抗拔樁與錨索組合支護(hù)在風(fēng)化砂巖邊坡中的應(yīng)用

摘 要：文章根據(jù)某高速公路路基邊坡的地形地質(zhì)和設(shè)計(jì)形式，選擇抗拔樁與錨索組合支護(hù)結(jié)構(gòu)作為邊坡的防護(hù)體系，使用巖土有限元分析軟件Midas GTS對(duì)邊坡和組合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，對(duì)邊坡穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的自身應(yīng)力、變形進(jìn)行驗(yàn)算分析。結(jié)果表明，錨索可以為抗拔樁承擔(dān)邊坡的推力，降低抗拔樁自由段的內(nèi)力，錨索和抗拔樁整體位移小，抗拔樁+錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了邊坡位移，使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提高到3.11，支護(hù)效果顯著。

關(guān)鍵詞：抗拔樁；錨索；仿真模擬；邊坡穩(wěn)定性；變形

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1+4

0"引言

抗拔樁是高速公路邊坡開(kāi)挖后常采取的防護(hù)方法，施工過(guò)程中可以與錨索相結(jié)合組成防護(hù)體系，這種施工方法通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋對(duì)抗拔樁樁身施加預(yù)壓力，抵消部分上拔的拉應(yīng)力，使樁身主要處于受壓的狀態(tài)下，減小樁身裂縫的產(chǎn)生，提高樁身的抗拉能力［1］。

近年來(lái)，更多的學(xué)者對(duì)抗拔樁錨索組合支護(hù)體系進(jìn)行了更深入的研究分析，通過(guò)使用不同分析方法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。孫洪福［2］采用ABAQUS 3D軟件，重點(diǎn)對(duì)邊坡在錨索不同預(yù)拉力、抗滑樁不同間距下的加固效果進(jìn)行分析。李曉翠等［3］采用有限差分法，分析了多種工況下的滑坡體位移和應(yīng)力數(shù)值變化趨勢(shì)，根據(jù)結(jié)果對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行二次優(yōu)化。現(xiàn)有成果較少針對(duì)風(fēng)化砂巖地質(zhì)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，且很少使用數(shù)值模擬軟件對(duì)抗拔樁與錨索組合支護(hù)效果進(jìn)一步進(jìn)行分析?；诖耍疚膶ⅰ翱拱螛?錨索”組合體系應(yīng)用于風(fēng)化砂巖這類(lèi)穩(wěn)定性差的邊坡防護(hù)，將無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用在抗拔樁上，減小普通鋼筋的用量且提高樁身抗拔能力，同時(shí)通過(guò)有限元軟件建立抗拔樁+錨索組合支護(hù)的邊坡模型，利用數(shù)值模擬進(jìn)行分析，研究抗拔樁和錨索支護(hù)的應(yīng)用效果，以提高邊坡穩(wěn)定性。

1"工程概況

本文以樂(lè)業(yè)至望謨高速公路某路基邊坡為案例進(jìn)行分析。該邊坡地質(zhì)依次往下為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖，其中以粉質(zhì)黏土的厚度最小，約為3.2 m，強(qiáng)風(fēng)化砂巖平均厚度為13.5 m，邊坡坡度為30°～35°。路基為山體的半填半挖段，擬建路面寬度為11.75 m，邊坡坡度均為1∶1，坡面防護(hù)采用錨固掛網(wǎng)噴混凝土。其中，第一級(jí)邊坡防護(hù)形式為錨桿支護(hù)；在路基靠近山體一側(cè)設(shè)置“抗拔樁+錨索”防護(hù)組合體系，通過(guò)抗拔樁錨固進(jìn)入土體一定深度，外露段起到阻擋上部土體，在抗拔樁頂部設(shè)置兩組錨索，錨固段錨入土體一定范圍（見(jiàn)圖1）。

2"邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1"坡面防護(hù)

路基邊坡坡面采用10 cm厚的錨固掛網(wǎng)噴混凝土防護(hù)，采用 8 mm鋼筋網(wǎng)片，間距設(shè)置為25 cm，縱橫向每間隔3 m設(shè)置雙排20號(hào)帶肋加強(qiáng)鋼筋。鋼筋交界中心處設(shè)置錨桿，錨桿體由主筋、鋼墊板、錨具和對(duì)中支架等組成，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為12 m，空隙處灌注M30水泥砂漿并最后進(jìn)行封錨（見(jiàn)圖2）。

