雙排錨拉式抗滑樁受力及變形特征研究

敬靜 ，劉博，何輝 ，易菲霆，徐曉亮

(1.湖南省湘煤地質工程勘察有限公司， 湖南 長沙 410014； 2.湖南省地球物理地球化學調查所， 湖南 長沙 410014； 3.北京中巖大地科技股份有限公司， 北京 100000)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，土地的開發利用與地質災害治理需求不斷增大。目前，在邊坡與滑坡的整治中，對支擋結構的強度和剛度提出了更高要求。對于滑坡推力大、墻前臨空面高時，以往的單排抗滑樁提供不了足夠的抵抗力來滿足相關要 求，具有更大剛度的錨拉式雙排樁能夠更好地抗側移[1]。當前，錨拉式雙排樁在深基坑支護及大型滑坡的治理中得到了廣泛應用，取得了良好的社會、經濟效益。

錨拉式雙排樁的結構體系十分復雜，滑坡推力的分配涉及到前后排樁、錨索及樁土的相互作用效應[2-4]。現有的雙排樁結構方面的研究主要包括理論分析、數值模擬分析、模型試驗研究、工程監測研究等等[5]，其研究對象主要針對單一形式的雙排樁。針對錨拉式雙排樁，楊慧、李科等[6-7]詳細介紹了錨索框架梁在路基高邊坡滑坡治理中的應用及施工方法；范剛等[8]對不同開挖過程中樁-土相互作用機理、支護結構內力、變形和土壓力分布特征進行研究，討論排距、樁長和冠梁剛度等參數對基坑穩定性的影響；王星華等[9]在上下部計算模型的基礎上，提出預應力錨索+抗滑樁的內力計算方法；張永杰等[10]利用大型振動臺模型試驗，對雙排抗滑樁加預應力錨索加固邊坡時預應力錨索軸力的動態響應特征、預應力變化等進行詳盡分析。

本文在對湖南某邊坡加固工程的雙排錨拉式抗滑樁進行內力監測的基礎上，結合本項目特征，利用有限元軟件PLAXIS對錨拉式雙排樁進行了施工工況模擬，從坡體的位移變形、剪力及彎矩等方面進行了綜合分析，得到了不同施工工況下樁身內力的分布及變形情況。

1 工程概況和計算模型

1.1 工程概況

邊坡緊鄰新建居民樓，由于村民在坡體后側堆土，支護樁前市政管道施工時靠近樁邊開挖管溝，造成支護樁變形過大，引發滑坡。

現有邊坡采取的支護措施為樁板墻+錨桿，現有支護樁直徑為1 m，樁間距為2 m。其中，AB段 樁長11.9 m，樁身共設置2道錨桿，錨桿的縱向間距為4.5 m；BC段樁長9.9 m，樁身設置1道錨桿。AB段后部山體的坡面采用錨桿+格構梁的支護方式，BC段坡面采用噴射砼的支護方式。

現需根據現場實際情況，對已經出現滑坡變形破壞跡象的坡體進行加固處理，經方案對比，選用雙排樁+預應力錨索的支護方式。前排樁利用原有支護樁，后排樁AB段樁長為20.5 m，采用4排永久錨索進行加固；BC段樁長為21.0 m，選用3排永久錨索進行加固（第2道錨索可利用原有錨索，施工前進行拉拔試驗以確定該道錨索承載力，如果承載力滿足要求，保留使用；如果承載力不能滿足要求，重新施工）。錨索為拉力分散型錨索，采用二次高壓劈裂注漿工藝，桿體采用Φs15.2鋼絞線，入射角25°，長度為27.5～38.5 m。冠梁外側設置平臺，平臺以用選格構梁支護或自然放坡處理。支護高度依據地形而定，坡率為1:（0.7～1.5）。

