預應力錨索在邊坡搶險加固工程中的效果分析

李遠娟，李恒之，楊樹平，金 晨，蔡源銘

(江西省地質局第五地質大隊，江西 新余 338000)

中國近年來地質災害主要以滑坡及崩塌為主，其中滑坡災害占比達到74.5%[1]。在邊坡開挖坡腳后，擾動巖土體內部應力的分布，巖土體易生成張拉裂縫，在降雨入滲作用下，使得巖土體產生失穩，給人民生命財產安全帶來巨大損失。

在邊坡穩定性分析中，極限平衡法在分析整體穩定性時，通常會受到設計人員選取滑動面及巖土參數參數的限制[2]；基于強度折減法的有限元數值模擬法，不需要滑面位置及形狀的假定條件，能客觀評價坡體受力變形及失穩狀態的變化情況[3-4]。

預應力錨索支護技術作為邊坡一種主動加固手段，在巖土工程中得到了廣泛應用[5]，在被加固隱患體部位鉆孔、下錨索并注漿產生壓應力及錨索摩擦力，使滑體產生的下滑力轉移到穩定的滑床中，有效地改善了邊坡的穩定性，從而達到了加固的作用[6]。因為預應力錨索價格便宜且施工方便，能夠產生較明顯的經濟效益，所以預應力錨索被廣泛的應用于治理工程施工中[7-8]。

本文選用ABAQUS大型有限元軟件，選取典型剖面對某邊坡進行數值模擬與研究[9-10]，通過對該邊坡無樁無錨索、有樁無錨索及有樁有錨索不同工況進行數值模擬，結合現場實際情況，得出該邊坡的支護方案，最終利用錨索拉拔試驗結果同數值模擬結果對比分析，本文研究成果可為邊坡加固設計提供參考依據。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某滑坡由于村民坡腳切坡建房而成，在未經工程治理的情況下，滑坡已發生多次滑移。現滑坡隱患體寬約300m，坡高8～50m。現滑坡中部已出現裂縫，開裂處高度約14m，寬約28m，主滑坡坡寬約80m，高約25m，滑坡傾向西北，坡度40°。根據現場勘察發現：滑坡后緣發現多條張拉裂縫，寬約0.2～0.5m，深度約1～4m，該滑坡為土質滑坡，滑坡體表層為殘坡積粉質黏土，為可塑狀，厚度1.0～3.0m，其下部為全風化砂巖、粉砂巖。

1.2 原治理工程設計

根據該滑坡地質災害特征和危害的嚴重性，綜合考慮結構安全、治理成本、技術可行性、施工便利性、生態環境保護等多方面因素，滑坡治理設計采用“削坡減載+抗滑樁+擋土墻+噴播綠化+截排水溝”的綜合治理方式，如圖1所示，抗滑樁截面尺寸為1.0m×1.5m，樁中心距3.0m，滑床以下錨固深度7～9m。

圖1 滑坡治理設計圖

1.3 治理后現狀

按照設計方案對該邊坡進行治理，由于雨季降雨入滲作用，邊坡出現垮塌，一級坡段下滑嚴重，所溢泥漿已漫過擋土墻前沿頂部，由于土體下滑冠梁中部處出現裸露現象；經監測，抗滑樁樁頂最大位移為6.9cm，超過規范[7]要求設計值6cm，目前抗滑樁仍有繼續傾斜的可能。

2 預應力錨索的加固分析

預應力錨索在邊坡加固中具有顯著的優勢，可以最大限度的利用到巖土體的強度和潛力，加固巖體，可以改善擋土排樁受力，可以改變構件內力分布。

能夠最大程度的利用介質的內在強度和潛力，且能加強介質的自承和自穩能力是預應力錨索在施工現場廣泛應用的前提。邊坡經過預應力錨索加固后可以改變應力狀態，而且可以提升的整體穩定性和抗剪強度[8-9]。

邊坡體滑面上的應力以及穩定性隨著錨固力的作用而提升，如圖2所示。

圖2 預應力錨索受力分析圖

Pl為預應力錨索的錨固力增加的抗滑阻力增量，由計算得出[4]：

Pl=Pwtanφ+Pm=Pd[sin(α+β)+cos(α+β)]

(1)

τ=σ+σtgφ

(2)

從上述可知，所加固邊坡的穩定性可以通過滑動面所產生的抗滑阻力Pw以及正應力Pm來提高潛在滑動面的摩阻力來得以實現。預應力錨索主要力學作用是阻止巖土體的剪切破壞，增加了巖土體的整體強度和滑動面的抗摩阻力，增加邊坡穩定性。

