北京市門頭溝區(qū)高邊坡預應力錨索格構(gòu)梁體系的力學特性及設計優(yōu)化

陳默，沈宇鵬，趙久歡，毛凌峰，何永貴

(1.中航勘察設計研究院有限公司，北京100098;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點實驗室，北京100044)

北京市門頭溝區(qū)高邊坡預應力錨索格構(gòu)梁體系的力學特性及設計優(yōu)化

陳默1，沈宇鵬2，3，趙久歡2，毛凌峰2，何永貴2

(1.中航勘察設計研究院有限公司，北京100098;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點實驗室，北京100044)

研究了預應力錨索格構(gòu)擋墻的加固機理，并結(jié)合北京市門頭溝區(qū)一高邊坡工程，采用現(xiàn)場測試、數(shù)值分析等手段，分析了此類支護結(jié)構(gòu)的受力機理和墻背土壓力特征，最后通過正交分析，以邊坡安全系數(shù)為控制指標，提出了該類支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計參數(shù)。研究結(jié)論:預應力錨索格構(gòu)擋墻通過錨索將下滑力傳遞給深層穩(wěn)定的巖土層中，形成一種邊坡主動抗滑體系，由于錨索作用，墻后豎向土壓力沿墻高應力重分布，出現(xiàn)多個應力峰值，水平土壓力在墻高5 m處最大，而非墻底端，并且沿墻高方向呈連續(xù)波浪形分布;正交模型試驗得出抗滑樁長度、錨索預應力、錨固段長度是影響支護效果最主要的因素。

預應力錨索格構(gòu)梁 抗滑樁 土壓力 支護機理 正交優(yōu)化

預應力錨索格構(gòu)梁支護體系已在公路與鐵路工程中廣泛應用，但工民建中應用較少，且在北京地區(qū)幾乎沒有嘗試。北京市門頭溝區(qū)政府營建大量安置房，以改造棚戶區(qū)，其中有一部分邊坡位于原產(chǎn)煤區(qū)附近的山坡上。為確保坡上和坡下安置房的安全，采用了預應力錨索格構(gòu)梁體系加固邊坡。

目前的預應力錨索支護設計，大多還是采用技術成本低、容易管理的工程類比方法［1-3］。因此，工程界中使用的錨固支護一般可能存在兩種相反的問題:第一種，在穩(wěn)定性較好的巖土體中，錨索使用過于保守;第二種，在穩(wěn)定性較差的巖土體中，錨索的安全儲備不足［4］。本文旨在通過現(xiàn)場試驗和理論分析兩方面，研究該類新型支擋結(jié)構(gòu)受力特征和支護機理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

1 工程概況

北京市門頭溝區(qū)采空棚戶區(qū)改造石泉磚廠定向安置房項目邊坡工程，邊坡設計坡高14.3～18.5 m。通過經(jīng)濟性和安全性比選，選取預應力錨索格構(gòu)梁體系為加固邊坡方法。坡度約30°～60°，擬支護邊坡長度231.9 m，邊坡工程安全等級為一級。試驗段地層條件見表1，填方坡段壓實填土的參數(shù)可按表2選取。

表1 巖土參數(shù)建議值

2 邊坡支護數(shù)值模擬

本文利用有限元軟件MIDAS/GTS分析計算，簡化模型:邊坡長120 m，寬4.5 m，高49.3 m，格構(gòu)梁高為15.3 m，下部現(xiàn)澆抗滑樁的長度為5 m。寬度方向取一個“井”字格構(gòu)，兩邊橫梁向外懸臂1.25 m，旨在模擬擋墻后土壓力“中—中”荷載傳遞方式。擋土板厚度0.2 m，格構(gòu)橫豎梁寬度均為0.5 m，抗滑樁的直徑為1 m。錨索的打入角為10°，6根錨索錨固段長度17 m，自由段長度7 m。模型示意見圖1。

