路基邊坡預應力錨索抗滑樁支擋結構受力特性和抗震效果有限元分析

吳育科

（中電建（麗水）規劃勘測設計研究院有限公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

路基邊坡治理是公路建設中的一大難點，選擇合理的路基邊坡支護方式可有效保障邊坡穩定[1-3]。預應力錨索抗滑樁作為一種錨索和樁的組合支擋結構，可通過二者合作共同受力來抵抗滑坡推力，從而實現一般抗滑樁的被動抗滑向主動抗滑的轉換。這種抗滑樁支擋結構在路基邊坡加固中應用較為廣泛[4,5]，用好與否關系到路基邊坡的穩定性和抗震性能。本文利用MIDAS/GTS巖土有限元軟件模擬分析不同強度折減系數下抗滑樁和錨索的受力特性，以及地震作用下預應力錨索抗滑樁支擋結構應用效果。

1 工程概況

某路基邊坡地處災害頻發地帶、巖體破碎，由于地質構造運動劇烈，邊坡存在明顯位移。邊坡總體呈扇形，主軸長約75m。頂端、下緣寬度分別為45m，150m。邊坡區呈現山前斜坡地貌。坡度和坡高分別約為20°、25m，滑坡后緣結構較為清晰。邊坡地層由下至上分別為：粉砂質頁巖層、風化泥質頁巖層、含碎石粉質黏土層，平均厚度均約為10~15m。邊坡巖土參數見表1。

表1 邊坡巖土參數

2 預應力錨索抗滑樁支擋結構方案

為避免研究區邊坡產生大面積失穩引發滑坡，采用預應力錨索抗滑樁支擋結構進行治理，應用C30混凝土完成預應力錨索抗滑樁澆筑，容重取值為25kN/m3；樁總長、受荷段、嵌固段長度分別為13m、7m、6m；錨索長度及彈性模量大小分別為11.5m、200MPa；錨索與水平地面間的夾角為10°，同時為錨索施加的預應力大小為100kN。預應力錨索抗滑樁支擋結構其他設計參數見表2所示，支護布置方案如圖1所示。

圖1 支護布置方案

表2 預應力錨索抗滑樁支擋結構設計參數

3 預應力錨索抗滑樁支擋結構力學計算模型

預應力錨索抗滑樁支擋結構中，錨索與樁分別作為主動與被動支擋結構。樁支護完成后，通過錨索固定于邊坡的穩定地層中，通過組合錨索與樁共同對抗邊坡的推力。具體的預應力錨索抗滑樁加固邊坡的力學示意圖如圖2所示。

圖2 預應力錨索抗滑樁加固邊坡的力學示意圖

當錨索與樁共同對抗邊坡的推力時，若邊坡不穩固產生的推力首先由錨索來抵抗，由樁承擔的邊坡推力便減小，此時錨索所抵抗的邊坡推力為F，錨索預先替樁承擔的邊坡推力便為F傳遞至樁位置處的水平推力Pdm。因此，樁實際抵抗的邊坡水平推力值Pd的計算方式為：未考慮錨索抵抗邊坡推力條件下設樁位置所承擔的邊坡推力設計值PT與錨索預先替樁承擔的邊坡推力Pdm之間的差值，即：Pd=PT -Pdm。詳細分析如下：

用N描述邊坡由上至下所劃分的條塊數量，穿過邊坡滑面的預力錨索m處于條塊i的位置，條塊j的位置為設樁位置。樁所抵抗的邊坡水平推力設計值Pd的計算公式

式中：λ、λk、K——分別為邊坡巖性折減系數及推力傳遞系數、工程設計安全系數；

Pm、Pj——分別為第m條錨索的設計拉力值、樁的位置承擔的邊坡推力，且Pj?cosαj=PT；

αj、βm——分別為樁所處滑面的傾角、第m條錨索的傾角；

αi、φi——分別為邊坡滑塊i位置處的傾角、內摩擦角。

通過加入錨索折減系數ηm理念，便于預應力錨索抗滑樁加固邊坡的力學計算，ηm用于描述預應力錨索抗滑樁共同進行加固邊坡時，錨索拉力傳遞至樁所在位置時，錨索實際抵抗邊坡水平作用力除以錨索拉力值Pm的結果，計算表達式如下：

錨索與樁的協調表達式為：

則公式（1）的簡化結果表達式為：

錨索預應力值和拉力值求解過程如下：依據邊坡推力設計值，設定錨索拉力值，并依據公式（4）計算樁所處位置所受邊坡推力設計值。遵循公式（3）完成通過錨索協調后的變形拉力值求解，錨索預應力值大小即為：錨索拉力值與通過錨索協調后變形拉力值的差值。

預應力錨索抗滑樁支擋結構力學計算模型，結合了錨索和樁的協調受力，一起抵抗邊坡推力，錨索既可以承擔部分邊坡滑力，還對樁施加了拉力，完成邊坡加固的同時限制樁身的變形。

4 數值模擬模型

采用在邊坡支護工程數值模擬中應用較為廣泛的MIDAS/GTS巖土有限元軟件進行本文邊坡防護中的預應力錨索抗滑樁支擋結構數值模擬，預應力錨索抗滑樁支擋結構三維模型如圖3所示。土體、抗滑樁及預應力錨索分別應用莫爾庫倫本構模型、3D彈性實體單元以及MIDAS/GTS中的植入式桁架單元完成模擬，邊坡坡面和護坡均使用殼單元進行模擬；邊界和四周分別采用固定及自由場邊界。