2.2"“抗拔樁+錨索”組合體系

2.2.1"抗拔樁

抗拔樁設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為28 m，其中地面自由段長(zhǎng)度為12 m，錨固段長(zhǎng)度為16 m。樁體采用圓形斷面，樁身直徑為2.2 m，相鄰抗拔樁間設(shè)置最大間距為6 m。樁身采用C30混凝土，受力鋼筋保護(hù)層厚度≥7 cm，抗拔樁頂部設(shè)置高為1 m的冠梁，樁間設(shè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋土板，擋土板強(qiáng)度不低于C30，板內(nèi)預(yù)留泄水孔（見(jiàn)圖3）。

2.2.2"錨索

抗拔樁樁身設(shè)置無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索輔助受力，第一道錨索距冠梁頂部0.45 m，布設(shè)于冠梁之中；第二道垂向向下間隔3 m設(shè)置一道，樁體相應(yīng)位置預(yù)埋鋼管（見(jiàn)圖4）。

錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為30 m，單索抗拔力設(shè)計(jì)值為400 kN，主要由錨具、架線環(huán)、鋼質(zhì)承載體、無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線和波紋管等組成。其中，抗拔樁的錨固段為2根+4根的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線保持一定的強(qiáng)度連接錨固在鋼質(zhì)承載體上，長(zhǎng)度＞10 m。

2.3"巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)地勘和設(shè)計(jì)文件，邊坡巖土體與相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)按表1取值。

3"結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

3.1"建立有限元模型

3.1.1"建立模型

采用Midas GTS軟件建立邊坡有限元分析模型（見(jiàn)圖5），模型左側(cè)高度為54 m，底部長(zhǎng)度為105.5 m，右側(cè)高度為17.5 m。

3.1.2"計(jì)算參數(shù)

為兼顧計(jì)算精確與分析簡(jiǎn)便，模型按2 m劃分單元網(wǎng)格，各類(lèi)材料單元類(lèi)型取值如表2所示。所承受荷載為自身重量，邊界添加為自動(dòng)約束［4］。

3.1.3"工況設(shè)置

針對(duì)模型分析，設(shè)置了多組工況來(lái)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移情況，并依次進(jìn)行了分析。

3.2"數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1"變形分析

根據(jù)抗拔樁樁身位移圖（見(jiàn)圖6）分析，抗拔樁最大位移為3.18 cm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范上的要求；由樁頂向樁底方向，樁身位移逐漸減小，樁頂有40.0%的抗拔樁位移＞2.99 cm，樁底則有30.0%的抗拔樁位移＜2.13 cm，位移速率變化為由小到大。根據(jù)錨索位移圖（見(jiàn)圖7）分析，錨索最大位移出現(xiàn)在第一根錨索自由段靠中間的6.82 cm位置，有96.7%的位移集中在4.57～6.82 cm，整體位移差距較小，位移分布規(guī)律為錨固段向自由段逐漸增大再減小的過(guò)程，錨索整體變形位移較小，結(jié)論為整體穩(wěn)定性較好。

3.2.2"內(nèi)力分析

由圖8可知，抗拔樁彎矩從樁頂向下先呈現(xiàn)變大趨勢(shì)，在樁頂下方8.42 m的位置出現(xiàn)最大彎矩值，然后彎矩逐漸減小為0，彎矩方向轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在樁頂下方14.9 m的位置，往下距樁頂20.3 m位置處呈現(xiàn)反方向最大彎矩值，最后減小為0。由頂至底，樁身彎矩變化趨勢(shì)為：正向大→小，反向小→大，最大彎矩值為12.78 MN·m，在8.42 m附近區(qū)段速率變化最大。

由圖9可知，由樁頂至樁底，樁身剪力變化趨勢(shì)為：負(fù)剪力由小→大→小，正剪力由小→大→小。其中最大樁身正剪力距樁頂13 m，為2.18 MN；最大樁身負(fù)剪力距樁頂3.8 m，為3.32 MN，有54.4%的抗拔樁剪力都小于1 MN。

