預應力錨索抗滑樁優化設計分析

元 瑛

(長治市通明公路勘察設計有限公司 長治市 046011)

0 引言

高速公路在運營使用一段時間后，由于受到降雨、氣候等因素的影響，邊坡防護結構會產生不同程度的損壞，甚至出現滑塌等安全事故[1]。調查發現陽左高速公路某路段高邊坡防護結構出現了嚴重破損，邊坡土體也出現了開裂和沉降，直接影響邊坡穩定性。為了合理確定邊坡防護參數，采用ABAQUS軟件建立計算模型，通過計算分析合理確定樁長、樁間距、截面尺寸，作為優化預應力錨索抗滑樁設計方案的主要依據。

1 工程概況

1.1 工程簡介

陽左高速公路采用雙向四車道建設，路線設計全長91.25km，路基設計寬度24.5m，設計車速80km/h。高速公路沿線分布有多處高邊坡，主要以巖土混合邊坡和土質邊坡為主。其中K53+400左100m至K53+480左60m段、K58+270～K58+360段兩段高邊坡為巖土混合邊坡，邊坡土質構成主要為石灰巖、粉質粘土。高邊坡內部裂隙發育，穩定性差，局部存在軟弱結構面，存在發生滑坡等地質災害的風險。通過分析對比，產生滑坡風險較大，會嚴重影響道路施工和運營安全。建設階段防護方式采用漿砌片石護面墻、擋土墻進行防護，運營使用一段時間后邊坡出現破損，亟需進行維修加固。

1.2 邊坡病害調查

自2014年通車以來，該區域邊坡防護出現了嚴重變形和破損，主要調查結果如下：該區域邊坡有四級邊坡，邊坡平臺寬度為2m，一級邊坡坡率為1∶1.75，二、三、四級邊坡坡率為1∶1.5。調查發現一級邊坡擋土墻墻頂已出現破損，上部坡面滲水嚴重，二、三、四級邊坡防護破損嚴重，且在坡體后緣25m范圍內發現兩條長大貫通裂縫，裂縫寬度為10～30cm，并出現了不同程度的下沉，下沉量達到20mm以上。另外，在坡口外50m處，在雨水沖刷作用下形成的沖溝雨水下滲嚴重，局部出現了開裂，但開裂情況不嚴重。為了提高邊坡的穩定性，對邊坡防護結構進行優化設計，擬采用預應力錨索抗滑樁進行加固防護。

2 邊坡預應力錨索抗滑樁優化設計方案

結合該路段邊坡病害調查結果，在二級平臺采用預應力錨索抗滑樁進行防護，抗滑樁混凝土標號為C25混凝土。三級邊坡采用預應力錨索框架梁防護，錨固段深入滑動區域。通過在工程地質調查和鉆孔揭露，得出邊坡土體自外向內依次為：濕陷性黃土、全風化砂巖、滑裂帶、微風化砂巖。邊坡土體破碎，穩定性差，存在滑塌風險。對邊坡坡體表面做削坡處理，削坡后中間平臺寬度為2.5m。錨索與抗滑樁設計參數如表1所示，抗滑樁布置剖面如圖1所示。

圖1 邊坡防護結構布置剖面圖

表1 錨索與抗滑樁設計參數

3 抗滑樁設計參數優化

3.1 三維模型建立

本項目三維模型建立采用ABAQUS軟件，將DXF格式文件導入后進行分層處理建立邊坡模型。邊坡三維模型建立采用摩爾-庫倫模型，網格劃分采用C3D6線性六面體網格，并對二級平臺和三級邊坡進行了加密。采用遞增式間距設置網格間距，對靠近邊坡的網格進行了細化，遠離坡面的網格更加稀疏。

在建立模型時加載初始地應力，對重力加速度g進行了初始計算，以實現采用強度折減法進行安全系數計算。為了防止模型計算過程中產生錯誤變形，對模式設置約束，分別為模型兩側的x方向、前后y方向、模型底部x，y，z三個方向的位移約束限制。

3.2 樁長優化分析

抗滑樁樁長與截面尺寸、持力層強度等因素有關，確定樁長時還需要考慮邊坡和抗滑樁位移[2]。為了合理確定抗滑樁樁長，采用ABAQUS軟件建立計算模型，分別選取樁長為7m、8m、9m，10m、11m進行計算，得出不同樁長邊坡安全系數和抗滑樁位移如表2所示，不同樁長邊坡和抗滑樁最大位移如圖2所示。

