傅國慶，李 聰，，蔡亞峰，萬小龍，林宇亮

（1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410000；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410000）

樁錨支護結構由于其發(fā)展歷史較長、技術體系完備、支護效果好、成本經濟而被廣泛應用于各類邊坡工程中，特別是深基坑和高邊坡等對坡體變形有著嚴格要求的支擋工程中。完善樁錨支護結構的理論研究，提高樁錨支護結構的數(shù)值模擬水平，有利于加強對樁體的變形和受力以及對樁后土體變形的預測和分析，對提高樁錨支護結構的安全性、可靠性和經濟性有著重要的現(xiàn)實意義。梁文靜等[1]運用有限元GTS軟件在不同錨桿傾角和不同錨桿錨固段長度情況下分別進行數(shù)值模擬，其研究建議布置錨索錨固角在10～15°；張宗輝[2]進行了地下工程預應力錨桿設計方法的研究，得出在裂隙發(fā)育的硬巖地下洞室工程中，錨桿重點布置在拱頂受拉破壞區(qū)，對于水平成層巖層，錨桿應盡可能與巖層構成直角布置，而在其他條件下，則徑向使之構成楔狀布置這一結論。此外，陳東印[3]、余曼[4]等也做過關于錨桿傾角方面的研究工作。宋衛(wèi)康等[5]進行了預應力值對樁錨復合土釘支護結構的影響研究，此研究分析了錨桿預應力值對樁體變形和樁后土體變形的影響。文章基于湖南長沙龍?zhí)列W與國防科大間支路路塹邊坡防護工程實例，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，分析在不同錨桿預應力條件下，樁體和樁后土體以及坡頂土體的變形情況，進而研究預應力對邊坡支護效果的影響。

1 工程概況

龍?zhí)列W與國防科大支路工程設計路線全長約1.3km。該項目路基處理以挖方為主，K0+205～K0+525、K0+682～K0+965左側路塹邊坡地質概況為粉質黏土和強風化板巖，遇水易受沖刷和軟化，部分邊坡切深達14m，坡頂有重要的建筑物距道路紅線較近；受國防科大側用地限制，無較大放坡空間。結合初步設計評審意見，此次設計采用樁錨支護結構體系對路塹式邊坡進行支護。現(xiàn)場施工圖如圖1所示。

2 模型的建立

2.1 模型的基本假定

（1）假定該支護結構變形滿足平面問題的基本條件。

圖1 現(xiàn)場施工圖

（2）假定該錨桿為完全彈性體，錨桿采用cable單元。

（3）假定土體為彈塑性材料，模擬其塑性特性時屈服條件符合Mohr-Coulomb屈服準則。

2.2 模擬計算斷面選取

根據(jù)工程實際情況，在該段邊坡支護工程中，選取K0+396為計算剖面，該剖面高度最高，從坡頂?shù)介_挖后的路面標高距離為22.23m。該剖面一共分為三層土，邊坡最上層為硬塑粉質黏土層，層厚為6.866m；中間層為強風化泥質板巖，層厚為14m；最下層為中風化礫巖，層厚為20.5m。該剖面樁后土體不是水平面，而是一個有一定坡度的小山丘，該小山丘采取的是放坡處理。該計算剖面適用于K0+340～K0+430段，該段采用樁錨支護，樁距2.0m，采用圓形樁，直徑為1.0m，冠梁的截面尺寸均為1.0m×0.8m。

2.3 數(shù)值模型

對所模擬的斷面K0+396，根據(jù)實際工況以及網格的選取進行適當簡化：取最上層硬塑粉質黏土層厚度為6.5m，中間強風化泥質板巖厚度為14m，最下層中風化礫巖層厚度為17.5m，開挖高度為13.5m，被開挖體為一斜坡體，坡面為一傾斜平面。樁后放坡土體高出樁頂8.5m，該土坡坡面起點在樁后4m處，樁后土體最大厚度取36m，樁前土體最大厚度取9.65m。沿計算斷面法線方向取模型寬度為12m，一共包含6根樁。模型中，樁直徑為1m，樁高取24.5m，包括路面以上13.5m和埋在土中的11m。依據(jù)數(shù)值模型的大小合理劃分網格，計算模型單元總數(shù)為87360，網格節(jié)點總數(shù)為93245。模型的邊界條件：左右邊界設置法向約束；下部邊界固定，限制其水平位移和豎向位移；模型的上部邊界面為自由面。在模擬計算過程中，只考慮自重應力場的影響。開挖前后FLAC3D計算模型如圖2所示。

