路基邊坡預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)受力特性和抗震效果有限元分析

吳育科

（中電建（麗水）規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

路基邊坡治理是公路建設(shè)中的一大難點(diǎn)，選擇合理的路基邊坡支護(hù)方式可有效保障邊坡穩(wěn)定[1-3]。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁作為一種錨索和樁的組合支擋結(jié)構(gòu)，可通過(guò)二者合作共同受力來(lái)抵抗滑坡推力，從而實(shí)現(xiàn)一般抗滑樁的被動(dòng)抗滑向主動(dòng)抗滑的轉(zhuǎn)換。這種抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)在路基邊坡加固中應(yīng)用較為廣泛[4,5]，用好與否關(guān)系到路基邊坡的穩(wěn)定性和抗震性能。本文利用MIDAS/GTS巖土有限元軟件模擬分析不同強(qiáng)度折減系數(shù)下抗滑樁和錨索的受力特性，以及地震作用下預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果。

1 工程概況

某路基邊坡地處災(zāi)害頻發(fā)地帶、巖體破碎，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，邊坡存在明顯位移。邊坡總體呈扇形，主軸長(zhǎng)約75m。頂端、下緣寬度分別為45m，150m。邊坡區(qū)呈現(xiàn)山前斜坡地貌。坡度和坡高分別約為20°、25m，滑坡后緣結(jié)構(gòu)較為清晰。邊坡地層由下至上分別為：粉砂質(zhì)頁(yè)巖層、風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖層、含碎石粉質(zhì)黏土層，平均厚度均約為10~15m。邊坡巖土參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土參數(shù)

2 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)方案

為避免研究區(qū)邊坡產(chǎn)生大面積失穩(wěn)引發(fā)滑坡，采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行治理，應(yīng)用C30混凝土完成預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁澆筑，容重取值為25kN/m3；樁總長(zhǎng)、受荷段、嵌固段長(zhǎng)度分別為13m、7m、6m；錨索長(zhǎng)度及彈性模量大小分別為11.5m、200MPa；錨索與水平地面間的夾角為10°，同時(shí)為錨索施加的預(yù)應(yīng)力大小為100kN。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)其他設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2所示，支護(hù)布置方案如圖1所示。

圖1 支護(hù)布置方案

表2 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)中，錨索與樁分別作為主動(dòng)與被動(dòng)支擋結(jié)構(gòu)。樁支護(hù)完成后，通過(guò)錨索固定于邊坡的穩(wěn)定地層中，通過(guò)組合錨索與樁共同對(duì)抗邊坡的推力。具體的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡的力學(xué)示意圖如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡的力學(xué)示意圖

當(dāng)錨索與樁共同對(duì)抗邊坡的推力時(shí)，若邊坡不穩(wěn)固產(chǎn)生的推力首先由錨索來(lái)抵抗，由樁承擔(dān)的邊坡推力便減小，此時(shí)錨索所抵抗的邊坡推力為F，錨索預(yù)先替樁承擔(dān)的邊坡推力便為F傳遞至樁位置處的水平推力Pdm。因此，樁實(shí)際抵抗的邊坡水平推力值Pd的計(jì)算方式為：未考慮錨索抵抗邊坡推力條件下設(shè)樁位置所承擔(dān)的邊坡推力設(shè)計(jì)值PT與錨索預(yù)先替樁承擔(dān)的邊坡推力Pdm之間的差值，即：Pd=PT -Pdm。詳細(xì)分析如下：

用N描述邊坡由上至下所劃分的條塊數(shù)量，穿過(guò)邊坡滑面的預(yù)力錨索m處于條塊i的位置，條塊j的位置為設(shè)樁位置。樁所抵抗的邊坡水平推力設(shè)計(jì)值Pd的計(jì)算公式

式中：λ、λk、K——分別為邊坡巖性折減系數(shù)及推力傳遞系數(shù)、工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)；

