抗拔樁與錨索組合支護在風化砂巖邊坡中的應用

摘 要：文章根據某高速公路路基邊坡的地形地質和設計形式，選擇抗拔樁與錨索組合支護結構作為邊坡的防護體系，使用巖土有限元分析軟件Midas GTS對邊坡和組合支護結構進行數值仿真模擬，對邊坡穩定性及結構的自身應力、變形進行驗算分析。結果表明，錨索可以為抗拔樁承擔邊坡的推力，降低抗拔樁自由段的內力，錨索和抗拔樁整體位移小，抗拔樁+錨索的支護結構進一步減小了邊坡位移，使邊坡穩定安全系數提高到3.11，支護效果顯著。

關鍵詞：抗拔樁；錨索；仿真模擬；邊坡穩定性；變形

中圖分類號：U416.1+4

0"引言

抗拔樁是高速公路邊坡開挖后常采取的防護方法，施工過程中可以與錨索相結合組成防護體系，這種施工方法通過預應力筋對抗拔樁樁身施加預壓力，抵消部分上拔的拉應力，使樁身主要處于受壓的狀態下，減小樁身裂縫的產生，提高樁身的抗拉能力［1］。

近年來，更多的學者對抗拔樁錨索組合支護體系進行了更深入的研究分析，通過使用不同分析方法指導現場施工。孫洪福［2］采用ABAQUS 3D軟件，重點對邊坡在錨索不同預拉力、抗滑樁不同間距下的加固效果進行分析。李曉翠等［3］采用有限差分法，分析了多種工況下的滑坡體位移和應力數值變化趨勢，根據結果對相關參數進行二次優化。現有成果較少針對風化砂巖地質的邊坡穩定性進行研究，且很少使用數值模擬軟件對抗拔樁與錨索組合支護效果進一步進行分析。基于此，本文將“抗拔樁+錨索”組合體系應用于風化砂巖這類穩定性差的邊坡防護，將無粘結預應力技術應用在抗拔樁上，減小普通鋼筋的用量且提高樁身抗拔能力，同時通過有限元軟件建立抗拔樁+錨索組合支護的邊坡模型，利用數值模擬進行分析，研究抗拔樁和錨索支護的應用效果，以提高邊坡穩定性。

1"工程概況

本文以樂業至望謨高速公路某路基邊坡為案例進行分析。該邊坡地質依次往下為粉質黏土、強風化砂巖及中風化砂巖，其中以粉質黏土的厚度最小，約為3.2 m，強風化砂巖平均厚度為13.5 m，邊坡坡度為30°～35°。路基為山體的半填半挖段，擬建路面寬度為11.75 m，邊坡坡度均為1∶1，坡面防護采用錨固掛網噴混凝土。其中，第一級邊坡防護形式為錨桿支護；在路基靠近山體一側設置“抗拔樁+錨索”防護組合體系，通過抗拔樁錨固進入土體一定深度，外露段起到阻擋上部土體，在抗拔樁頂部設置兩組錨索，錨固段錨入土體一定范圍（見圖1）。

2"邊坡設計參數

2.1"坡面防護

路基邊坡坡面采用10 cm厚的錨固掛網噴混凝土防護，采用 8 mm鋼筋網片，間距設置為25 cm，縱橫向每間隔3 m設置雙排20號帶肋加強鋼筋。鋼筋交界中心處設置錨桿，錨桿體由主筋、鋼墊板、錨具和對中支架等組成，設計長度為12 m，空隙處灌注M30水泥砂漿并最后進行封錨（見圖2）。

2.2"“抗拔樁+錨索”組合體系

2.2.1"抗拔樁

抗拔樁設計總長為28 m，其中地面自由段長度為12 m，錨固段長度為16 m。樁體采用圓形斷面，樁身直徑為2.2 m，相鄰抗拔樁間設置最大間距為6 m。樁身采用C30混凝土，受力鋼筋保護層厚度≥7 cm，抗拔樁頂部設置高為1 m的冠梁，樁間設現澆鋼筋混凝土擋土板，擋土板強度不低于C30，板內預留泄水孔（見圖3）。

2.2.2"錨索

抗拔樁樁身設置無粘結預應力錨索輔助受力，第一道錨索距冠梁頂部0.45 m，布設于冠梁之中；第二道垂向向下間隔3 m設置一道，樁體相應位置預埋鋼管（見圖4）。

錨索設計長度為30 m，單索抗拔力設計值為400 kN，主要由錨具、架線環、鋼質承載體、無粘結預應力鋼絞線和波紋管等組成。其中，抗拔樁的錨固段為2根+4根的無粘結預應力鋼絞線保持一定的強度連接錨固在鋼質承載體上，長度＞10 m。

2.3"巖體與支護結構參數

根據設計地勘和設計文件，邊坡巖土體與相關支護結構物理力學參數按表1取值。

3"結構計算與分析

3.1"建立有限元模型

3.1.1"建立模型

采用Midas GTS軟件建立邊坡有限元分析模型（見圖5），模型左側高度為54 m，底部長度為105.5 m，右側高度為17.5 m。

3.1.2"計算參數

為兼顧計算精確與分析簡便，模型按2 m劃分單元網格，各類材料單元類型取值如表2所示。所承受荷載為自身重量，邊界添加為自動約束［4］。

3.1.3"工況設置

針對模型分析，設置了多組工況來計算邊坡穩定性、支護結構的內力和位移情況，并依次進行了分析。

3.2"數值模擬結果分析

3.2.1"變形分析

根據抗拔樁樁身位移圖（見圖6）分析，抗拔樁最大位移為3.18 cm，滿足設計規范上的要求；由樁頂向樁底方向，樁身位移逐漸減小，樁頂有40.0%的抗拔樁位移＞2.99 cm，樁底則有30.0%的抗拔樁位移＜2.13 cm，位移速率變化為由小到大。根據錨索位移圖（見圖7）分析，錨索最大位移出現在第一根錨索自由段靠中間的6.82 cm位置，有96.7%的位移集中在4.57～6.82 cm，整體位移差距較小，位移分布規律為錨固段向自由段逐漸增大再減小的過程，錨索整體變形位移較小，結論為整體穩定性較好。