1.2 計算參數的選擇

根據現場勘察情況，選取的巖土層物理力學指標及計算參數見表1。

表1 巖土層力學參數建議值

1.3 施工工況

施工抗滑樁：由于前排樁已經存在，因此僅施工后排樁和連系梁。

第一步開挖：卸掉樁前第一層反壓土，預留出第一排錨索的施工平臺；施工第一排錨索，并施加預應力。

第二步開挖：卸掉樁前第二層反壓土，預留出第二排錨索的施工平臺；施工第二排錨索，并施加預應力。

第三步開挖：卸掉樁前第三層反壓土，預留出第三排錨索的施工平臺；施工第三排錨索，并施加預應力。

第四步開挖：卸掉樁前第四層反壓土，開挖至設計地平線，至此，施工全部完成。

1.4 計算模型的建立

根據本工程的支護特點，錨索可以采用點對點錨桿和土工格柵的組合來模擬，其中選用土工格柵模擬注漿體，點對點錨桿用來模擬錨索的桿體。由于坡體發生滑移變形后，在樁前采用了土體反壓的應急治理方案，擬對開挖施工分4個階段進行，選用幾何直線劃分施工階段。

（1）基本假定。用等效截面抗彎剛度法將非連續布置的支護樁和連系梁折算為地下連續墻及連續的薄板；抗滑樁和連系梁均用板單元（BAN）模擬，兩側地下墻和土的相互作用用界面單元模擬。用總應力分析法計算，不計入地下水滲流的影響，不考慮巖土體的抗拉強度。抗滑樁與連系梁的連接點均為剛結點，可以傳遞力和彎矩。

（2）材料特性。土體包括3個不同的土層，給土和界面單元分別輸入不同的數據組，材料參數見表2。抗滑樁參數見表3。對于錨索的材料特性，要求兩個數據組，其中一個是點對點錨桿類型，另一個是土工格柵類型。錨索數據組包含錨索的特性（見表4），而土工格柵數據組包含注漿體的特性即軸向剛度，大小為2.0E6。

表2 土和界面特性

本文所確定的網格劃分寬度為60 m，高度為 36 m，網格疏密度為中等，在注漿體周圍易出現應力集中的地方，對網格進行局部加密，生成的網格數約為600個單元。邊界條件選用標準固定邊界，即在模型底部施加完全固定約束，在兩側豎直的邊界施加滑動約束。

表3 抗滑樁（板）特性

表4 錨索（點對點錨桿）的特性

根據以上信息，結合本工程的項目特征，建立圖1所示數值計算模型。

圖1 工程實例計算模型

2 計算結果及分析

2.1 樁身水平位移及分析

圖2為各開挖階段土體的水平位移云圖，圖3為樁身水平位移與樁身埋深曲線圖。由圖2可見，隨著樁前土體的開挖與錨索的施加，最大位移始終在出現在樁頂端。由圖3可知，最大位移發生在前排樁樁頂位置，約為20.54 mm。值得注意的是，后排樁的樁頂位移與前排樁基本一致。其原因是在剩 余下滑力的作用下，后排樁先受力，通過連梁的剛性連接，將后排樁的樁身變形傳遞致前排樁，很好地協調了排樁的整體變形，起到了整體加固效果。因此，在實際工程中，應對抗滑樁樁頂位移進行重點監測。

圖2 土體水平位移云圖

圖3 各開挖工況下樁身水平位移的變化

2.2 樁身彎矩結果及分析

圖4、圖5為不同開挖工況下的前、后排樁樁身彎矩分布圖。整體來看，由于連梁的存在，改變了剩余下滑力在巖土體中的傳遞途徑，使得前后排樁的樁身彎矩分布形式基本一致。當開挖至第四階段時，前排樁的樁身最大彎矩絕對值為500.336 kN·m，后排樁的樁身最大彎矩絕對值為728.722 kN·m，均出現在埋深約12.5 m的位置。由此可見，在本工程的錨拉式雙排樁的受力結構中，樁身的最大彎矩出現在后排樁嵌固段以下深度的1/2處。同時可知，前排樁較后排樁的彎矩分布更為均勻。因此，在實際的結構設計中，應重點對后排樁的嵌固段以下部分加大配筋，并重點監測后排樁的樁身應力變化情況。

