力鎖定值情況下坡頂沉降曲線的變化趨勢(shì)基本一致，預(yù)應(yīng)力為0kN時(shí)坡頂沉降最大，隨著預(yù)應(yīng)力從0kN增加到500kN，坡頂沉降有明顯減小的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力超過500kN后再增加預(yù)應(yīng)力鎖定值，對(duì)于控制坡頂沉降已起不到效果。由此可得出結(jié)論：在樁錨支護(hù)工程中，從對(duì)樁后地表沉降的控制考慮，在一定范圍內(nèi)增加預(yù)應(yīng)力能起到很好的控制效果，但當(dāng)預(yù)應(yīng)力超出一定界限后便不能再起到加強(qiáng)的作用，反而會(huì)提高工程造價(jià)，此處所得出的這個(gè)界限值為500kN。

3.3 錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)樁體變形的影響

選取所建模型中從左往右的第三根樁的變形值進(jìn)行分析，以樁高為y軸，樁的水平位移為x軸，將不同預(yù)應(yīng)力值條件下的樁體變形曲線進(jìn)行匯總，如圖5所示。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)：預(yù)應(yīng)力鎖定值為0kN時(shí)，樁體位移十分顯著，樁頂位移達(dá)到了將近20mm。預(yù)應(yīng)力從0kN增加到500kN的過程中，樁體變形有明顯減小的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力超過500kN后，如圖5中預(yù)應(yīng)力為500kN、600kN、700kN、800kN的情況下的變形曲線基本重合，說明預(yù)應(yīng)力超過500kN后再增加已起不到減小樁體變形作用。由此可得出結(jié)論：在樁錨支護(hù)工程中，從對(duì)樁體變形控制的考慮，在一定范圍內(nèi)增加錨桿預(yù)應(yīng)力能起到很好的效果，但當(dāng)預(yù)應(yīng)力超出一定界限后便不再起到加強(qiáng)的作用，此處得出的界限值也為500kN。

圖5 不同預(yù)應(yīng)力下樁體側(cè)向位移

4 結(jié)論

（1）錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)樁后土體水平位移、坡頂?shù)乇沓两怠扼w變形等因素皆有影響。在小于某一界限值的范圍內(nèi)增加預(yù)應(yīng)力，各項(xiàng)變形值顯著減小，變形得到良好控制。但預(yù)應(yīng)力超出這一界限值時(shí)可發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)變形隨預(yù)應(yīng)力的增加不再有明顯減小。所以，采用超出界限值的錨桿預(yù)應(yīng)力不僅不經(jīng)濟(jì)，而且也沒有效果。本文所給出的界限值為500kN，這是基于此工程實(shí)例得出的，有一定的借鑒意義，在其他工程中可以進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)這一界限值加以確定。

（3）以湖南長(zhǎng)沙龍?zhí)列W(xué)與國(guó)防科大間支路路塹邊坡樁錨支護(hù)工程實(shí)例為背景，綜合考慮變形的控制、施工技術(shù)、工程的經(jīng)濟(jì)性及可靠性等因素，從控制邊坡和樁體變形的角度來看，建議錨桿預(yù)應(yīng)力取值范圍為200～500kN。