王海濤,張小浩,宋詞,何永,金慧,吳躍東

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

預(yù)應(yīng)力錨桿加固高陡邊坡的數(shù)值模擬

王海濤,張小浩,宋詞,何永,金慧,吳躍東

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

為了探討預(yù)應(yīng)力錨桿加固的高陡邊坡在開挖支護過程中位移開展情況，運用MIDAS/GTS有限元軟件， 對使用預(yù)應(yīng)力錨桿加固的大連石門山高陡邊坡工程進行數(shù)值模擬.首先研究了邊坡開挖支護過程中，開挖面上各點的水平位移和坡頂?shù)孛娴呢Q向沉降的開展情況，接著分析了錨桿不同預(yù)應(yīng)力值條件下邊坡的穩(wěn)定和變形規(guī)律.研究表明：邊坡在開挖支護過程中，坡面上各點的水平位移和坡頂?shù)孛娴呢Q向沉降逐漸增大；預(yù)應(yīng)力錨桿能夠有效地限制邊坡的水平位移和豎向沉降，但是當(dāng)預(yù)應(yīng)力超過界限值后，繼續(xù)增大預(yù)應(yīng)力值對位移改變的影響不太明顯.

預(yù)應(yīng)力錨桿;高陡邊坡;邊坡位移;數(shù)值模擬

0 引言

傳統(tǒng)的邊坡支護方法多采用剛性擋墻，比如重力式擋墻、懸臂式擋墻和扶壁式擋墻等，但是這些擋墻的斷面尺寸大，笨重而不經(jīng)濟，且抗震性能差[1-2].針對采用傳統(tǒng)方法支護邊坡過程中存在的工期長、造價高以及傳統(tǒng)的擋墻支護技術(shù)不適用于高陡邊坡的問題，預(yù)應(yīng)力錨桿支護法以其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟效益好、施工方便等突出優(yōu)點在深基坑與高邊坡工程中得到廣泛的應(yīng)用[3-7].

預(yù)應(yīng)力錨桿支護法的支護結(jié)構(gòu)主要是由預(yù)應(yīng)力錨桿、噴射混凝土面層和錨下承載結(jié)構(gòu)三部分構(gòu)成.近年來，國內(nèi)外很多相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員對預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固機理進行了一系列的研究，取得了很多的研究成果.Hanson等人針對拉力型錨桿錨固段的力學(xué)行為進行了一定的研究[8]；Phillips通過對實驗實測資料的分析研究，發(fā)現(xiàn)了剪應(yīng)力沿錨桿錨固段長度呈指數(shù)函數(shù)分布的規(guī)律，并重新表述了拉力型錨桿與注漿體之間任一點的剪應(yīng)力沿錨固段長度方向分布規(guī)律的計算公式[9]；周勇等結(jié)合圓弧滑動條分法和網(wǎng)格法的原理，建立了框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護結(jié)構(gòu)應(yīng)用于黃土地區(qū)使用時，邊坡內(nèi)部整體穩(wěn)定性的計算模型[10]；韓愛民等結(jié)合實際工程，進行變換參數(shù)值的模擬試驗，研究了預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁在張拉過程和穩(wěn)定工作兩個不同階段的力學(xué)特性[11]；鄭衛(wèi)峰等采用拉格朗日差分法，運用數(shù)值模擬的手段，研究了預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù)改變對拉拔力的影響[12].

雖然國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)從預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段的力學(xué)機理、影響錨桿承載力的因素以及設(shè)計參數(shù)的選擇等方面做了大量的研究工作，但是有關(guān)預(yù)應(yīng)力錨桿加固高陡邊坡過程中，邊坡位移的開展情況仍需要進一步完善.因此本文以使用預(yù)應(yīng)力錨桿加固的大連石門山高陡邊坡工程為背景，對預(yù)應(yīng)力錨桿加固高陡邊坡的開挖支護過程進行數(shù)值模擬分析，研究了邊坡開挖支護過程中，坡面水平位移和坡頂處豎向沉降的開展情況，以期為該技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供一定的依據(jù)和參考.