Pm、Pj——分別為第m條錨索的設(shè)計(jì)拉力值、樁的位置承擔(dān)的邊坡推力，且Pj?cosαj=PT；

αj、βm——分別為樁所處滑面的傾角、第m條錨索的傾角；

αi、φi——分別為邊坡滑塊i位置處的傾角、內(nèi)摩擦角。

通過(guò)加入錨索折減系數(shù)ηm理念，便于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡的力學(xué)計(jì)算，ηm用于描述預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁共同進(jìn)行加固邊坡時(shí)，錨索拉力傳遞至樁所在位置時(shí)，錨索實(shí)際抵抗邊坡水平作用力除以錨索拉力值Pm的結(jié)果，計(jì)算表達(dá)式如下：

錨索與樁的協(xié)調(diào)表達(dá)式為：

則公式（1）的簡(jiǎn)化結(jié)果表達(dá)式為：

錨索預(yù)應(yīng)力值和拉力值求解過(guò)程如下：依據(jù)邊坡推力設(shè)計(jì)值，設(shè)定錨索拉力值，并依據(jù)公式（4）計(jì)算樁所處位置所受邊坡推力設(shè)計(jì)值。遵循公式（3）完成通過(guò)錨索協(xié)調(diào)后的變形拉力值求解，錨索預(yù)應(yīng)力值大小即為：錨索拉力值與通過(guò)錨索協(xié)調(diào)后變形拉力值的差值。

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型，結(jié)合了錨索和樁的協(xié)調(diào)受力，一起抵抗邊坡推力，錨索既可以承擔(dān)部分邊坡滑力，還對(duì)樁施加了拉力，完成邊坡加固的同時(shí)限制樁身的變形。

4 數(shù)值模擬模型

采用在邊坡支護(hù)工程數(shù)值模擬中應(yīng)用較為廣泛的MIDAS/GTS巖土有限元軟件進(jìn)行本文邊坡防護(hù)中的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)三維模型如圖3所示。土體、抗滑樁及預(yù)應(yīng)力錨索分別應(yīng)用莫爾庫(kù)倫本構(gòu)模型、3D彈性實(shí)體單元以及MIDAS/GTS中的植入式桁架單元完成模擬，邊坡坡面和護(hù)坡均使用殼單元進(jìn)行模擬；邊界和四周分別采用固定及自由場(chǎng)邊界。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)三維模型

5 抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)邊坡防護(hù)技術(shù)及效果分析

5.1 抗滑樁受力特性分析

應(yīng)用MIDAS/GTS巖土有限元軟件分析不同強(qiáng)度折減系數(shù)下（1.0、1.1、1.2）抗滑樁的內(nèi)力變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下抗滑樁的內(nèi)力變化

分析圖4（a）可知不同強(qiáng)度折減系數(shù)下抗滑樁彎矩變化情況?？够瑯斗磸濣c(diǎn)出現(xiàn)在入土深度為18m處，反彎點(diǎn)上、下兩部分的彎矩值分別為負(fù)值和正值，代表這兩部分的抗滑樁分別承受拉力和壓力，最大拉力、壓力對(duì)應(yīng)圖中最大負(fù)彎矩深度、最大正彎矩深度，分別為12m、24m。強(qiáng)度折減系數(shù)的增加不會(huì)改變彎矩的分布情況，但會(huì)增加彎矩值，同時(shí)負(fù)彎矩的增加幅度顯著低于正彎矩增加幅度。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.0 時(shí)，加固邊坡為工作狀態(tài)，此時(shí)最大正、負(fù)彎矩分別為8.5×103kN·m、-4.5×103kN·m；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)增加到1.2時(shí)，加固邊坡已達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)最大正、負(fù)彎矩分別達(dá)到22.5×103kN·m、-10.5×103kN·m。

分析圖4（b）可知不同強(qiáng)度折減系數(shù)下抗滑樁剪力變化情況，在抗滑樁入土深度分別為8m、20m兩處時(shí)，抗滑樁的剪力為0，8~20m深度之間時(shí)，抗滑樁樁體剪力為負(fù)數(shù)，8~20m 深度之外，抗滑樁樁體剪力為正數(shù)。最大正、負(fù)剪力深度分別為25m、15.5m，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增加，剪力分布情況不變，但剪力值增加，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.0時(shí)，加固邊坡處于工作狀態(tài)，此時(shí)的最大正、負(fù)剪力值分別為3×103kN、-2.5×103kN；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)增加至1.2時(shí)，加固邊坡處于極限狀態(tài)，此時(shí)的最大正、負(fù)剪力值分別為6.4×103kN、-6.5×103kN。

