錨桿與抗滑樁在高速公路高邊坡加固中應用效果比選

霍 建 忠

(山西路橋建設集團有限公司陽泉分公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

伴隨我國基礎設施建設水平的不斷提升，大批城市基礎設施建設工程項目相繼開工，極大地激發了國內基礎設施建設的發展；但需要注意的是，我國地理位置復雜多變，且大部分區域處于多山地區域，地震帶分布密集、復雜，基礎設施建設中的巖土工程設計及勘察工作顯得尤為重要，尤其對于部分結構的邊坡穩定性問題成為制約基礎設施建設水平的主要瓶頸。

1 項目概況

綜合分析項目施工區域的地質情況，以國內某在建高速公路項目為對象，對于施工高度超過10 m的巖石邊坡進行摸排，經過工程調研發現，工程中涉及的大部分邊坡較陡，且產狀特點呈現斜交、順層形態巖石，局部有較為明顯的軟弱夾層存在。具體分布情況為：沿著路線邊坡走向，巖層的節理形式呈現斜交、陡傾層小角度斜交、緩傾順層產狀的所占比例較大，經調查發現，其占比分別達到總量的16%,14%,20%,18%；巖層分布形式呈陡峭產狀的占比大致居中，所占比例為9%,10%；最后，巖層節理呈現陡傾、反傾形式明顯的順層產狀的巖層占比最低，所占比例為2%,4%,2%,4%,2%。

2 錨桿加固高邊坡支護方案

2.1 錨桿支護效應分析

1)中間含軟弱夾層的邊坡，對于軟弱夾層而言，其內部的最薄弱面的抗滑移能力大于巖石之間自身的摩阻力時，其中的軟弱夾層以及上部的巖石將沿著滑動平面發生剪切變形和移動。在巖石整體中，滑動行為大多數發生在節理裂隙發育完全的軟弱夾層之間。為了確保其工程穩定性，必須通過大規模的削坡以降低荷載水平，從而達到理想的穩定性的坡度角度，并設置擋土墻等設施作為工程支護。一般情況下，選用單一形式的削坡降低荷載并加設擋土墻并不是性價比最高的方式，可以考慮選用錨定桿加固方式；

2)內含軟弱土層的邊坡安全穩定系數不足，工程實踐中，絕大多數邊坡穩定性系數不足1，在自重荷載作用下很容易出現失穩問題，加之外界荷載或者地震波的作用下，質地較軟的邊坡坡面很容易產生較大的滑移，這表明絕大多數條件下的邊坡借助自身條件無法滿足受力平衡，存在較高的潛在坍塌風險。所以，有必要對結構薄弱部位進行錨定桿加固方式。

2.2 錨桿加固數值分析

1)關于錨定桿加固的數值模擬分析。

單元模擬假設：將錨定桿設為兩節點桿單元，并添加預應力，且桿單元具有一定的橫截面積，兩節點位置可視為無約束端和剛性約束端。剛性約束位置選用梁單元，考慮桿系結構的剛性約束力；無約束端選用桁架單元模擬，考慮到桁架單元僅受到桿件軸力，所以，桁架單元僅需要使用一個單元，桁架單元預應力以“拉負壓正”為標準；

2)從錨定桿預應力加固方面考慮，考慮在結構自重荷載下的穩定系數、地震荷載條件下的位移極限值及錨定桿內力等三方面分析，得到了錨定桿增加應力后的軟弱巖層的邊坡穩定性分析，得到了具體的錨定桿支護效果；

3)預應力錨桿加固方案安全系數分析。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，進一步得到了在經加固后的含有軟弱巖層的邊坡結構在自重荷載下的穩定系數可達到1.2，相同邊坡仿真模型下沒有添加錨固約束的穩定系數僅為1.01。對比可見，采用錨固增強能夠極大提高結構邊坡的穩定系數，增強邊坡穩定性能；

4)預應力錨桿加固地震力作用下的水平位移。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，得出施作錨桿前后邊坡水平方向的位移云圖，從而得出施加錨定桿前的邊坡水平方向位移值為1.02 cm，經加固的位移峰值縮減至0.51 cm；

