錨樁支護體系中錨桿預應力對支護效果的影響研究

柯宅邦，陳小川，張駿，樂騰勝

（安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

1 引言

近年來，樁錨支護結構憑借其支護效果好、成本低等優勢被廣泛應用于深基坑以及高邊坡等，對坡體變形有嚴格要求的支擋工程中[1～2]。對于樁錨支護結構，其支護效果與結構的各項參數密切相關，如排樁的直徑、排樁間距、錨桿的預應力、錨桿的傾角、錨桿的長度等。目前國內外學者主要通過數值模擬的手段對其支護效果開展深入研究。

在排樁間距的直徑和間距方面，王健等[3]利用正交試驗設計的方法對樁錨支護結構進行參數優化，結果表明，排樁的水平位移受其直徑大小影響最為顯著，受排樁的間距影響較小。在錨桿傾角方面，劉子巍等[4]利用MATLAB軟件對樁錨支護的設計參數進行優化，結果表明，錨桿傾角對錨桿的造價影響很大，對其進行優化后，可以大幅減小工程造價。陳東印[5]、余曼等[6]也做過關于錨桿傾角方面的研究工作。在錨桿預應力方面，傅國慶等運用FLAC 3D軟件分析了錨桿預應力對支護效果的影響，結論表明，錨桿預應力在200kN～500kN時支護效果最佳。

本文結合皖南地區某紅砂巖滑坡，主要討論錨桿在不同預應力條件下對邊坡的支護效果，通過分析滑坡的位移和安全系數，研究錨桿預應力對邊坡支護效果的影響，以期能被實際工程所借鑒。

2 工程概況

某紅砂巖邊坡位于皖南地區高速公路旁，坡體從上到下共分為3層，依次為砂石土、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖，其中砂石土層厚度為5m，強風化層厚度為15m，中風化層厚度為30 m～70m，坡高35m，屬于高邊坡，坡腳35°。泥質紅砂巖遇水極易軟化崩解，嚴重影響邊坡安全。結合現場初步評審意見，擬采用錨樁支護結構對該邊坡進行支護。

3 模型的建立

3.1 模型的基本假定

①假定該支護結構變形滿足平面問題的基本規定；

②假定錨桿為完全彈性體；

③假定巖石和土層為彈塑性材料，屈服條件滿足摩爾庫倫準則。

3.2 模型計算斷面選取

根據現場實際情況，選取典型計算剖面。該剖面自上而下依次為砂石土、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖。采用錨樁體系進行支護，預應力錨桿進入基巖，錨入基巖深度2m，錨桿間距為2m，傾角設置為30°，錨桿布置后坡體表面進行噴射混凝土錨固。坡底設置抗滑樁，樁距4.0m，采用圓形樁，直徑為2.0m，抗滑樁通過預應力錨桿錨固在基巖上。

3.3 數值模型的建立

采用邁達斯巖土軟件建立模型，如圖1所示。根據實際情況對邊坡進行適當簡化，從上到下巖性依次為砂石土、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖。其中：砂石土層厚度平均為5m，強風化平均厚度為15m，中風化層較厚，設置為30 m～70m，邊坡寬度為20m，坡高約35m，屬于高邊坡，坡度為35°。左側水頭設置為30m，右側水頭設置為20m。依據模型的大小合理劃分網格，計算模型共有單元數71365，網格節點39657。

圖1 數值模型

3.4 材料參數的選取

根據現場勘查資料和實際資料，查閱相關規范，確定巖土體的特征參數和混凝土及錨桿參數見表1、表2所示。

3.5 計算工況

擬計算滑坡在特大暴雨情況下的安全系數，即24h降雨量達到300mm。

4 錨桿預應力值的影響

在樁錨支護結構中，錨桿預應力不僅給樁體提供支撐以限制樁體變形，同時也會影響樁后土體的變形特征。通過限制錨桿的其他變量，而僅改變預應力值來探討錨桿預應力對樁后最大總位移和安全系數。錨桿的傾角均取30°，取錨桿預應力值為 0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN的情況，分別建模并進行數值計算，對比分析在不同預應力值條件下樁后土體的最大總位移和安全系數。

4.1 錨桿預應力值對坡體最大總位移的影響

分別計算錨桿在不同預應力值的條件下經歷特大暴雨后的邊坡最大總位移。由圖2可知，利用錨樁結構體系對邊坡進行加固后，邊坡的最大位移出現在樁后土體處，當錨桿的預應力值為0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN時，邊坡的最大總位移分別為4.44m、1.77m、2.95m、3.22m和3.52m。由此可見，錨桿預應力值從0kN增大到300kN的過程中，對坡體的最大位移約束明顯增強，超過300kN后，約束作用逐漸減弱。在樁錨結構體系中，在一定范圍內增加錨桿預應力能顯著控制坡體的最大位移，但從經濟角度來說，不宜過大，因為當預應力超過一定數值后，不能起到好的效果，反而會增加工程造價。

邊坡巖土體基本材料計算參數 表1

樁錨結構材料計算參數 表2

4.2 錨桿預應力值對坡體安全系數的影響

計算得出當錨桿的預應力值為0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN時，邊坡的安全系數分別為1.72、2.43、2.29、2.24和2.16。可見坡體的安全系數在錨桿預應力達到300kN時達到最大值，即從安全性角度出發，錨桿預應力值300kN時邊坡最為安全。

5 結論

本文基于皖南地區某紅砂巖滑坡樁錨支護工程實例，運用邁達斯有限元軟件計算降雨條件下的滑坡安全系數。通過改變錨桿的預應力值，分別計算錨桿在不同預應力條件下的最大總位移和安全系數，得出主要結論如下：

圖2 位移云圖（錨桿預應力300kN）

①樁錨支護體系中錨桿預應力的大小會對邊坡的穩定性產生明顯影響。在一定范圍內增加預應力，可以較好地控制滑坡的變形及穩定性。但預應力值超過某一界限值時，滑坡的穩定性反而會下降。故根據實際工程在樁錨結構中設置適宜數值的預應力顯得格外重要，一味地增加錨桿預應力不僅不經濟，也不能起到良好的支護效果；

②本文以紅砂巖路塹邊坡樁錨支護工程實例為背景，綜合考慮邊坡變形及穩定性等因素，建議錨桿預應力最佳值為300kN，對于類似工程有一定參考價值。