預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁錨固位置優(yōu)化研究

邵 磊

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁錨固位置優(yōu)化研究

邵 磊

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 連云港 222006)

以預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁為研究對象，通過建立相應(yīng)的數(shù)值模型研究預(yù)應(yīng)力錨索在抗滑樁樁體上錨固位置的不同對邊坡變形及支護結(jié)構(gòu)的受力影響。結(jié)果表明：將錨固點從樁頂適當(dāng)下移時，邊坡位移沒有明顯變化，并可以提高邊坡的穩(wěn)定性，且當(dāng)錨固點從樁頂下移至1.0～1.5 m時最為合適；將錨固點從樁頂適當(dāng)下移與錨固于樁頂相比，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定增加但未超過設(shè)計值且在可控范圍內(nèi)，但是錨固點適當(dāng)下移時可有效避免抗滑樁樁身出現(xiàn)異號彎矩，對樁身的配筋設(shè)計較為有利。

預(yù)應(yīng)力錨索；抗滑樁；錨固位置優(yōu)化；邊坡穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在滑坡治理中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，抗滑樁為被動受力，預(yù)應(yīng)力錨索為主動受力，兩者結(jié)合之后能夠有效地控制滑坡變形，因此在很多滑坡的處理中均采用此種樁錨支護結(jié)構(gòu)[1-6]。

目前一些學(xué)者對樁錨支護結(jié)構(gòu)在邊坡治理中的應(yīng)用進行了大量研究。如劉志勇等[7-9]通過工程實例分析了樁錨支護結(jié)構(gòu)的有效性，認(rèn)為與純抗滑樁支護相比樁錨支護結(jié)構(gòu)不僅能減少邊坡位移，還能減少樁身內(nèi)力；曹興松等[10]研究了樁錨支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法，并與傳統(tǒng)方法對比后，認(rèn)為在樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該分階段進行，即分為錨索張拉前和張拉后兩個階段，然后再進行內(nèi)力及位移的疊加，從而得出了改進的樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法與實測結(jié)果更為一致的結(jié)論；方理剛等[11]研究了樁錨支護結(jié)構(gòu)加固邊坡的作用機理，認(rèn)為錨索改變了樁的受力機制，使之更為合理，同時更為有效地控制了滑坡的進一步發(fā)展；李世貴等[12]研究了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的設(shè)計方法，對傳統(tǒng)的方法進行了優(yōu)化，改進后的設(shè)計方法能夠節(jié)省鋼筋用量，并可以提高設(shè)計的精度及工作效率。

綜上分析可見，前人的研究主要集中在樁錨支護結(jié)構(gòu)工程實例分析及設(shè)計方法上的探討，而針對預(yù)應(yīng)力錨索與抗滑樁的錨固位置研究甚少，傳統(tǒng)的方法是將預(yù)應(yīng)力錨索錨固于抗滑樁樁頂，但是筆者通過計算與分析發(fā)現(xiàn)，錨固位置位于樁頂并非最合理，針對這一問題，本文采用數(shù)值模擬的手段計算與分析了錨固位置不同的條件下邊坡變形及支護結(jié)構(gòu)的受力情況。

1 數(shù)值模型建立

本文研究對象為覆蓋層滑坡，上部為覆蓋層，中部為強風(fēng)化層，下部為中風(fēng)化層，巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1，滑坡體主要由上部覆蓋層組成，樁錨支護結(jié)構(gòu)位于坡體中下部，見圖1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 滑坡構(gòu)成及支護結(jié)構(gòu)位置Fig.1 Composition of the landslide and location of the supporting structure

根據(jù)覆蓋層滑坡工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，見圖2。為了消除邊界效應(yīng)，模型尺寸取100 m×45 m，模型邊界均超出滑體15 m以上。為了計算的精確性，在網(wǎng)格劃分時覆蓋層及強風(fēng)化層較中風(fēng)化層要小，因為主要變形部位將集中于覆蓋層和強風(fēng)化層。

計算時巖土體本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型，模型底部采用全約束，即約束其水平及垂直方向的變形，模型兩側(cè)約束其水平向變形，模型頂部無約束?？够瑯恫捎肍LAC3D軟件自帶的結(jié)構(gòu)單元Pile，抗滑樁深入底部中風(fēng)化層1 m，長度為12 m，直徑為1 m，樁身設(shè)計彎矩值為550 kN·m。預(yù)應(yīng)力錨索采用Cable單元，錨索錨固角度為30°，錨固段長度為6 m，錨索采用5束7絲鋼絞線，錨固段均位于邊坡底部的中風(fēng)化層中，施加的預(yù)應(yīng)力值為300 kN。

圖2 數(shù)值模型(單位：m)Fig.2 Numerical model(unit:m)