5)預應力錨桿加固地震力作用下的豎向位移。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，得出施作錨桿前后邊坡豎直方向的位移云圖，進而獲取錨定桿施加應力前的軟弱土層至坡面的整體滑動位移，經過計算，其位移大體上介于0.58 cm～1.05 cm之間，通過錨定桿加固，位移降低至0.28 cm～0.76 cm之間，位移峰值從1.08 cm降低至0.76 cm，通過數據顯示，錨定桿支護效果非常顯著；

6)預應力錨桿加固錨桿內力分析。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，錨桿錨固端軸力越靠近坡體越大，基本呈線性梯度增加，其中最大值為42.2 kN。

3 抗滑樁加固高邊坡支護方案

3.1 抗滑樁支護效應分析

在數值模擬過程中，樁體與巖層間的作用力能夠使用非線性彈簧模擬。通過定義非線性彈簧的本構關系，以得到二者間的滑移值，通過非線性彈簧可以正常傳遞節點之間的應力和彎矩，還能夠模擬樁周圍土體的擠壓作用。

3.2 抗滑樁支護數值分析

1)關于樁抗滑移的數值分析及單元模擬。

為了分析抗滑移樁的力學性能，其單元參數通過本構關系、材料參數及接觸類型綜合定義。同錨定桿系結構類似，節點間的線段代表單個樁基礎單元，樁基礎單元能夠定于截面積。接觸類型定義方面，同梁單元類似，屬于常用的結構單元之一；

2)抗滑樁支護加固效果分析角度。

從自重荷載下的穩定系數值，地震荷載下的位移極值、樁基內力等方面對照，得到邊坡加固前后的穩定性分析結果；

3)滑移阻抗樁的穩定系數。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，經抗滑移加固后，能夠計算出加固后的含有軟弱土層的邊坡在自重荷載下的穩定系數為1.21，相同位置處的未加固邊坡穩定系數為1.02。對照可知，滑移阻抗樁加固后可以極大地提升結構的穩定性；

4)滑移阻抗支護結構在地震荷載作用下水平方向的位移。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，未進行加固施工的邊坡產生顯著的位移，水平位移峰值為1.02 cm，加固后的位移峰值降低至0.75 cm；

5)抗滑樁支護地震力作用下豎直方向的位移。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，在豎向方向進行加固時，其位移的峰值為1.08 cm，施加抗滑樁后，位移峰值降低至0.87 cm。通過計算數據顯示，位移峰值明顯下降，成因主要是位移極值出現在坡頂，滑移阻抗樁的位置和坡頂面存在一定的距離，加固樁阻礙了坡體在水平荷載下的滑移值，其加固效果并不顯著；

6)抗滑樁內力分析。

采用有限元軟件ANSYS通過分析計算，由坡頂面至下，首根抗滑動樁剪力值明顯超過第二根，剪力值呈現階梯式變化，臨界位置剪力峰值突破580 kN。

4 加固效果比選

1)在荷載自重作用下的安全系數計算。

通過分析可得，在缺乏相關支護的前提下，選擇不同的支護條件下的對應穩定系數如表1所示。

表1 不同類型加固方式的安全系數

在結構自重作用下，從表1邊坡的安全系數可得到，通過錨定桿或者抗滑移樁能夠顯著提升邊坡的穩定性，確保邊坡穩定系數提高。滑移阻抗樁的支護作用體現在對土體滑坡的遏制，能夠顯著提高土體在自重荷載下的穩定性，增強邊坡穩定儲備。

2)地震波作用下的位移值。

通過分析可以對比得到不同支護工況下的邊坡在地震荷載下位移變化情況如表2所示。

表2 不同類型支護方式位移峰值 cm

在地震荷載作用下，從邊坡的位移角度分析，經錨定桿加固后的巖層其位移顯著降低，峰值降低幅度較高。但抗滑移樁對巖層的加固效果尚不顯著，位移峰值相對降低幅度不高，分析原因主要是抗滑樁的布設沒有錨定桿靈活，且只能布置在坡度較為平緩的下部。

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