1 工程概況

大連石門山邊坡工程位于大連市沙河口區(qū)綠清園東北側(cè)，石門山東側(cè)坡麓，邊坡屬因建筑施工人工削方后形成的高陡巖質(zhì)邊坡，地形地貌條件簡單，地勢南高北低，呈“S”形分布.邊坡長448m，現(xiàn)狀坡高1～20 m，規(guī)劃邊坡高4～22 m，坡頂為綠清園3棟6層居民樓，坡下為即將新建的18棟4～18層居民樓.邊坡地質(zhì)構(gòu)造條件主要有：Ed-Eg段，邊坡坡度為60°～75°，組成坡體巖性主要為中風(fēng)化石英巖夾板巖；Eg-El段，邊坡坡度為42°～56°，組成坡體巖性主要為碎石土和強、中風(fēng)化石英巖夾板巖；邊坡概況如圖1所示.

圖1 大連石門山邊坡工程平面分布圖

2 支護方案的確定

根據(jù)場區(qū)所提供的勘察報告以及周邊地下管網(wǎng)設(shè)施等綜合情況，并考慮工程周期、造價等因素，本邊坡支護方案最終定為：預(yù)應(yīng)力錨桿+全長粘結(jié)性錨桿+掛網(wǎng)噴射混凝土.其中預(yù)應(yīng)力錨桿豎向間距和水平間距均為2 m，錨桿在坡面上主要以梅花形布置.錨索采用高強低松弛型鋼絞線，設(shè)計強度為1 320 MPa，鋼絞線直徑為15.2 mm，錨索設(shè)計傾角為15°.掛網(wǎng)噴射混凝土采用內(nèi)置雙層雙向鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用φ8@200×200，混凝土的強度等級為C25，厚度為150 mm.錨下承載結(jié)構(gòu)選用鋼筋混凝土墊墩，配筋符合規(guī)范要求.

3 數(shù)值模擬分析

3.1數(shù)值模型及參數(shù)

本節(jié)以大連石門山邊坡工程9-9剖面圖為例，運用MIDAS /GTS有限元軟件，對邊坡的開挖支護過程進行數(shù)值模擬，具體的邊坡支護方案剖面圖如圖2所示.坡體以碎石土和強、中風(fēng)化石英巖夾板巖為主， 坡面節(jié)理裂隙發(fā)育， 地質(zhì)條件較差，巖土參數(shù)如表1所示.為保證計算的精確和高效，嚴(yán)格的按照圖2中邊坡的高度、支護間距、錨桿長度、土層信息來完成建模.從圖中可知，邊坡的高度為20 m，每豎向間隔2 m設(shè)置一排預(yù)應(yīng)力錨桿，最后一排為全長粘結(jié)性錨桿.另外，沿剖面橫向取20 m寬，坡頂超載取20 kPa，預(yù)應(yīng)力為280kN.本構(gòu)模型采用M-C模型.

圖2 邊坡支護剖面圖(mm)

表1 巖土參數(shù)

計算模型的邊界條件為：在模型的左右兩側(cè)約束X方向的位移，在底部約束X、Z兩個方向的位移，在前后兩側(cè)約束Y方向的位移.

網(wǎng)格的劃分：巖土層大部分采用8節(jié)點實體單元，對不適用8節(jié)點單元的部分，采用自動網(wǎng)格劃分法，單元長度為1 m；預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固段和全長粘結(jié)性錨桿采用梁單元，預(yù)應(yīng)力錨桿的自由段采用桁架單元.圖3為邊坡整體模型圖，圖4為預(yù)應(yīng)力錨桿圖.

圖3 邊坡整體模型圖

圖4 預(yù)應(yīng)力錨桿圖

3.2數(shù)值模擬過程

本邊坡工程采用邊開挖邊支護的施工方法，邊坡模型在MIDAS /GTS軟件中定義“施工階段”來實現(xiàn)對整個施工過程的模擬.

(1)初始應(yīng)力分析：將全部土層信息、邊界支撐及自重拖入“激活”表欄里，勾選“位移清零”，由于土體自重，形成初始應(yīng)力.