表2 不同樁長邊坡和抗滑樁最大位移

圖2 不同樁長邊坡和抗滑樁最大位移

分析表2數據，隨著樁長的增加，邊坡和抗滑樁最大位移不斷下降，安全系數不斷增大。分析圖2曲線變化趨勢，當樁長達到9m以后，邊坡和抗滑樁最大水平與豎直位移不斷縮小，曲線變化逐漸趨于平緩。樁長達到10m以后，最大位移變化幅度不斷變小，說明繼續增加樁長對控制邊坡和抗滑樁位移作用已不明顯。綜合分析，確定抗滑樁樁長為10m。

3.3 樁間距優化分析

樁間距是抗滑樁性能正常發揮的重要影響因素，樁間距過小，抗滑樁支護性能不能充分發揮，產生不必要的浪費；樁間距過大，樁間土體會產生土拱效應，會導致邊坡土體變形失穩[3]。在抗滑樁設計過程中，樁間距通常采用經驗法和土拱效應法兩種方法進行合計，經驗法主要通過工程類比確定最佳樁間距，精確度較差，而土拱效應法是根據靜力平衡計算確定最佳樁間距，精確度較高。

分別取樁間距為2m、3m、4m、5m、6m，采用ABAQUS軟件建立模型進行計算，得出不同樁長邊坡和抗滑樁最大位移、安全系數如表3和圖3所示。

表3 不同樁長邊坡和抗滑樁最大位移

圖3 不同樁間距邊坡和抗滑樁最大位移

分析表3數據和圖3曲線變化趨勢，隨著樁間距的增加，邊坡和抗滑樁水平最大位移不斷增加，豎直最大位移也不但增加。樁間距達到6m，邊坡水平最大位移和抗滑樁水平最大位移分別增加了10.19mm和7.24m，垂直最大位移分別增加了4.32mm和1.89mm。相比之下增加幅度明顯，說明間距超過5m后抗滑樁支護效果會大幅下降。同樣，隨著樁間距的增加，安全系數不斷減小，當樁間距超過4m后安全系數變化幅度較大。綜合考慮各方面的因素，確定樁間距為4m。

3.4 樁截面尺寸優化分析

本項目抗滑樁采用矩形截面，設計中在充分考慮樁體強度的前提下，還要考慮樁體與土體之間的摩擦力。抗滑樁截面尺寸還與樁間土的土拱效應有關，主要依靠樁體與樁間土之間的摩擦力保證土拱穩定[4-5]。在對樁間距、樁長計算的基礎上，分別選取5種截面尺寸，采用ABAQUS軟件建立模型，對不同樁長邊坡和抗滑樁最大位移、安全系數如表4和圖4所示。

表4 不同截面尺寸邊坡和抗滑樁最大位移

圖4 不同截面尺寸邊坡和抗滑樁最大位移

分析表4數據變化情況和圖4曲線變化趨勢，樁截面尺寸越小，邊坡和抗滑樁水平位移越大，截面尺寸達到1.2m×1.8m以后，隨著截面尺寸的增加，水平位移變化幅度明顯縮小，豎直位移變化趨勢與水平位移相同。另外，隨著抗滑樁截面尺寸的增加，安全系數不斷增加，且當截面尺寸達到1.5m×2.25m以后增長幅度較大。綜合分析上述計算結果，結合經濟性等各方面因素確定截面尺寸為1.2m×1.8m，且安全系數已經超過了1.46。

結合上述分析結果，對原預應力錨索抗滑樁設計方案進行優化，確定抗滑樁最佳樁長為10m，樁間距為4m，樁截面尺寸為1.2m×1.8m，樁體采用C25混凝土。

4 結論

結合陽左高速公路邊坡預應力錨索抗滑樁施工案例，利用ABAQUS軟件建立模型進行計算，對設計方案進行優化，合理確定樁長、樁間距、樁截面尺寸。分析得出以下結論：

(1)隨著樁長的增加，邊坡和抗滑樁水平和豎直最大位移不斷下降，安全系數不斷增大，樁長達到10m后位移變化幅度較小，可確定最佳樁長為10m。

(2)隨著樁間距的增加，邊坡和抗滑樁水平和豎直最大位移不斷增加，安全系數不斷下降，樁間距達到4m以上位移增加幅度增加，安全系數下降到1.46以下，因此確定最佳樁間距為4m。

(3)隨著樁截面尺寸的增加，邊坡和抗滑樁水平和豎直位移不斷下降，截面尺寸達到1.2m×1.8m以后，位移變化幅度明顯下降，因此確定最佳截面尺寸為1.2m×1.8m。