地震作用下框架預應力錨桿支護邊坡穩定性分析

羅 萍 葉帥華

（1 中國甘肅國際經濟技術合作總公司，甘肅 蘭州 730000；2 蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

地震誘發的事故頗多，而邊坡滑動是主要的地震地質災害類型之一，地震誘發的滑坡分布廣泛，數目較多，危害較大，因此，地震作用下邊坡動力穩定性一直備受關注[1-3]。許多相關研究人員利用計算機軟件進行數值模擬，研究了地震作用下邊坡的穩定性，如董建華等[4]采用虛擬激勵法對框架預應力錨桿邊坡錨固結構進行隨機地震反應分析，得出隨機地震反應歲頗高逐漸增大，在坡中上部達到極值；張雷等[5]對預應力錨索加固邊坡進行FLAC數值模擬，通過對比前后邊坡位移、錨索軸力、應力等說明錨索加固對邊坡治理非常有效；段建等[6]結合理論分析和FLAC數值模擬，探討了地震邊坡巖土體應力狀態和破壞特征，發現邊坡頂單元易產生拉應力，發生拉破壞，邊坡動力失穩是因拉剪滑面貫通所致。這些研究為以后框架預應力錨桿支護結構的工程實踐和理論研究奠定了基礎，并且具有借鑒意義。

框架預應力錨桿支護結構憑借其獨特的優勢在邊坡加固中得到廣泛應用，因此，本文以蘭州某住宅小區為研究背景，利用PLAXIS 3D進行數值模擬對地震作用下框架預應力錨桿加固邊坡的穩定性進行探討。

1 工程概況

中村花園住宅小區場地位于蘭州市城關區大砂坪，北辰花園西側，迭部林業局蘭州北山林場苗圃基地院內。場地東西寬約37.0～140.0米，南北長約458.0米，場地內建筑物為13棟2～33層高低不一的建筑及地下車庫。其中1#～3#樓層高為7層，位于邊坡K7～K10段北側，其中3號樓距邊坡最近，其距離約為9.7m。4#樓為7層，5#樓為4層，6#樓為22層位于邊坡K5～K6段東側，其中5#樓距離邊坡15m；6#樓距離邊坡15m。9#、10#樓層高14層～22層，12#樓層高28層，位于K1～K5段東側，其中9#樓距離邊坡最近，其距離約為12m；10#樓距離邊坡18m；12樓距離邊坡15m。11#樓層高33層，位于邊坡K13～K14段東側，距離邊坡約8.5m。

2 支護方案

2.1 邊坡設計坡角

邊坡支護以框架預應力錨桿支護結構為主，邊坡角度60o。

2.2 巖土體參數

表1 邊坡土體參數

根據《白龍江林管局迭部林業局中村花園住宅小區邊坡治理工程勘察報告》邊坡支護設計時，各地層的設計參數見表1所示。

2.3 支護設計

根據邊坡具體工程地質條件，針對中村花園住宅小區邊坡高度和特性，確定采用框架預應力錨桿支護結構的加固方案。如圖1所示，支護高度為12m，框架預應力錨桿支護結構的橫梁和立柱橫截面均為300mm×300mm，錨桿預應力張拉值均為100kN，錨桿水平和豎直間距均為3000mm。

圖1 邊坡支護剖面圖

3 數值模擬

3.1 建立模型

為得到地震力作用對邊坡穩定性的影響，排除其他因素的影響，對邊坡計算模型進行適當的簡化。假設邊坡材料介質為均勻的彈性體，不考慮地下水的影響，通過輸入實測地震加速度時程曲線進行有限元分析，在邊坡的關鍵部位布置測點，觀察邊坡內部不同部位的位移、位移速度隨時間的變化規律以及錨桿的軸力和抗滑樁的水平位移。

圖2 模型圖

表2 錨桿參數

利用PLAXIS 3D建模，如圖2，模型為40m×40m×22.25m的土體，土體分為三層，第一層為填土層，第二層為黃土層，第三層為砂質泥巖層，均采用摩爾庫倫計算模型，土體參數見表1。邊坡坡底設有抗滑樁，為得到更加精確的模擬結果，模擬實際施工中的分層澆筑，距離邊坡8m施加100kN的荷載替代周邊建筑物，框架梁、柱材料均采用梁，間距均為3m，預應力錨桿定位于框架橫梁與立柱連接點，錨桿自由段材料選用點對點錨桿，錨固段和抗滑樁選用嵌入式梁，預應力錨桿參數見表2。

3.2 輸入地震加速度時程

本章目的是尋求邊坡在地震力作用下響應的一般規律，因此本章計算選取了一段地震加速度時程曲線，見圖6.4，采用在地震反應分析時常用的El-Centro地震波，地震持續時間10s，間隔時間10s。

圖3 地震加速度時程曲線

4 模擬結果分析

地震變形云圖如圖4，為考察邊坡內部質點在水平方向和垂直方向隨時間的變化規律，分兩次分別設置5個垂直方向觀測點和8個水平觀測點，計算完成后，提取各觀測點的位移數據繪制其隨時間的變化曲線，可找到邊坡內部質點的位移分布規律。

圖4 地震變形云圖

4.1 垂直方向上質點位移規律

在模型上分別了選取5個垂直排列的質點。得出其位移曲線圖即圖5和圖6，說明了豎直方向上，邊坡內部質點在y和z方向上的位移隨時間的變化過程，可以看出各質點在y方向的運動方向一致性不太好，位移相差較大；在z方向的運動方向一致較好，位移相差不大；各質點位移趨勢基本都向邊坡方向發展，且在3s之后開始趨于穩定狀態，5s之后位移波動變化基本穩定；但值得注意的是越靠近地表的質點，在地震過程中位移相對坡內的質點越大，越靠近坡頂的質點，在地震過程中位移越大。

圖5 垂直方向各質點y方向位移圖

圖6 垂直方向各質點z方向位移圖

4.2 水平方向上質點位移規律

圖7 水平方向各質點y方向位移圖

圖7、圖8說明了當質點水平排列時，邊坡內部質點在y和z方向上位移隨時間的變化過程，可以看出各質點在y方向的運動趨勢均具有較好的一致性，位移相差不大；在z方向的運動趨勢一致性不太好，位移相差較大；但值得注意的是越靠近坡面的質點，在地震過程中位移相對靠近坡內的質點越大；如圖6，靠近周邊建筑物的質點G和質點H位移較大，是因為周邊建筑物受到的地震影響較大；位移在y正負方向上都有分布，各質點位移在3s之后逐漸開始趨于穩定狀態，且5s之后位移變化基本穩定。

圖8 水平方向各質點z方向位移圖

5 結語

考慮基坑開挖過程的影響，基于平面應變模型分析和討論了框架預應力錨桿柔性支護結構用于基坑支護時，坡面水平位移隨設計參數的變化在施工階段的變化規律，具體結論如下：

1）地震作用下，框架預應力錨桿支護邊坡的位移規律：地震作用下，垂直方向上，距離邊坡坡頂越近，質點位移越大；水平方向上，距離坡面越近，質點位移越大；

2）地震對周圍建筑物的影響不可忽略，距離周邊建筑物越近的質點位移較大；地震對建筑物的影響力受建筑物荷載大小影響。