表2 壓實填土計算參數(shù)取值

圖1 預應力錨索格構(gòu)梁邊坡模擬

2.1 錨索的模擬

預應力錨索格構(gòu)梁邊坡支護體系數(shù)值模擬的難點在于錨索錨固段界面接觸單元的模擬。鑒于預應力錨索單元自由段和錨固段受力機理不同，采用不同單元類型模擬。自由段使用植入式桁架單元模擬，這樣既能表現(xiàn)自由段的傳力功能，還方便了GTS施加預應力;錨固段由于自身的受力特點和機理，需要考慮其與周圍土體的三維接觸，所以，采用直線梁單元模擬錨固段，樁單元模擬錨固段與周圍土的三維接觸面上的剪切力。

2.2 預應力的施加

對于預應力的加載方式，本文采用MIDAS/GTS中直接定義的預應力方法加載。此外，還有兩種加載方式:①為了模擬和簡化錨索外錨頭的作用，在巖土體外錨頭表面作用分布力，分布力作用在外錨頭與格構(gòu)梁交點1 m的范圍內(nèi)，錨固段作用在與自由段的交界點則簡化為與分布力總和值相等的集中力［5］;②采用巖土體網(wǎng)格距離和錨索長度相等且方向與錨索傾斜方向一致的兩個節(jié)點，作用一對相向的集中力［6］。

2.3 施工工況定義

簡化后模型定義施工階段如下:初始地基分析→清理邊坡→建立抗滑樁→建立格構(gòu)橫豎梁→建立擋土板→1層錨索張拉和回填覆土→2層錨索張拉和回填覆土→3層錨索張拉和回填覆土→4層錨索張拉和回填覆土→5層錨索張拉和回填覆土→6層錨索張拉和回填覆土→回填土→施加建筑荷載。

3 邊坡支護數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗驗證

3.1 現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬墻后填土壓力

為了更好地認識預應力錨索格構(gòu)擋墻后水平土壓力的特點，選出錨索5，6層施工過程和建筑荷載作用進行現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的比較(圖2)。圖中擋墻后填土的負方向表明填土受壓?？梢钥闯霈F(xiàn)場試驗實測的土壓力值和數(shù)值模擬在線型和數(shù)值上存在一定差異，這是因為現(xiàn)場土層參數(shù)和施工工況遠比數(shù)值模擬復雜，但是，數(shù)值模擬還是基本反映了墻后水平土壓力的大小分布特點。圖2中還反映了一個特點，數(shù)值模擬出來的水平土壓力要大于現(xiàn)場測試到的土壓力，這說明實際工程比數(shù)值模擬的安全性更高。

圖2 水平土壓力的實測和數(shù)值模擬結(jié)果比較

現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬兩種水平土壓力線型差異主要在墻高5 m處，數(shù)值模擬出現(xiàn)了一個劇增的峰值。而邊坡支護結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，在堆載的基礎上再作用建筑荷載時數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場測試更加接近，這是因為填土的密實，使得現(xiàn)場測試條件更加接近數(shù)值模擬的理想狀況。

圖3為錨索5，6施工工況以及建筑荷載工況下墻后豎向土壓力的現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬結(jié)果比較?，F(xiàn)場試驗測出的豎向土壓力值和數(shù)值模擬在線型和數(shù)值上有一定差異，但兩種方法得到豎向土壓力的分布規(guī)律一致?，F(xiàn)場試驗獲得的數(shù)據(jù)部分豎向土壓力和數(shù)值模擬吻合得很好。

圖3 豎向土壓力的實測和數(shù)值模擬結(jié)果比較

由圖3可見，數(shù)值模擬的豎向土壓力也大于現(xiàn)場測試值，這說明現(xiàn)場邊坡的穩(wěn)定性更好。其中在錨索5，6施工工況的情況下，格構(gòu)擋墻底部的豎向應力最大，而支護結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗都表明豎向應力在墻高范圍內(nèi)應力重分配出現(xiàn)幾個峰值，這是格構(gòu)梁支護機理的體現(xiàn)。