計算時分為5種工況，即錨索錨固點位置分別位于樁頂以下0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，分別對應(yīng)于工況1～5，本文主要分析不同工況下邊坡的位移及支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況。

2 數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

2.1 支護前后邊坡位移分布情況

支護前邊坡位移分布情況見圖3。由圖3可見，邊坡最大水平位移X為145.81 mm，位于坡體中部，最大垂直位移Y為83.25 mm，位于坡頂。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果為1.003，表明邊坡處于臨界狀態(tài)。

圖3 支護前邊坡位移分布情況Fig.3 Distribution of slope displacements before supporting

支護后的邊坡位移分布情況見圖4，為工況1即錨索錨固于樁頂?shù)臄?shù)值模擬與計算結(jié)果。由圖4可見，邊坡最大水平位移為28.34 mm，位于坡體中上部，支護結(jié)構(gòu)有效地控制了滑坡的移動；邊坡最大垂直位移Y為18.834 mm，位于坡頂。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果為1.214，說明預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護效果良好。其余工況所得規(guī)律與工況類似，因此不再贅述。

圖4 支護后邊坡位移分布情況Fig.4 Distribution of slope displacements after supporting

2.2 各工況邊坡穩(wěn)定性對比

各工況邊坡最大位移對比情況見圖5。由圖5可見，當(dāng)錨索錨固點從樁頂改變至樁頂以下0.5 m、1.0 m及1.5 m時，邊坡的位移改變較?。欢?dāng)錨索錨固點位置移至樁頂下2 m時，邊坡位移突然變大，邊坡最大水平位移增大至68.516 mm，邊坡最大垂直位移增大至35.026 mm，說明錨索錨固點離樁頂較遠時，邊坡的位移無法有效地得到控制，這是由于在錨固點上方，樁體沒有得到約束，相當(dāng)于純抗滑樁支護結(jié)構(gòu)。

圖5 各工況邊坡最大位移對比Fig.5 Contrast of maximum slope displacements under each condition

各工況邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果對比見圖6。由圖6可見，當(dāng)錨索錨固點位置下移在1.5 m范圍內(nèi)時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)沒有下降，反而得到不同程度的提升，僅當(dāng)錨索錨固點位置下移至2 m時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)明顯下降，這一點從圖6中的剪應(yīng)變增量變化趨勢也可以看出，當(dāng)錨索錨固點位置下移在1.5 m范圍內(nèi)時，邊坡的最大剪應(yīng)變增量逐漸降低，當(dāng)其下移至2 m時，邊坡的最大剪應(yīng)變增量突然增大，這說明將錨索的錨固點位移適當(dāng)下移能夠更為有效地阻擋邊坡的滑動。

圖6 各工況邊坡穩(wěn)定性對比Fig.6 Comparison of slope stability under each condition

2.3 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

各工況下抗滑樁樁身彎矩分布情況見圖7。由圖7可見，樁身分布有正彎矩亦有負(fù)彎矩，最大正彎矩位于樁底，最大負(fù)彎矩位于樁身中上部，樁頂彎矩為0。這與純抗滑樁支護時有區(qū)別，一般情況下，純抗滑樁支護時，抗滑樁相當(dāng)于一懸臂結(jié)構(gòu)，樁身不存在異號彎矩；但是在預(yù)應(yīng)力抗滑樁支護結(jié)構(gòu)中，由于樁頂受到了錨索的拉力，即樁身受到了兩個方向的作用力，因此存在異號彎矩。

圖7 各工況抗滑樁樁身彎矩分布情況Fig.7 Distribution of bending moments of the stabilizing piles under each condition

各工況預(yù)應(yīng)力錨索的軸力對比見圖8。由圖8可見，各工況預(yù)應(yīng)力錨索的軸力分布規(guī)律一致，錨索自由段軸力均為直線分布即大小相同，進入錨固段之后軸力逐漸減小至0，且其分布規(guī)律與實際情況是吻合的，說明錨索相關(guān)參數(shù)設(shè)置是合理的，而錨固段末段軸力為0，說明錨索處于正常工作狀態(tài)。

圖8 各工況預(yù)應(yīng)力錨索軸力分布情況Fig.8 Distribution of axial forces of the prestressed anchor under each condition

為了更清晰地對比各工況支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況，本文將抗滑樁樁身正彎矩及負(fù)彎矩、樁身彎矩反彎點位置、錨索軸力單獨提出來進行對比，圖9為各工況抗滑樁樁身最大正彎矩與錨索最大軸力對比圖，圖10為各工況抗滑樁樁身最大負(fù)彎矩與樁身彎矩反彎點位置的對比圖。

