錨樁支護(hù)體系中錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)支護(hù)效果的影響研究

柯宅邦，陳小川，張駿，樂騰勝

（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

1 引言

近年來，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)憑借其支護(hù)效果好、成本低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于深基坑以及高邊坡等，對(duì)坡體變形有嚴(yán)格要求的支擋工程中[1～2]。對(duì)于樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，其支護(hù)效果與結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)密切相關(guān)，如排樁的直徑、排樁間距、錨桿的預(yù)應(yīng)力、錨桿的傾角、錨桿的長度等。目前國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值模擬的手段對(duì)其支護(hù)效果開展深入研究。

在排樁間距的直徑和間距方面，王健等[3]利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明，排樁的水平位移受其直徑大小影響最為顯著，受排樁的間距影響較小。在錨桿傾角方面，劉子巍等[4]利用MATLAB軟件對(duì)樁錨支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，錨桿傾角對(duì)錨桿的造價(jià)影響很大，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化后，可以大幅減小工程造價(jià)。陳東印[5]、余曼等[6]也做過關(guān)于錨桿傾角方面的研究工作。在錨桿預(yù)應(yīng)力方面，傅國慶等運(yùn)用FLAC 3D軟件分析了錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)支護(hù)效果的影響，結(jié)論表明，錨桿預(yù)應(yīng)力在200kN～500kN時(shí)支護(hù)效果最佳。

本文結(jié)合皖南地區(qū)某紅砂巖滑坡，主要討論錨桿在不同預(yù)應(yīng)力條件下對(duì)邊坡的支護(hù)效果，通過分析滑坡的位移和安全系數(shù)，研究錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)邊坡支護(hù)效果的影響，以期能被實(shí)際工程所借鑒。

2 工程概況

某紅砂巖邊坡位于皖南地區(qū)高速公路旁，坡體從上到下共分為3層，依次為砂石土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其中砂石土層厚度為5m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為15m，中風(fēng)化層厚度為30 m～70m，坡高35m，屬于高邊坡，坡腳35°。泥質(zhì)紅砂巖遇水極易軟化崩解，嚴(yán)重影響邊坡安全。結(jié)合現(xiàn)場初步評(píng)審意見，擬采用錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)該邊坡進(jìn)行支護(hù)。

3 模型的建立

3.1 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規(guī)定；

②假定錨桿為完全彈性體；

③假定巖石和土層為彈塑性材料，屈服條件滿足摩爾庫倫準(zhǔn)則。

3.2 模型計(jì)算斷面選取

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選取典型計(jì)算剖面。該剖面自上而下依次為砂石土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。采用錨樁體系進(jìn)行支護(hù)，預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)入基巖，錨入基巖深度2m，錨桿間距為2m，傾角設(shè)置為30°，錨桿布置后坡體表面進(jìn)行噴射混凝土錨固。坡底設(shè)置抗滑樁，樁距4.0m，采用圓形樁，直徑為2.0m，抗滑樁通過預(yù)應(yīng)力錨桿錨固在基巖上。

3.3 數(shù)值模型的建立

采用邁達(dá)斯巖土軟件建立模型，如圖1所示。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)邊坡進(jìn)行適當(dāng)簡化，從上到下巖性依次為砂石土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中：砂石土層厚度平均為5m，強(qiáng)風(fēng)化平均厚度為15m，中風(fēng)化層較厚，設(shè)置為30 m～70m，邊坡寬度為20m，坡高約35m，屬于高邊坡，坡度為35°。左側(cè)水頭設(shè)置為30m，右側(cè)水頭設(shè)置為20m。依據(jù)模型的大小合理劃分網(wǎng)格，計(jì)算模型共有單元數(shù)71365，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)39657。

圖1 數(shù)值模型

3.4 材料參數(shù)的選取

根據(jù)現(xiàn)場勘查資料和實(shí)際資料，查閱相關(guān)規(guī)范，確定巖土體的特征參數(shù)和混凝土及錨桿參數(shù)見表1、表2所示。

3.5 計(jì)算工況

擬計(jì)算滑坡在特大暴雨情況下的安全系數(shù)，即24h降雨量達(dá)到300mm。

4 錨桿預(yù)應(yīng)力值的影響

在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿預(yù)應(yīng)力不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)樁后最大總位移和安全系數(shù)。錨桿的傾角均取30°，取錨桿預(yù)應(yīng)力值為 0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN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最大總位移和安全系數(shù)。

4.1 錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)坡體最大總位移的影響

分別計(jì)算錨桿在不同預(yù)應(yīng)力值的條件下經(jīng)歷特大暴雨后的邊坡最大總位移。由圖2可知，利用錨樁結(jié)構(gòu)體系對(duì)邊坡進(jìn)行加固后，邊坡的最大位移出現(xiàn)在樁后土體處，當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力值為0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN時(shí)，邊坡的最大總位移分別為4.44m、1.77m、2.95m、3.22m和3.52m。由此可見，錨桿預(yù)應(yīng)力值從0kN增大到300kN的過程中，對(duì)坡體的最大位移約束明顯增強(qiáng)，超過300kN后，約束作用逐漸減弱。在樁錨結(jié)構(gòu)體系中，在一定范圍內(nèi)增加錨桿預(yù)應(yīng)力能顯著控制坡體的最大位移，但從經(jīng)濟(jì)角度來說，不宜過大，因?yàn)楫?dāng)預(yù)應(yīng)力超過一定數(shù)值后，不能起到好的效果，反而會(huì)增加工程造價(jià)。

邊坡巖土體基本材料計(jì)算參數(shù) 表1

樁錨結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù) 表2

4.2 錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)坡體安全系數(shù)的影響

計(jì)算得出當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力值為0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN時(shí)，邊坡的安全系數(shù)分別為1.72、2.43、2.29、2.24和2.16?？梢娖麦w的安全系數(shù)在錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到300kN時(shí)達(dá)到最大值，即從安全性角度出發(fā)，錨桿預(yù)應(yīng)力值300kN時(shí)邊坡最為安全。

5 結(jié)論

本文基于皖南地區(qū)某紅砂巖滑坡樁錨支護(hù)工程實(shí)例，運(yùn)用邁達(dá)斯有限元軟件計(jì)算降雨條件下的滑坡安全系數(shù)。通過改變錨桿的預(yù)應(yīng)力值，分別計(jì)算錨桿在不同預(yù)應(yīng)力條件下的最大總位移和安全系數(shù)，得出主要結(jié)論如下：

圖2 位移云圖（錨桿預(yù)應(yīng)力300kN）

①樁錨支護(hù)體系中錨桿預(yù)應(yīng)力的大小會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。在一定范圍內(nèi)增加預(yù)應(yīng)力，可以較好地控制滑坡的變形及穩(wěn)定性。但預(yù)應(yīng)力值超過某一界限值時(shí)，滑坡的穩(wěn)定性反而會(huì)下降。故根據(jù)實(shí)際工程在樁錨結(jié)構(gòu)中設(shè)置適宜數(shù)值的預(yù)應(yīng)力顯得格外重要，一味地增加錨桿預(yù)應(yīng)力不僅不經(jīng)濟(jì)，也不能起到良好的支護(hù)效果；

②本文以紅砂巖路塹邊坡樁錨支護(hù)工程實(shí)例為背景，綜合考慮邊坡變形及穩(wěn)定性等因素，建議錨桿預(yù)應(yīng)力最佳值為300kN，對(duì)于類似工程有一定參考價(jià)值。