3 加固方案的確定及計算模型的建立

3.1 加固方案的確定

經過參考相關規范要求及工程經驗，最終確定支護設計參數如下：加固錨索采用3束A15.2預應力鋼絞線，其設計承載力為3960MPa，錨孔設計直徑為130mm，傾角15°，采用一樁一錨進行加固設計。

3.2 計算模型的建立

選用ABAQUS大型有限元軟件，選取代表性斷面對該邊坡進行建模分析，本構采用經典Mohr-Coulomb破壞準則和關聯和流動法則。有限元網格劃分如圖3所示。邊坡單元采用四節點平面應變單元(CPE4)。材料參數見表1。

表1 模型材料參數

圖3 模型計算網格

4 計算結果分析

4.1 支護前數值模擬分析(無支護情況下)

在對邊坡進行削坡后，不進行支護，通過軟件計算得出的位移等值線云圖如圖4所示。通過強度折減算法驗算得出的自然狀態下的塑性應變區域如圖5所示，即潛在滑移面。該邊坡在無支護情況下坡體最大水平位移可達51.26cm，其安全系數為1.02，不滿足《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)的安全系數1.3的要求。

圖4 無支護情況下坡體水平變形矢量圖

圖5 坡體塑性應變圖

4.2 支護后數值模擬分析(有樁無錨索)

當原邊坡處于自然狀態下的時候，其安全系數不高，當對邊坡進行相應的支護工程，邊坡的安全系數可以得到有效的提升，由此滿足坡體穩定性要求。在坡腳設計5m擋土墻，在一級平臺處設計抗滑樁，抗滑樁截面尺寸為1.0m×1.5m，樁中心距3.0m，滑床以下錨固深度7～9m。

邊坡的c、φ值會跟著場變量的改變而改變，相應模型會在位移量突變時而破壞。從圖6可以看出，邊坡的滑移面已經貫通。通過分析坡腳處水平位移隨場變量的變化，以位移的拐點作為選擇安全系數的依據，其安全系數為1.32，計算結果顯示抗滑樁在水平位移可達27.08cm，如圖7所示。

圖6 坡體塑性應變圖

圖7 樁體水平變形矢量圖

4.3 加固后數值模擬分析(有樁有錨索)

治理后的抗滑樁變形過大，在既有邊坡治理的基礎上對邊坡實施加固，以提高邊坡穩定性要求[10]。每樁設3束A15.2預應力鋼絞線。框架梁采用B21梁單元，預應力錨索采用T2D2桁架單元；框架梁與坡體、框架梁與錨桿和預應力錨索之間采用Tie約束；預應力錨索和錨桿與坡體之間均采用Emb約束，加固后坡體的潛在滑動面如圖8所示。

圖8 坡體塑性應變圖

抗滑樁及錨索應力及水平變形云圖如圖9所示。

圖9 抗滑樁+錨索水平位移云圖

由圖9可見，經過錨索進行加固后，坡體的塑性區域和滑動面都有了一定的增加；計算結果顯示，錨索最大軸力436.9kN，此時抗滑樁在水平位移為12.97cm，加固后的坡體的安全系數達到1.42，較大地增加了坡體的穩定性。

4.4 加固后檢測及結果分析

為客觀準確反映錨索抗拔力，對錨索進行拉拔試驗，試驗采用循環加載法，測試工具選用為LDZ-200型錨桿錨索拉拔計，測試錨桿隨機抽樣3根錨桿，具體試驗過程中的卸荷、加載、讀數等都是按照《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)中的附錄B中的B.2試驗的相關規范要求來操作，試驗結果見表2。

表2 荷載集度試驗結果

由檢測結果可知，在120%荷載集度下，錨桿錨固力相對穩定，在100%荷載集度下，錨索能達到設計要求，且和數值模擬結果436.9kN相近。

5 結語

針對變形的邊坡抗滑樁，采用預應力錨索技術進行結構加固，通過理論分析、數值模擬、現場試驗等手段，分析邊坡抗滑樁預應力錨索加固的效果，主要結論如下。

(1)預應力錨索對控制既有抗滑樁變形和提高安全性具有獨特優勢，并且可實現快速施工，減少邊坡下滑引起的進一步變形。

(2)邊坡經過預應力錨索加固后，邊坡的最大變形量大幅度減小、最大豎向位移有了一定的減小、最大塑性等效應變和最大等效應力也有了一定的減小，邊坡的塑性區域降低到很小的范圍。而且，經過相關計算后，穩定安全系數為w=1.42，達到了預期邊坡加固的理想效果。