圖4 各開挖階段前排樁樁身彎矩

圖5 各開挖階段后排樁樁身彎矩

對于前排樁而言，在錨點位置內力均發生突變，但錨點對后排樁的影響較小。這與實際情況吻合，因為錨點僅作用在前排樁上，無法將抗拔力傳遞至后排樁。錨點的位置雖無法影響后排樁的內力發生突變，但會通過樁間土對后排樁的內力分布產生影響。

3 現場試驗

3.1 監測工程布置

由于前排抗滑樁為已經施工完畢的已有抗滑樁，故無法布置深層監測設備。現場選取JG10和JG20作為試驗樁設置測斜孔，對后排抗滑樁的側向位移進行監測。

3.2 監測結果分析

圖6和圖7為監測到的不同開挖工況下的樁身位移與深度的關系曲線。圖7顯示：隨著樁前土體的開挖與錨索的施加，樁身變形呈“凸肚”形態，樁身的最大位移出現在第二排錨索與第三排錨索之間，至樁頂處側移被拉回呈現收斂狀態，但計算值中樁身上部凸肚后未出現收斂，這與數值模擬的結果不一致。而圖6的結果顯示最大位移始終出現在樁頂端，這與數值模擬的結果基本一致。

圖6 JG10測斜數據與樁埋深的關系曲線

圖7 JG20測斜數據與樁埋深的關系曲線

出現這一差異的主要原因是：BC段第二、三排錨索之間的縱向間距為4 m，間距較大致使樁身變身呈“凸肚型”。因此在實際的設計工作中，應重點關注該處樁身外側的受拉情況，并在該處加大配筋。而JG10由于上下排的錨點間距均控制在2.5～2.7 m之間，較好地控制了樁身變形，樁身最大側移始終出現于樁身頂端，這種分布形態與數值模擬的計算結果基本吻合。

經查詢最大實測位移為2.94 mm，對比數值模擬的計算結果（20.54 mm），有近10倍的差距。分析原因可能是單根較大截面的抗滑樁被等效為薄板，且同時忽略了樁間板的作用后，造成薄板的樁身位移較實測值大，這種等效方式弱化了錨索對樁身變形的控制作用，致使頂部位移不收斂。

4 結論

（1）對于錨拉式雙排樁，前后排樁的樁身變形形態基本一致，對于合理的錨索間距，樁身最大位移出現在樁頂位置。

（2）實測樁身變形數據顯示：當錨索間距設置過大時，樁身變形出現“凸肚”形態。

（3）在實際工程中，應同時加強抗滑樁樁頂位移與深部位移監測。

（4）針對本工程的錨拉式雙排樁，樁身最大彎矩出現在后排樁的嵌固段以下深度1/2處。在實際的結構設計中，應重點對后排樁的嵌固段以下部分加大配筋，并重點監測后排樁的樁身應力變化 情況。

（5）采用PLAXIS進行數值模擬時，通過將較大截面的抗滑樁等效為薄板的方式，將會造成樁身側向位移較實測值大，這種等效方式弱化了錨索對樁身變形的控制作用。

（6）通過對工程實例設置監測工作，可以采 用布置測斜管及錨索應力計、樁頂位移等監測數據定量評價雙排樁的加固效果，并進行信息化施工。通過建立吻合工程實例的數值模型，將其計算值與監測值進行對比，發現差異性。

（7）數值計算方法己廣泛應用于巖土工程中，但其計算的有效性及可靠性不好判斷，主要在于模型的建立及參數的取值比較困難。如何更高效地測得樁身內力，尋找更加合理的數值模型、土體本構關系、土體的物理力學指標將是下一步研究的重點[11]。