(2)第1步：開挖深度2 m，“鈍化”第一層土體單元，并“激活”坡頂超載，記作step1.

(3)第2步：開挖至4 m，“鈍化”第二層土體單元，并“激活”第一排預(yù)應(yīng)力錨桿的自由段、錨固段與預(yù)應(yīng)力，記作step2.

(4)第3步：開挖至6 m，“鈍化”第三層土體單元，并“激活”第二排預(yù)應(yīng)力錨桿的自由段、錨固段與預(yù)應(yīng)力，記作step3.

(5)依此類推逐層開挖，第9步工作完成后，進行第10步，開挖深度從18～20 m，“鈍化”第十層開挖土體單元，并“激活”最后一排全長粘結(jié)性錨桿的錨固段，記作step10.開挖過程示意圖如圖5所示.

圖5 邊坡開挖過程示意圖(m)

3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖6為每步開挖完畢后邊坡坡面各點的水平位移分布圖.從圖中可以看出，邊坡水平位移呈曲線分布，位移最大值出現(xiàn)在坡頂處，并沿坡面向下逐漸減??；隨著支護工作的進行，坡面水平位移增量逐漸減小，坡面逐漸趨于穩(wěn)定.

圖6 每步開挖完成后邊坡開挖面各點的水平位移

圖7為每步開挖完畢后坡頂?shù)呢Q向沉降分布圖.從圖中可以看出，隨著邊坡的開挖，坡頂?shù)孛娴呢Q向沉降逐漸增大，但是增加緩慢，說明豎向沉降受錨桿預(yù)應(yīng)力的影響較??；而坡頂?shù)呢Q向沉降最大值出現(xiàn)在坡肩位置，并隨著距坡肩距離的增加而減小.分析可知，導(dǎo)致坡頂產(chǎn)生沉降主要有兩個因素：一方面是施加在坡頂處的地面超載引起了地面沉降的產(chǎn)生；另一方面，隨著邊坡的開挖，坡體原有結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生破壞，應(yīng)力得到釋放，坡體沿滑裂面向坡面外側(cè)滑動，導(dǎo)致地面出現(xiàn)一定的沉降.

圖7 邊坡坡頂?shù)某两登€

4 錨桿預(yù)應(yīng)力對邊坡穩(wěn)定性的影響

在預(yù)應(yīng)力錨桿支護法中，預(yù)應(yīng)力值的大小對邊坡的變形和穩(wěn)定有顯著的影響.預(yù)應(yīng)力錨桿能夠限制邊坡的位移，約束巖土體的滑動，對邊坡的穩(wěn)定十分有利.本文采用MIDAS/GTS有限元軟件，選擇合理的本構(gòu)模型，對預(yù)應(yīng)力錨桿加固的大連石門山高陡邊坡工程進行數(shù)值模擬，分別研究了150、200、250、300 kN四種不同預(yù)應(yīng)力條件下，邊坡的位移變化情況，得出了錨桿預(yù)應(yīng)力值改變對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律.

4.1對坡面水平變形的影響

圖8為不同預(yù)應(yīng)力值下邊坡坡面水平位移分布圖.從圖中可以看出，預(yù)應(yīng)力值越大，坡面水平位移就越小.當(dāng)施加的預(yù)應(yīng)力值為150 kN時，坡面各點的最大水平位移值為27 mm；當(dāng)預(yù)應(yīng)力值逐漸增大到250 kN時，最大的水平位移值減小至20 mm，減小幅度較大；但是當(dāng)預(yù)應(yīng)力值進一步增大到300 kN時，最大的水平位移值減小至18mm，減幅僅為2 mm，水平位移的變化不太明顯.上述情況表明，在一定范圍內(nèi)，錨桿預(yù)應(yīng)力在限制坡體水平位移方面效果顯著，超過界限值后，其作用效果不再明顯，但此時邊坡的水平位移已經(jīng)比較小了，能夠滿足工程要求.