圖9 各工況樁身彎矩與錨索軸力對比圖Fig.9 Contrast of bending moments of the pile and axial forces of the anchor under each condition

由圖9可見，抗滑樁樁身彎矩與錨索軸力變化規(guī)律較一致，錨固點位置從樁頂變化至樁頂以下1.5 m時，樁身彎矩及錨索軸力逐漸增大，錨固點位置移至樁頂下2.0 m時，樁身彎矩及錨索軸力突然下降。其中，在錨固點位于樁頂下1.0 m及1.5 m時樁身彎矩達較大值，分別為299.4 kN·m、320.5 kN·m，但離樁身彎矩設(shè)計值仍有較大空間，說明抗滑樁樁身強度仍有較大的安全儲備。從錨索軸力來看，其變化規(guī)律與上述相同，在錨固點分別位于樁頂下1.0 m及1.5 m時錨索軸力達較大值，分別為387.4 kN、378.1 kN。

結(jié)合上述邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出，錨固點適當(dāng)下移時邊坡穩(wěn)定性得到了增加，而支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果顯示，邊坡穩(wěn)定性增加的同時，支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也同樣增加，但是離內(nèi)力設(shè)計值仍有較大余地，說明支護結(jié)構(gòu)受力不存在隱患。因此，可以認(rèn)為預(yù)應(yīng)力錨索的錨固點適當(dāng)下移可以更為充分地發(fā)揮支護結(jié)構(gòu)的作用，提高邊坡的穩(wěn)定性。這一點可以從錨固點位于樁頂以下2.0 m時的計算結(jié)果中得到驗證，該工況支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力最小，錨索軸力甚至小于預(yù)應(yīng)力值，而其穩(wěn)定性在各工況中也是最小的。

圖10 各工況樁身負(fù)彎矩與樁身彎矩反彎點位置對比圖Fig.10 Contrast of negative bending moments and inflection point location of the pile under each condition

由圖10可見，樁身最大負(fù)彎矩與樁身彎矩反彎點位置變化規(guī)律較一致，錨固點位于樁頂時樁身有一定的負(fù)彎矩，最大值為29.4 kN·m，當(dāng)錨固點位于樁頂以下0.5 m、1.0 m及1.5 m時，樁身負(fù)彎矩幾乎為0，說明錨固點位置適當(dāng)下移能夠有效避免樁身產(chǎn)生異號彎矩，更有利于樁身的配筋設(shè)計。

3 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬方法研究了預(yù)應(yīng)力錨索在抗滑樁樁體上錨固位置的不同對邊坡穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)錨固點從樁頂適當(dāng)下移時，邊坡的水平向及垂直向位移變化并不明顯，僅當(dāng)錨固點下移至樁頂以下2.0m時邊坡位移有較大的增加。

(2) 從邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果來看，錨固點適當(dāng)下移時邊坡穩(wěn)定性得到了提高，但是錨固點下移過大時則效果相反。通過本文假定的工況計算結(jié)果來看，錨固點從樁頂下移1.0～1.5 m最為合適。

(3) 抗滑樁在錨索及基巖的作用下樁身存在異號彎矩，但是當(dāng)錨固點適當(dāng)下移時，樁身異號彎矩幾乎為0，這一規(guī)律在樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中值得參考。

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Optimization of Anchoring Position of the Prestressed Anchor Stabilizing Pile

SHAO Lei

(DepartmentofArchitecturalEngineering,LianyungangTechnicalCollege,Lianyungang222006,China)

Taking the prestressed anchor stabilizing pile as the research object,this paper explores the effects of different anchoring positions of the prestressed anchor stabilizing pile on deformation of the slope and stress of the supporting structure by establishing the corresponding numerical models.The results show that:when the anchoring point moves down from the top of the pile appropriately,the displacement of slope does not change significantly,and it can improve the stability of slope with the optimal anchoring position being 1.0～1.5 m that is moved from below the top of the pile.Compared with the anchoring position being on top of the pile,the internal force of supporting structure increases in some extent but not exceeding the design value if the anchor point moves down from the top of the pile,and it is within the controllable range.However,moving down the anchor point appropriately can effectively avoid the opposite-sign moments of the pile,which is more favorable to reinforcement design of the pile.

prestressed anchor;stabilizing pile;optimization of anchoring position;slope stability;numerical simulation

魯長波(1975—)，男，博士，高級工程師，主要從事軍用燃料方面的研究工作。 E-mail:18600209811@vip.163.com

1671-1556(2016)02-0143-04

2015-07-08

2015-12-08

邵 磊(1965—)，男，碩士，講師，主要從事工程管理方面的教學(xué)與科研工作。E-mail：lygshaolei2015@163.com

X93；P642.22

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.026