3.2 傾斜式和豎直式預應力錨索格構(gòu)梁支護的比較

為了研究傾斜和直立式預應力錨索格構(gòu)梁擋墻的受力和變形特點，分別建立傾斜角度為70°和80°預應力格構(gòu)邊坡模型(土層條件、錨索參數(shù)、網(wǎng)格劃分原則等和直立式一致)。通過比較傾斜式和直立式邊坡形式的不同，分析擋墻后土體的土壓力、位移變化規(guī)律、格構(gòu)梁受力情況變化規(guī)律。本文研究預應力錨索格構(gòu)梁擋墻完工后建筑荷載作用下土壓力特點。

比較傾斜角度為70°和80°錨索的軸力圖(本文略去)，相比于傾斜角度為80°時，傾斜角度為70°的錨索拉力較大，說明錨索錨固更加緊密。70°時，錨索錨固段提供的軸力也較大，說明錨索錨固段受到的接觸面摩擦力更加合理。

圖4是預應力錨索格構(gòu)梁施工完成后，不同傾斜度支護的水平位移隨著墻高的變化情況。傾斜式支護時，格構(gòu)豎梁的水平位移要遠大于直立式，這種負方向的位移是良性的位移，位移越大說明傾斜邊坡支護方式預應力錨索拉緊效果越好。直立式在擋墻中部出現(xiàn)13 mm的正向位移，這種正向位移是水平向土壓力釋放的方式。正向位移過大會導致預應力錨索格構(gòu)梁支護體系失效，應該將其控制在一定范圍內(nèi)。

此外，圖4還反應了一個特點，即格構(gòu)梁沿墻高的水平位移呈一定的鋸齒狀，因為錨索作用處的負向位移較大，錨索間隔之間的土層作用時，負向位移減小。但采用豎直的格構(gòu)梁支護形式時，這種現(xiàn)象不明顯。

圖4 不同傾斜度支護的水平位移沿墻高的分布

圖5 格構(gòu)梁彎矩沿墻高的分布

提取格構(gòu)梁隨墻高的彎矩作圖5，直立式格構(gòu)梁在梁高4～13 m之間出現(xiàn)了外部受拉的情況(正向為擋墻內(nèi)部填土方向)，在墻底彎矩較大，內(nèi)部受拉。傾斜度為70°和80°的格構(gòu)梁兩種支護形式受到的負彎矩大于直立式，格構(gòu)梁內(nèi)部受拉。所以設計時應注意直立和傾斜兩種形式的差別較大，直立式滿足正反兩個方面的抗彎要求，而傾斜式則更加注重格構(gòu)梁內(nèi)側(cè)受拉的抗彎能力。

圖6為不同傾斜度邊坡支護形式下，擋墻后土層的水平土壓力分布特點。水平應力的方向是負向，說明此處土體單元受到水平向力是墻面板的壓密作用。其中:格構(gòu)梁高度＞2.5 m時，直立式格構(gòu)擋墻后土體受到的水平應力要大于傾斜式擋墻后土體的水平土壓力;格構(gòu)梁高度＜2.5 m時，傾斜70°格構(gòu)梁墻后的水平土壓力要大于直立式墻后水平土壓力。

圖6 水平土壓力沿墻高的分布

4 設計參數(shù)優(yōu)化研究

以北京市門頭溝區(qū)實際邊坡工程條件，通過建立L32(49)的正交表［7-8］，對錨索預應力值、錨索的截面積、錨固段長度、錨索打入角度、格構(gòu)梁長寬、抗滑樁長度、抗滑樁尺寸、混凝土類型這9種優(yōu)化因子的各自4種水平進行優(yōu)化，以強度折減法SRM計算的邊坡安全系數(shù)作為指標，選出最佳組合。正交表的因子和水平如表3，控制指標平均值及正交優(yōu)化最佳組合分別見表4及表5。