圖8 不同預(yù)應(yīng)力值下邊坡坡面的水平位移

4.2對坡頂豎向沉降的影響

圖9為不同預(yù)應(yīng)力值下邊坡坡頂處豎向位移分布圖.從圖中可以看出，預(yù)應(yīng)力值越大，坡頂?shù)孛嫣幐鼽c的豎向位移就越小.當(dāng)預(yù)應(yīng)力值小于250 kN時，坡頂最大豎向位移的減小幅度約為3mm，預(yù)應(yīng)力對減小坡頂處各點的沉降作用較為明顯；但是當(dāng)預(yù)應(yīng)力值增加到300 kN時，坡頂各點的豎向沉降基本沒有發(fā)生變化.模擬結(jié)果表明，在一定取值范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力越大，邊坡坡頂各點的豎向沉降就越小，但是其變化范圍相對較小.

圖9 不同預(yù)應(yīng)力值下邊坡坡頂處豎向位移

5 結(jié)論

本文結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨桿加固的大連石門山高陡邊坡工程，采用MIDAS /GTS有限元軟件，對邊坡的開挖支護過程進行了數(shù)值模擬研究，分析了邊坡開挖支護過程中開挖面的水平位移和坡頂豎向沉降的開展情況，得出了以下結(jié)論：

(1)隨著邊坡開挖工作的進行，坡面各點的水平位移和坡頂?shù)孛嫣幍呢Q向沉降逐漸增加，而隨著預(yù)應(yīng)力錨桿的及時支護，又有效地限制了邊坡位移的進一步擴展，在預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固作用下，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定;

(2)錨桿預(yù)應(yīng)力值的大小對邊坡坡面上各點水平位移改變的影響很大，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增加，坡面水平位移逐漸減小，但是當(dāng)預(yù)應(yīng)力超過界限值后，其限制作用就不再明顯了;

(3)邊坡支護過程中，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增加，邊坡坡頂?shù)孛娓鼽c的豎向沉降量逐漸減小，但是沉降量的變化幅度較小，說明預(yù)應(yīng)力值的增加對坡頂處豎向沉降的變化影響較小，其主要的影響因素為坡頂超載.

從本文針對邊坡開挖支護過程的數(shù)值模擬可知，預(yù)應(yīng)力錨桿在加固高陡邊坡時能發(fā)揮很大的作用，其對邊坡位移的限制作用十分明顯，因此在高陡邊坡和嚴(yán)格控制變形的基坑和邊坡工程中使用預(yù)應(yīng)力錨桿十分有利，值得推廣，但是增加現(xiàn)場實測以獲取更多的數(shù)據(jù)來驗證其加固效果也是很有必要的.

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NumericalSimulationofMechanicalBehaviorofPrestressedAnchorReinforcementofHighandSteepSlope

WANG Haitao, ZHANG Xiaohao, SONG Ci, HE Yong, JIN Hui, WU Yuedong

(School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Taking the high and steep slope engineering of Shimen mountain in Dalian as background, numerical simulation analysis of the excavation and support process of the prestressed anchor-reinforced slope is carried out by MIDAS/GTS finite element software. Firstly, the horizontal displacement of the excavation face, the vertical settlement of the top of the slope and the development of the plastic zone are studied. Then the stability and deformation of the slope under different prestressing forces are analyzed. The results show that with the increase of excavation progress, both of the horizontal displacement and vertical settlement increase gradually. Prestressed anchor can effectively limit the horizontal displacement and vertical settlement of the slope. However, its effect is no longer obvious with the prestress increasing when the prestress exceeds a certain value. The study on the stability of high and steep slope reinforced by prestressed anchor provides some reference for the application and popularization of this technology.

prestressed anchor; high and steep slop; slope displacement; numerical simulation

1673- 9590(2017)06- 0098- 05

2017- 02-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51208073)；遼寧省博士啟動基金資助項目(20121061)，遼寧省"百千萬人才工程"人才資助項目(2014921061)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(LJQ2014049)；大連市高層次人才創(chuàng)新支持計劃項目(2015R073)

王海濤(1982-)，副教授，博士，主要從事巖土與地下結(jié)構(gòu)工程的研究

E-mailwht@djtu.edu.cn.

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