基于FLAC3D 預應力錨索抗滑樁錨固角度優化研究

唐云波

（重慶交通大學土木工程學院，重慶400041）

目前，預應力錨索抗滑樁支擋結構已經成功應用于礦山建設、高陡邊坡、地下洞室等大型民用工程中[1]。實踐證明預應力錨索抗滑樁對邊坡具有良好的加固效果，尤其是在對高邊坡的加固較一般抗滑樁具有很好的加固效果。已有的研究已證實了在錨索的約束作用下，樁頂位移可得到有效控制，樁身內力發生根本性的變化[2-5]。綜上分析可見，前人的研究主要集中在預應力錨索抗滑樁支護結構工程實例分析及設計方法上的探討，而針對預應力錨索錨固角度研究甚少，針對這一問題，本文采用數值模擬的手段計算與分析了錨固角度不同的條件下邊坡變形及支護結構的受力情況。

1 數值模型建立

本文建立的FLAC3D 分析模型對實際工程中的抗滑樁情況進行了一定的簡化，滑坡體主要由上層的土體組成，下部為基巖層。巖土體及抗滑樁物理力學參數見表1。

表1 模型材料力學參數

在本文模擬中，巖土體本構模型為摩爾－庫倫模型，模型尺寸長70m，寬21m，高45m。模型底部采用全約束，即約束其水平及垂直方向的變形，模型兩側約束其水平向變形，模型頂部無約束，在進行重力作用下的初始地應力計算之后，由于要對模型左側上部土體X 正方向施加滑坡推力，因此需要把此處的約束進行釋放。抗滑樁本構模型為線彈性模型，抗滑樁的截面尺寸長2m，寬1.5m，高16m，埋入基巖體8m，樁間距為8m。預應力錨索采用cable 單元，錨索錨固點距頂面1.5m，錨固段長度為6m，自由端長度為12m，錨索采用5 束7 絲鋼絞線，錨固段均位于邊坡底部的基巖中。此時模型共包括51065 個單元，53978 個節點，具體網格的網格的劃分如圖1 所示。

計算時分為5 種工況，即錨索錨固角度分別為30°、33°、36°、39°、40°、45°，分別對應于工況1～5，本文主要分析不同工況下邊坡的位移及支護結構的內力分布情況。

2 數值模擬計算結果與分析

2.1 預應力錨索對坡體及抗滑樁位移變化情況

圖1 模型網格劃分圖（單位：m）

預應力錨索作用前邊坡位移分布情況見圖2。由圖2b 可見，邊坡最大水平位移X 為166.16mm，位于坡體頂部，這是由于在左上模型邊界上施加下滑力導致坡頂X 位移較大。抗滑樁最大位移位于抗滑樁頂部為50.08mm。

圖2 預應力錨索作用前邊坡位移分布情況

預應力錨索作用后的邊坡位移分布情況見圖3，為工況1即錨索錨固角度為30°數值模擬與計算結果。由圖3 可見，邊坡最大水平位移為160.01mm，位于坡體頂部。抗滑樁最大位移位于抗滑樁頂部為38.23mm。由此可見，預應力錨索的作用范圍有限，對坡頂的影響很小。主要是對坡底的作用影響較大，很大程度上制約坡底及抗滑樁的最大位移，能較好的對抗滑坡影響。因此，以下著重分析各種工況下坡底各種參數變化規律。其余工況所得規律與工況1 類似，因此不再贅述。

圖3 預應力錨索作用后邊坡位移分布情況

2.2 各工況邊坡穩定性對比

各工況邊坡最大位移對比情況見圖4。由圖4 可見，當錨索錨固角度從30°變化到36°時，邊坡的位移改變較小；當錨索錨角度從36°變化到42°時，坡底位移逐漸增大；而當角度由42°變化到45°時，位移突然增大至45mm。說明錨索錨固角度在45°附近時，邊坡的位移開始突然增大，錨固效果大大減小。錨固角度在30°至33°時，邊坡位移變化比較明顯。錨固角度在33°至36°時變化平緩，說明在這一錨固角度范圍內邊坡位移變化不大，對工程施工來說有很好的控制能力。

圖4 各工況邊坡最大位移對比

2.3 各工況錨索軸力對比

根據模型錨索受力分析各工況預應力錨索的軸力分布規律一致，錨索自由段軸力大小相同，進入錨固段之后軸力逐漸減小，且其分布規律與實際情況是吻合的，說明錨索相關參數設置是合理的，而錨固段末段軸力變化均有很大程度減小，說明錨索處于正常工作狀態。根據圖5 可見，各工況下預應力錨索自由端的最大軸力隨著錨固角度的增大而減小，說明角度越小所受的軸力越大，預應力錨索的自由端的所發揮的作用越大，對邊坡位移更好的作用，也能發揮錨索的最佳性能。其中錨固角度在30°至33°時，軸力的變化相對來說比較小，說明在這各范圍內，錨索的受力都是比較恰當的。而錨索最小軸力集中在錨固段，且各工況下錨索軸力變化不大，說明角度的變化對錨固段的影響不是很大，也側面說明錨固段的都處于正常錨固狀態。

圖5 各工況預應力錨索最大軸力對比

3 結論

通過數值模擬方法研究了預應力錨索在不同錨固角度下對邊坡穩定性的影響，得到如下結論：

3.1 錨索角度分析結果來看，總體上來說當錨固角度增大時，邊坡的水平向向位移變化并不明顯，但呈上升趨勢。錨固角度在30°至33°時，邊坡位移增加相對比較明顯。而當錨固角度為42°以上時，邊坡位移增加量最大。

3.2 錨索軸力分析結果來看，錨索自由端上的最大軸力隨著錨固角度增大而增大，其中錨固角度在30°至33°時，最大軸力的變化相對較小，說明在這各范圍內，錨索的受力都是比較恰當的。通過本文假定的工況計算結果來看角度在30°至33°時最為合適。