預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在公路邊坡加固中的應(yīng)用研究

劉玉蓮

(廣西交通技師學(xué)院，廣西 南寧 530001)

0 引言

在山區(qū)修建公路、鐵路等工程難免會受到不良地質(zhì)的影響，在這些區(qū)域進(jìn)行開挖施工形成的高陡邊坡往往穩(wěn)定性達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，這就需要采取一些可靠的措施進(jìn)行加固和防護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁聯(lián)合加固具有受力狀態(tài)合理、截面尺寸小、錨固深度淺、節(jié)約工程造價(jià)等多種優(yōu)勢，在現(xiàn)代公路工程中被廣泛使用[1-5]。但是目前關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，特別是影響預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固效果的主要因素及參數(shù)優(yōu)化方面還存在許多缺陷。為了指導(dǎo)工程實(shí)踐，本文設(shè)計(jì)開展了錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力四種參數(shù)影響下的加固效果研究，并對各影響因素的敏感性進(jìn)行了分析，可為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在公路邊坡治理工程中的合理設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 模型建立

1.1 數(shù)值模型

利用FLAC 3D軟件結(jié)合某實(shí)際工程建立邊坡數(shù)值模型。該邊坡數(shù)值模型包括基巖和滑體兩部分，基巖沿路線方向取20 m，垂直于路線方向取18 m，基巖左側(cè)高度為10 m；滑體沿路線方向取20 m，垂直于路線方向取15 m，滑體左側(cè)高度為15 m，右側(cè)高度為10 m，滑坡角為18°。邊坡的坡率大小為1∶1。抗滑樁截面尺寸為1 m×1 m，樁身長度為15 m，錨固段長度為5 m，沿滑體長度方向布設(shè)數(shù)根抗滑樁。錨索結(jié)構(gòu)單元的長度為14.5 m，錨固長度為3.5 m，自由段長度為11 m，在每根抗滑樁上布設(shè)一根預(yù)應(yīng)力錨索，錨索的傾角大小為15°。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡模型如圖1所示。

(a)邊坡模型 (b)抗滑樁模型 (c)預(yù)應(yīng)力錨索模型圖1 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡模型云圖

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

邊坡滑體與基巖之間的節(jié)理和斷層利用接觸面來表示，滑體和基巖材料均視為彈塑性材料，并采用摩爾-庫侖模型進(jìn)行模擬。基巖和滑體的模型參數(shù)情況如表1所示。由于抗滑樁的彈性模量和強(qiáng)度較邊坡滑體大得多，因此抗滑樁樁體采用線彈性模型，樁體的剪切模量設(shè)置為5 000 MPa，樁體的體積模量設(shè)置為5 000 MPa。基巖與滑體、抗滑樁與基巖、抗滑樁與滑體之間包括三種接觸面，每種接觸面的參數(shù)情況如表2所示。預(yù)應(yīng)力錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，錨索參數(shù)情況如下頁表3所示。

表1 基巖和滑體模型參數(shù)表

表2 不同接觸面參數(shù)表

表3 錨索參數(shù)表

1.3 模擬工況設(shè)置

影響預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固效果的因素較多，如錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力、錨索角度、錨索長度等，由于錨索角度和錨索長度是設(shè)計(jì)定值，因此，本文主要針對前面四個(gè)因素進(jìn)行不同工況下的模擬分析。錨索布設(shè)位置共設(shè)計(jì)7種工況，分別為距樁頂0、1 m(1/15l)、2 m(2/15l)、3 m(3/15l)、4 m(4/15l)、5 m(5/15l)、6 m(6/15l)處；樁間距(樁中心距)共設(shè)置2 m、4 m、6 m、8 m、10 m這5種工況；改變土體的內(nèi)摩擦角，將土體內(nèi)摩擦角分別設(shè)置為20°、25°、30°、35°、40°、45°這6種工況；改變土體粘聚力，將土體粘聚力分別設(shè)置為12 kPa、13 kPa、15 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa這7種工況。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 錨索布設(shè)位置的影響

模擬得到的不同錨索位置距樁頂距離下的樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖2所示。由圖2可知：隨著錨索位置距樁頂距離的不斷增大，樁身應(yīng)力和樁間土最大位移均呈先減小后增大的變化特征，且符合二次拋物線的變化規(guī)律。當(dāng)錨索位置距樁頂距離為3 m時(shí)，樁身應(yīng)力和樁間土最大位移均降至最小值，這表明錨索的最佳布設(shè)位置應(yīng)是距離樁頂1/5樁長時(shí)最佳，此時(shí)樁身變形最小，對樁后土體的位移抵抗作用力最強(qiáng)。

