預應力錨索抗滑樁邊坡穩(wěn)定性研究

■劉 波 ■重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074

1 引言

預應力錨索抗滑樁是滑坡治理工程措施之一，它是在抗滑樁的基礎上發(fā)展起來的，廣泛應用于鐵路、公路等滑坡的治理工程中。它是一種組合結(jié)構。通過在普通懸臂式抗滑樁的頂部設置可承受一定預應力的錨索，使抗滑樁由被動受力變?yōu)橹鲃邮芰顟B(tài)。從而減小抗滑樁的內(nèi)力和變形，減小樁的截面尺寸和埋深，降低工程造價【1】。

本文基于midas/GTS 有限元程序，以江北區(qū)站前路東段工程中預應力錨索抗滑樁加固的高邊坡為工程實例，利用用有限元強度折減法對其受力狀況進行分析。

2 有限元強度折減法

在有限元靜力穩(wěn)態(tài)計算中，如果模型為不穩(wěn)定狀態(tài)，有限元計算將不收斂，基于此原理，在非線性有限元邊坡穩(wěn)定性分析中，通過降低結(jié)構面的強度(粘聚力和內(nèi)摩擦角)，使系統(tǒng)達到不穩(wěn)定狀態(tài)，有限元靜力計算將不收斂，此時的折減系數(shù)就是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。在強度折減法計算過程中，把土體粘聚力和內(nèi)摩擦角按如下公式進行折減【2-6】:

式中:c、φ 分布為材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角;c'、φ'別為折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

在有限元計算中，目前廣泛采用的理想彈塑性模型是摩爾-庫倫屈服準則，即:式中I1，θσ，J2依次為應力張量的第1 不變量、洛德(Lode)角和應力偏量的第2不變量;c、φ 分別為巖土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

3 工程實例

3.1 工程概況

站前路橫跨渝北與江北兩區(qū)，為東西走向的城市主干道，站前路東段道路西起龍頭寺火車站前現(xiàn)狀泰山路，向東下穿渝魯大道(五童路)、海爾路及行政中心東側(cè)道路，東止于與溉北路相交交叉口，線路全長約2080m，雙向六車道，規(guī)劃紅線寬44m，分為渝北、江北兩段。該段道路主要以挖方為主，頭尾兩側(cè)有少量填方。挖方段將形成的挖方巖質(zhì)邊坡最高約39.88m，填方段將形成的填方土質(zhì)邊坡最高約7.36m。本次計算選取最典型邊坡截面進行計算，邊坡高56m，全為中風化泥巖。

3.2 單元及邊界條件的選取

數(shù)值模擬時的材料視為理想彈塑性材料，采用摩爾-庫倫屈服準則，邊界條件為左右兩側(cè)水平約束，下部固定，上部為自由邊界。邊界大小應該計算的精度要求，本算例采用計算邊界為:坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5 倍(84m)，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5 倍(140m)，上下邊界總高度為坡高2 倍。(112m)

表1 物理力學參數(shù)

表2 截面和接觸特性參數(shù)表

4 模擬計算結(jié)果與分析

(1)不同設計情況下邊坡安全系數(shù)

圖2 等效塑性區(qū)云圖安全系數(shù)1.3375

圖3 等效塑性區(qū)云圖安全系數(shù)1.2375

(2)不同設計情況下抗滑樁內(nèi)力情況

圖4 抗滑樁y 軸方向彎矩

圖5 抗滑樁y 軸方向彎矩

預應力錨索抗滑樁最大最小彎矩值分別為3950kN.m，-3430kN.m，最大最小值絕對相差15.2%。

普通抗滑樁最大最長彎矩值分布別為5014kN.m，-2377kN.m，最大最小值絕對相差110.9%。

通過兩種不同設計方法的比較可以得出如下結(jié)論:(1)預應力錨索抗滑樁加固邊坡可以有效的提高邊坡的安全系數(shù)，比起未施加預應力的抗滑樁加固形式可以提高邊坡安全系數(shù)8.1%;(2)預應力錨索邊坡抗滑樁可以優(yōu)化抗滑樁內(nèi)力分布情況，對于優(yōu)化設計非常有利。

［1］預應力錨索抗滑樁支擋結(jié)構體系數(shù)值模擬研究［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2008，9(3):50～53.

［2］趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民等.用有限元強度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］.巖土工程學報，2002，24(3):343～346.

［3］趙尚毅，鄭穎人，鄧衛(wèi)東.用有限元強度折減法進行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.巖土工程學報，2003，22(2):254～256.

［4］高峰，李俊.地震作用下滑坡的穩(wěn)定性分析及治理［J］.重慶交通大學學報，2011，2:第30 卷第1 期.

［5］鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡的運用［J］.巖土工程學報，2002，24(3):343～346.

［6］馮錫勇.含有軟弱結(jié)構面的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.江西建材，2015，2(155):146～146.