3.2.2"內力分析

由圖8可知，抗拔樁彎矩從樁頂向下先呈現變大趨勢，在樁頂下方8.42 m的位置出現最大彎矩值，然后彎矩逐漸減小為0，彎矩方向轉折點出現在樁頂下方14.9 m的位置，往下距樁頂20.3 m位置處呈現反方向最大彎矩值，最后減小為0。由頂至底，樁身彎矩變化趨勢為：正向大→小，反向小→大，最大彎矩值為12.78 MN·m，在8.42 m附近區段速率變化最大。

由圖9可知，由樁頂至樁底，樁身剪力變化趨勢為：負剪力由小→大→小，正剪力由小→大→小。其中最大樁身正剪力距樁頂13 m，為2.18 MN；最大樁身負剪力距樁頂3.8 m，為3.32 MN，有54.4%的抗拔樁剪力都小于1 MN。

由圖10可知，從抗拔樁樁頂至樁底，抗拔樁樁身最大軸力出現在距離樁底2.0 m的位置，最大軸力為15.40 MN；從樁頂至樁底，抗拔樁軸力基本呈現出線形由小至大，變化速率由小變大，逐漸趨于平穩。

3.2.3"成效分析

各工況下，邊坡穩定狀態應變云圖見下頁圖11。由圖11可知，自然狀態下，邊坡的塑性區域主要集中在邊坡上部即粉質黏土和強風化砂巖交界處附近，最大塑性應變區即開挖區域的頂部。較天然狀態下，增加抗拔樁防護后邊坡的塑性應變區集中在邊坡抗拔樁支護區域附近，邊坡的塑性應變明顯減小，此時塑性區域由貫通變為斷開；增加“抗拔樁+錨索”防護后，邊坡上部抗拔樁附近的塑性應變明顯減小，邊坡的最大塑性應變集中在抗拔樁下方的邊坡坡腳。

不同的工況下，對邊坡位移和安全穩定系數進行計算。根據軟件分析結果，天然狀態下邊坡穩定安全系數為1.26，施工抗拔樁+噴錨防護時，邊坡穩定安全系數達到了2.19，施加錨索后邊坡穩定安全系數提高到3.11（見表3）。從邊坡各工況下的應變情況進行分析，自然狀態下原邊坡處于一般穩定的狀態，主要滑動面在邊坡中上部位置呈圓弧形，最大滑動位置在弧形最下方；對原地形邊坡開挖并施加抗拔樁后，邊坡主要滑動面由中上部轉移為整個邊坡上，最大滑動位置出現在抗拔樁錨固段頂部；進一步對邊坡土體施加錨索，邊坡抗拔樁與土體加強聯系后，主要滑動面轉移到邊坡下方未開挖位置，進一步提高了邊坡的穩定安全系數。

邊坡安全穩定系數反映了邊坡穩定性，結合邊坡位移情況進一步綜合判定。在水平位移云圖（見圖12）上，施加抗拔樁和錨索施工后最大水平位移降低為1.63 cm，位于抗拔樁自由段底部，說明邊坡在施加支護后，抗拔樁和錨索改變了土體的滑動狀態，對滑動土體進行了阻擋，減小了土體滑動，達到了抗滑的目的［5］。在縱向位移云圖上（見圖13），施加抗拔樁和錨索后邊坡縱向位移變化最大位置在抗拔樁頂部，降低為2.3 cm，這樣的結果與水平位移相似，驗證了抗拔樁和錨索支護體系在維持邊坡穩定性的有效性。

4"結語

（1）使用有限元數值分析軟件對邊坡和抗拔樁錨索組合支護結構進行建模加載和計算分析，得出抗拔樁最大位移為3.18 cm，錨索最大位移為6.82 cm，均能滿足規范要求。

（2）抗拔樁+錨索組合支護結構下，抗拔樁自由段承受上部荷載，抗拔樁位移由樁頂往樁底逐漸減小，第一束錨索位移較第二束錨索更大。在抗拔樁后方設置了預應力錨索，錨索為抗拔樁分擔邊坡推力，使得抗拔樁自由段上部內力較小，并由上往下逐漸增大，集中在錨固段底部。

（3）預應力錨索施工可進一步提高邊坡的安全穩定性，減小邊坡的位移。

參考文獻：

［1］祁紅偉，周彥斌，賈磊柱，等.無粘結預應力抗拔灌注樁施工技術［C］.2022年全國工程建設行業施工技術交流會論文集（上冊），2022.

［2］孫洪福.某高邊坡預應力錨索抗滑樁加固優化研究［J］.交通世界，2023（24）：99-101.

［3］李曉翠，甘"磊，甘"勝，等.滑坡體預應力錨索抗滑樁參數優化設計研究［J］.水利水電科技進展，2023，43（4）：98-104.

［4］劉"君.基于MIDAS的抗滑樁與錨桿組合支護結構的數值模擬研究［J］.水利技術監督，2023（5）：195-198.

［5］羊金賢.基于Midas/GTS的抗滑樁支護參數優化研究［J］.北方交通，2023（2）：40-44.20231221