表3 模型建立

表4 9種因素的控制指標平均值

表5 正交優(yōu)化最佳組合

由于錨索的錨頭在格構(gòu)橫梁和豎梁的交匯處，如果采用正方形格構(gòu)，格構(gòu)梁間距和錨索間距這兩個因子合并為一個因子。從安全系數(shù)出發(fā)，確實能夠找到一個安全系數(shù)適合的格構(gòu)間距，這是因為錨索間距和格構(gòu)間距較小時，會產(chǎn)生群錨效應和格構(gòu)梁之間的應力疊加導致安全系數(shù)降低;錨索間距較大時，預應力錨索格構(gòu)梁的加固效應也會由于錨固力不足而減小。通過比較不同錨索間距的邊坡安全系數(shù)曲線(圖7)，發(fā)現(xiàn)在格構(gòu)錨索的間距為3 m時，邊坡的安全系數(shù)最大。

圖7 錨索間距與安全系數(shù)的關系

5 主要結(jié)論

1)對于墻后水平向和豎向土壓力，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的結(jié)果存在一定差異，但是大體上的分布特點一致;格構(gòu)豎梁在5～14 m這一段屬預留強度貯備，是預應力索的重點錨固段。

2)預應力錨索格構(gòu)擋墻的加固機理為預應力錨索和格構(gòu)梁復合使用，通過錨索將下滑力傳遞給深層穩(wěn)定的巖土層中加固，形成一種有效的邊坡主動抗滑體系。表現(xiàn)為:由于錨索作用，墻后豎向土壓力沿墻高應力重分布，出現(xiàn)多個應力峰值，水平土壓力在墻高5 m處最大，而非墻底端，并且沿墻高方向呈連續(xù)波浪形分布。

3)正交模型試驗得出抗滑樁長度、錨索預應力、錨固段長度是影響支護效果最主要的因素。

4)本工程預應力錨索格構(gòu)擋墻的最優(yōu)化參數(shù)組合:錨固段長度13 m、直徑0.2 m，錨索選擇4φs15.2組合，預應力為500 kN;格構(gòu)梁選用C30混凝土，截面形式0.4 m×0.4 m，抗滑樁的長度和直徑分別為5 m和0.8 m;錨索和格構(gòu)間距均為3 m。

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Mechanical characteristics of prestressed anchorage cable-lattice system used for high slope at Beijing Mentougou district and its design optimization

CHEN Mo1，SHEN Yupeng2，3，ZHAO Jiuhuan2，MAO Lingfeng2，HE Yonggui2
(1.AVIC Geotechnical Engineering Institute Co.，Ltd.，Beijing 100098，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;3.Beijing Key Laboratory of Track Engineering，Beijing 100044，China)

Combing with high slope engineering inBeijing M entougou，the paper studiedthe reinforcement mechanism of prestressed anchorage cable-lattice retaining wall，analyzed the stress mechanism and wall back soil pressure characteristics for this kind of supporting structure by field test and numerical analysis，and put forward the optimization design parameters by taking slope safety coefficient as the control index through orthogonal analysis. T he conclusion showed that prestressed anchorage cable-lattice retaining wall transfers the sliding force to deep and stable soil by the anchorage cable，which forms a kind of active slope anti-slide system，vertical soil pressure of wall back distributes along the wall by anchorage cable effect and there are several peak values of stress，horizontal soil pressure is maximal at 5 m height of the wall instead of at the bottom of wall and shows a continuous wave shape distribution along the wall，and the anti-slide pile length，anchorage cable prestress and anchoring section length are the main factors influencing the supporting effect by orthogonal experiment results.

Prestressedanchorage cable-lattice system;Anti-slide pile;Soil pressure;Supportingmechanism; Orthogonal optimization

TU452

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.27

1003-1995(2015)05-0108-05

(責任審編孟慶伶)

2014-10-20;

2015-02-25

國家自然科學基金項目(41271072);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2011JBZ009)

陳默(1977—)，男，陜西寶雞人，高級工程師。