圖3 預應力錨索抗滑樁支擋結構三維模型

5 抗滑樁支擋結構邊坡防護技術及效果分析

5.1 抗滑樁受力特性分析

應用MIDAS/GTS巖土有限元軟件分析不同強度折減系數下（1.0、1.1、1.2）抗滑樁的內力變化，結果如圖4所示。

圖4 不同強度折減系數下抗滑樁的內力變化

分析圖4（a）可知不同強度折減系數下抗滑樁彎矩變化情況。抗滑樁反彎點出現在入土深度為18m處，反彎點上、下兩部分的彎矩值分別為負值和正值，代表這兩部分的抗滑樁分別承受拉力和壓力，最大拉力、壓力對應圖中最大負彎矩深度、最大正彎矩深度，分別為12m、24m。強度折減系數的增加不會改變彎矩的分布情況，但會增加彎矩值，同時負彎矩的增加幅度顯著低于正彎矩增加幅度。當強度折減系數為1.0 時，加固邊坡為工作狀態，此時最大正、負彎矩分別為8.5×103kN·m、-4.5×103kN·m；當強度折減系數增加到1.2時，加固邊坡已達到極限狀態，此時最大正、負彎矩分別達到22.5×103kN·m、-10.5×103kN·m。

分析圖4（b）可知不同強度折減系數下抗滑樁剪力變化情況，在抗滑樁入土深度分別為8m、20m兩處時，抗滑樁的剪力為0，8~20m深度之間時，抗滑樁樁體剪力為負數，8~20m 深度之外，抗滑樁樁體剪力為正數。最大正、負剪力深度分別為25m、15.5m，隨著強度折減系數的增加，剪力分布情況不變，但剪力值增加，當強度折減系數為1.0時，加固邊坡處于工作狀態，此時的最大正、負剪力值分別為3×103kN、-2.5×103kN；當強度折減系數增加至1.2時，加固邊坡處于極限狀態，此時的最大正、負剪力值分別為6.4×103kN、-6.5×103kN。

5.2 錨索受力分析

為分析預應力錨索抗滑樁支擋結構中各錨索的受力特性，統計不同折減系數下（1.0、1.1、1.2）圖2 中編號A-N的錨索的內力變化情況，結果如圖5所示。

圖5 不同折減系數下錨索的內力變化情況

分析圖5可知，整個邊坡中，受牽引式滑坡影響，位于邊坡下部的錨索最大軸力值高于邊坡上部的錨索最大軸力值。相同折減系數下，E號錨索的軸力值最小，原因在于其位于邊坡上部，此處坡體受推力較小，呈現較穩定態勢；E號錨索的軸力值最大，其位于抗滑樁前端，受邊坡推力較大。各個錨索的最大軸力值隨著折減系數的增加逐漸增大，當折減系數為1.2時，此時邊坡處于極限狀態，滑動面下部剪出，導致編號為N 的錨索因軸力值達到錨固端極限拉拔值而失效拔出。

5.3 預應力錨索抗滑樁支擋結構方案的應用效果

為分析預應力錨索抗滑樁支擋結構方案的應用效果，從邊坡中選取4個監測點，位置分別為：邊坡上端1、2層巖土界面間（監測點1）、邊坡中部2、3 層巖土界面間（監測點2）、邊坡前端2、3 層巖土界面間（監測點3）、監測點2 上方的邊坡表面處（監測點4），具體位置見圖2。將4個監測點的位移時程曲線收斂性作為邊坡失穩判斷條件，模擬PGA=0.10g時Wolong地震波進行水平方向的50s激振作用下，預應力錨索抗滑樁支擋結構應用前后4個監測點的位移時程曲線，衡量支擋結構應用前后的邊坡穩定性。結果如圖6所示。分析圖6可知，預應力錨索抗滑樁支擋結構應用前，隨著地震波的持續作用，4個監測點的位移呈持續增加態勢，其中監測點4地震作用下的位移最大，監測點2的位移最小，且地震波作用結束后，4個監測點的位移持續增加，說明邊坡在地震波的持續作用下已經失穩。預應力錨索抗滑樁支擋結構應用后，隨著地震波的持續作用，4個監測點的位移呈小幅度增加態勢。與支擋結構應用前相同，還是監測點4在地震作用下的位移最大，監測點2的位移最小，說明地震作用下邊坡表層的滑移最大，底層滑移相對較小，邊坡上部的滑移相對邊坡下部較大；在地震波作用結束后，4個監測點的位移不再繼續增加，呈穩定態勢，說明預應力錨索抗滑樁支擋結構應用后，邊坡穩定性較好。

圖6 抗滑樁支擋結構應用前后監測點的位移時程曲線

6 結束語

本文為提升路基邊坡穩定性、增強其抗震性能，利用MIDAS/GTS巖土有限元軟件模擬研究預應力錨索抗滑樁支擋結構在路基邊坡防護應用中的受力特性和抗震效果。結果顯示：強度折減系數的增加不會改變抗滑樁彎矩以及錨索剪力的分布情況，但會增加彎矩值以及剪力值，強度折減系數為1.0時，加固邊坡為工作狀態，強度折減系數為1.2時，加固邊坡已達到極限狀態；預應力錨索抗滑樁支擋結構的應用，可降低地震作用產生的位移，且地震波作用結束后，監測點位移不再繼續增加，呈穩定態勢，邊坡穩定性較好。研究認為，預應力錨索抗滑樁支擋結構具備顯著的路基邊坡安全防護效果。