由圖10可知，從抗拔樁樁頂至樁底，抗拔樁樁身最大軸力出現(xiàn)在距離樁底2.0 m的位置，最大軸力為15.40 MN；從樁頂至樁底，抗拔樁軸力基本呈現(xiàn)出線形由小至大，變化速率由小變大，逐漸趨于平穩(wěn)。

3.2.3"成效分析

各工況下，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)下頁(yè)圖11。由圖11可知，自然狀態(tài)下，邊坡的塑性區(qū)域主要集中在邊坡上部即粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖交界處附近，最大塑性應(yīng)變區(qū)即開(kāi)挖區(qū)域的頂部。較天然狀態(tài)下，增加抗拔樁防護(hù)后邊坡的塑性應(yīng)變區(qū)集中在邊坡抗拔樁支護(hù)區(qū)域附近，邊坡的塑性應(yīng)變明顯減小，此時(shí)塑性區(qū)域由貫通變?yōu)閿嚅_(kāi)；增加“抗拔樁+錨索”防護(hù)后，邊坡上部抗拔樁附近的塑性應(yīng)變明顯減小，邊坡的最大塑性應(yīng)變集中在抗拔樁下方的邊坡坡腳。

不同的工況下，對(duì)邊坡位移和安全穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)軟件分析結(jié)果，天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.26，施工抗拔樁+噴錨防護(hù)時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到了2.19，施加錨索后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提高到3.11（見(jiàn)表3）。從邊坡各工況下的應(yīng)變情況進(jìn)行分析，自然狀態(tài)下原邊坡處于一般穩(wěn)定的狀態(tài)，主要滑動(dòng)面在邊坡中上部位置呈圓弧形，最大滑動(dòng)位置在弧形最下方；對(duì)原地形邊坡開(kāi)挖并施加抗拔樁后，邊坡主要滑動(dòng)面由中上部轉(zhuǎn)移為整個(gè)邊坡上，最大滑動(dòng)位置出現(xiàn)在抗拔樁錨固段頂部；進(jìn)一步對(duì)邊坡土體施加錨索，邊坡抗拔樁與土體加強(qiáng)聯(lián)系后，主要滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移到邊坡下方未開(kāi)挖位置，進(jìn)一步提高了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)反映了邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合邊坡位移情況進(jìn)一步綜合判定。在水平位移云圖（見(jiàn)圖12）上，施加抗拔樁和錨索施工后最大水平位移降低為1.63 cm，位于抗拔樁自由段底部，說(shuō)明邊坡在施加支護(hù)后，抗拔樁和錨索改變了土體的滑動(dòng)狀態(tài)，對(duì)滑動(dòng)土體進(jìn)行了阻擋，減小了土體滑動(dòng)，達(dá)到了抗滑的目的［5］。在縱向位移云圖上（見(jiàn)圖13），施加抗拔樁和錨索后邊坡縱向位移變化最大位置在抗拔樁頂部，降低為2.3 cm，這樣的結(jié)果與水平位移相似，驗(yàn)證了抗拔樁和錨索支護(hù)體系在維持邊坡穩(wěn)定性的有效性。

4"結(jié)語(yǔ)

（1）使用有限元數(shù)值分析軟件對(duì)邊坡和抗拔樁錨索組合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模加載和計(jì)算分析，得出抗拔樁最大位移為3.18 cm，錨索最大位移為6.82 cm，均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）抗拔樁+錨索組合支護(hù)結(jié)構(gòu)下，抗拔樁自由段承受上部荷載，抗拔樁位移由樁頂往樁底逐漸減小，第一束錨索位移較第二束錨索更大。在抗拔樁后方設(shè)置了預(yù)應(yīng)力錨索，錨索為抗拔樁分擔(dān)邊坡推力，使得抗拔樁自由段上部?jī)?nèi)力較小，并由上往下逐漸增大，集中在錨固段底部。

（3）預(yù)應(yīng)力錨索施工可進(jìn)一步提高邊坡的安全穩(wěn)定性，減小邊坡的位移。

參考文獻(xiàn)：

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