圖2 不同錨索布設(shè)位置對錨固效果的影響曲線圖

2.2 樁間距的影響

模擬得到的不同樁間距情況下樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖3所示。從圖3可以看出：隨著樁間距的增大，樁身應(yīng)力和樁間土最大位移均呈線性增大趨勢。這是因?yàn)闃堕g距越大，樁體變形及樁身承擔(dān)的彎矩荷載越大，樁體的安全性降低，樁間距過小時(shí)，工程造價(jià)又會太高，不利于工程投資。在本次研究當(dāng)中，當(dāng)樁間距達(dá)到10 m后，樁間土體從樁間擠出，無法形成土拱效應(yīng)，抗滑樁對滑坡土體的遮擋作用消失，因此，本工況下樁間距應(yīng)<10 m。

圖3 不同樁間距對錨固效果的影響曲線圖

2.3 土體內(nèi)摩擦角的影響

模擬得到的不同土體內(nèi)摩擦角樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖4所示。由圖4可知：隨著土體內(nèi)摩擦角的增加，樁身應(yīng)力和樁間土最大位移逐漸減小，且成線性降低，內(nèi)摩擦角越大，樁間土拱效應(yīng)增強(qiáng)，更容易形成穩(wěn)定的土拱效應(yīng)。但是當(dāng)內(nèi)摩擦角≤20°后，由于土拱效應(yīng)太弱，土體無法達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，抗滑樁對土體無法形成有效的攔截作用，導(dǎo)致樁間土從樁間擠出。因此，當(dāng)樁后土體的內(nèi)摩擦角<20°時(shí)，應(yīng)采取換填或者減小樁間距的措施進(jìn)行控制。實(shí)際工程中選取的樁后填土材料應(yīng)結(jié)合土體的力學(xué)性質(zhì)和樁間距綜合考慮。

圖4 不同土體內(nèi)摩擦角對錨固效果的影響曲線圖

2.4 土體粘聚力的影響

模擬得到的不同土體粘聚力情況下樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖5所示。由圖5可以看出：隨著樁間土粘聚力的增大，樁身最大應(yīng)力逐漸減小，且呈三次多項(xiàng)式形式減小。當(dāng)粘聚力為12 kPa時(shí)，樁間土體達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)，不能形成土拱效應(yīng)，因此，抗滑樁后填土材料的粘聚力需≥13 kPa；樁間土最大位移隨著粘聚力的增大也呈逐漸減小的變化趨勢，且符合冪函數(shù)形式變化。從圖5可以看到：當(dāng)粘聚力為13～20 kPa時(shí)，樁間土的最大位移快速降低；當(dāng)粘聚力>20 kPa后，樁間土最大位移的降低速度逐漸減緩。

圖5 不同土體粘聚力對錨固效果的影響曲線圖

3 影響因素顯著性分析

從前文分析結(jié)果可知：錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力這四項(xiàng)因素對預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的加固效果均產(chǎn)生比較明顯的影響，但是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)確定優(yōu)先考慮的因素，因此，根據(jù)模擬結(jié)果，運(yùn)用4因素4水平的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。正交試驗(yàn)參數(shù)情況如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)表

對16種工況下樁間土的最大位移進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看到：工況6、工況11和工況16樁間土的最大位移最小，且均<0.05 m;樁間土最大位移介于0.05～0.1 m的工況包括工況1、工況5、工況12和工況15；樁間土最大位移介于0.1～0.15 m的工況包括工況2、工況3、工況8和工況14；樁間土最大位移介于0.15～0.2 m的工況包括工況4和工況9；樁間土最大位移>0.2 m的工況包括工況7、工況10和工況13。

對16種工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到四種影響因素的極差值R，如圖7所示。由圖7可以看到：在四種因素中，樁間距的極差值R最大，其次為土體內(nèi)摩擦角，再次為錨索布設(shè)位置，最小的為土體粘聚力，即在預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)先考慮順序依次為：樁間距>土體內(nèi)摩擦角>錨索布設(shè)位置>土體粘聚力。

圖7 極差值分析結(jié)果柱狀圖

4 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬方式，對預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固公路邊坡的效果進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力四種影響參數(shù)對樁身受力和樁體變形進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明：

(1)隨著錨索位置距樁頂距離的增大，樁身應(yīng)力和樁土最大位移呈先增大后減小的變化特征。當(dāng)錨索位置為距離樁頂1/5樁長時(shí)，加固效果最好；隨著樁間距的增大，樁身應(yīng)力和樁土最大位移呈線性增大；土體內(nèi)摩擦角和粘聚力越大，樁身應(yīng)力和樁土最大位移越小。

(2)當(dāng)樁后填土材料的內(nèi)摩擦角<20°或者粘聚力<13 kPa時(shí)，應(yīng)采取換填或者減小樁間距的措施進(jìn)行變形控制。

(3)根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析，得出在預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁設(shè)計(jì)過程中，不同參數(shù)的考慮順序?yàn)椋簶堕g距>土體內(nèi)摩擦角>錨索布設(shè)位置>土體粘聚力。