5.2 錨索受力分析

為分析預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)中各錨索的受力特性，統(tǒng)計(jì)不同折減系數(shù)下（1.0、1.1、1.2）圖2 中編號(hào)A-N的錨索的內(nèi)力變化情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同折減系數(shù)下錨索的內(nèi)力變化情況

分析圖5可知，整個(gè)邊坡中，受牽引式滑坡影響，位于邊坡下部的錨索最大軸力值高于邊坡上部的錨索最大軸力值。相同折減系數(shù)下，E號(hào)錨索的軸力值最小，原因在于其位于邊坡上部，此處坡體受推力較小，呈現(xiàn)較穩(wěn)定態(tài)勢(shì)；E號(hào)錨索的軸力值最大，其位于抗滑樁前端，受邊坡推力較大。各個(gè)錨索的最大軸力值隨著折減系數(shù)的增加逐漸增大，當(dāng)折減系數(shù)為1.2時(shí)，此時(shí)邊坡處于極限狀態(tài)，滑動(dòng)面下部剪出，導(dǎo)致編號(hào)為N 的錨索因軸力值達(dá)到錨固端極限拉拔值而失效拔出。

5.3 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)方案的應(yīng)用效果

為分析預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)方案的應(yīng)用效果，從邊坡中選取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置分別為：邊坡上端1、2層巖土界面間（監(jiān)測(cè)點(diǎn)1）、邊坡中部2、3 層巖土界面間（監(jiān)測(cè)點(diǎn)2）、邊坡前端2、3 層巖土界面間（監(jiān)測(cè)點(diǎn)3）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 上方的邊坡表面處（監(jiān)測(cè)點(diǎn)4），具體位置見(jiàn)圖2。將4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線收斂性作為邊坡失穩(wěn)判斷條件，模擬PGA=0.10g時(shí)Wolong地震波進(jìn)行水平方向的50s激振作用下，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用前后4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線，衡量支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用前后的邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用前，隨著地震波的持續(xù)作用，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移呈持續(xù)增加態(tài)勢(shì)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)4地震作用下的位移最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的位移最小，且地震波作用結(jié)束后，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移持續(xù)增加，說(shuō)明邊坡在地震波的持續(xù)作用下已經(jīng)失穩(wěn)。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用后，隨著地震波的持續(xù)作用，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移呈小幅度增加態(tài)勢(shì)。與支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用前相同，還是監(jiān)測(cè)點(diǎn)4在地震作用下的位移最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的位移最小，說(shuō)明地震作用下邊坡表層的滑移最大，底層滑移相對(duì)較小，邊坡上部的滑移相對(duì)邊坡下部較大；在地震波作用結(jié)束后，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移不再繼續(xù)增加，呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用后，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖6 抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

本文為提升路基邊坡穩(wěn)定性、增強(qiáng)其抗震性能，利用MIDAS/GTS巖土有限元軟件模擬研究預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)在路基邊坡防護(hù)應(yīng)用中的受力特性和抗震效果。結(jié)果顯示：強(qiáng)度折減系數(shù)的增加不會(huì)改變抗滑樁彎矩以及錨索剪力的分布情況，但會(huì)增加彎矩值以及剪力值，強(qiáng)度折減系數(shù)為1.0時(shí)，加固邊坡為工作狀態(tài)，強(qiáng)度折減系數(shù)為1.2時(shí)，加固邊坡已達(dá)到極限狀態(tài)；預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可降低地震作用產(chǎn)生的位移，且地震波作用結(jié)束后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移不再繼續(xù)增加，呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，邊坡穩(wěn)定性較好。研究認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)具備顯著的路基邊坡安全防護(hù)效果。