圖2 FLAC3D計算模型

2.4 材料參數(shù)的選取

根據(jù)實際工程地質勘查資料和設計資料，查閱相關規(guī)范，確定材料力學參數(shù)和樁錨支護結構設計參數(shù)，如表1、表2所示。

3 錨桿預應力值的影響

根據(jù)工程實際，數(shù)值模型采用六排錨桿對樁體進行錨固，第一排錨桿錨固點在冠梁處，第二排錨索與第一排錨桿的豎向間距為1.75m，從第三排開始各排錨桿的豎向間距均為2.5m。各排錨索從上至下總長度/錨固長度分別為30.5m/17.5m、28.5m/12.0m、26.5m/16.0m、24.5m/9.0m、20m/7.5m、18m/6m。各排錨桿預應力皆為300kN。

在樁錨支護結構中，錨桿預應力不僅僅給樁體提供支撐以限制樁體變形，同時也會影響樁后土體的變形特征。通過限制錨桿的其他變量，而僅改變預應力值來探討錨桿預應力對樁后土體水平位移、地表沉降、樁體變形等因素的影響。錨桿的傾角均取15°，取錨桿預應力值 為 0kN、100kN、200kN、300kN、400kN、500kN、600kN、700kN、800kN的情況分別建模并進行數(shù)值計算，對比分析在不同預應力值條件下樁后土體的水平位移、坡頂?shù)乇沓两怠扼w變形的變化情況。

3.1 錨桿預應力值對樁后土體水平位移影響

選取模型對稱面處的樁后土體作為分析對象，由于開挖面以下土體的擾動較小，這里只對開挖面以上的樁后土體位移進行分析。將不同錨桿預應力下樁后土體水平位移曲線進行匯總，如圖3所示。

圖3 不同預應力下樁后土體水平位移

由圖3可知：錨索預應力值在一定范圍內與樁后土體的側向位移有著顯著的關聯(lián)性。錨桿預應力值從0kN增大到500kN的過程中對樁后土體水平位移的約束明顯增強，但錨桿預應力值超過500kN后，各預應力值下土體水平位移曲線基本重合，可認為預應力值超過500kN后繼續(xù)提高預應力不能再對土體水平位移的控制起到增強效果。在樁錨支護結構中，從對樁后土體水平位移的控制來看，在一定范圍內增加預應力是一個不錯的選擇，但施加的預應力也不能過大，因為當預應力超出一定界限后并不能起到更好的效果，反而會提高工程造價。

表1 巖土體的特征參數(shù)情況

表2 混凝土及錨桿參數(shù)

3.2 錨桿預應力值對地表沉降的影響

以小土坡坡頂?shù)某两祦矸治鲥^桿預應力值對地表沉降的影響。將不同預應力值下模擬得出的坡頂?shù)乇沓两登€進行匯總，如圖4所示。

圖4 不同預應力下坡頂?shù)乇沓两?/p>

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：各錨桿預應力鎖定值情況下坡頂沉降曲線的變化趨勢基本一致，預應力為0kN時坡頂沉降最大，隨著預應力從0kN增加到500kN，坡頂沉降有明顯減小的趨勢。當預應力超過500kN后再增加預應力鎖定值，對于控制坡頂沉降已起不到效果。由此可得出結論：在樁錨支護工程中，從對樁后地表沉降的控制考慮，在一定范圍內增加預應力能起到很好的控制效果，但當預應力超出一定界限后便不能再起到加強的作用，反而會提高工程造價，此處所得出的這個界限值為500kN。

3.3 錨桿預應力值對樁體變形的影響

選取所建模型中從左往右的第三根樁的變形值進行分析，以樁高為y軸，樁的水平位移為x軸，將不同預應力值條件下的樁體變形曲線進行匯總，如圖5所示。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)：預應力鎖定值為0kN時，樁體位移十分顯著，樁頂位移達到了將近20mm。預應力從0kN增加到500kN的過程中，樁體變形有明顯減小的趨勢。當預應力超過500kN后，如圖5中預應力為500kN、600kN、700kN、800kN的情況下的變形曲線基本重合，說明預應力超過500kN后再增加已起不到減小樁體變形作用。由此可得出結論：在樁錨支護工程中，從對樁體變形控制的考慮，在一定范圍內增加錨桿預應力能起到很好的效果，但當預應力超出一定界限后便不再起到加強的作用，此處得出的界限值也為500kN。

圖5 不同預應力下樁體側向位移

4 結論

（1）錨桿預應力值對樁后土體水平位移、坡頂?shù)乇沓两?、樁體變形等因素皆有影響。在小于某一界限值的范圍內增加預應力，各項變形值顯著減小，變形得到良好控制。但預應力超出這一界限值時可發(fā)現(xiàn)各項變形隨預應力的增加不再有明顯減小。所以，采用超出界限值的錨桿預應力不僅不經濟，而且也沒有效果。本文所給出的界限值為500kN，這是基于此工程實例得出的，有一定的借鑒意義，在其他工程中可以進行試驗和數(shù)值模擬對這一界限值加以確定。

（3）以湖南長沙龍?zhí)列W與國防科大間支路路塹邊坡樁錨支護工程實例為背景，綜合考慮變形的控制、施工技術、工程的經濟性及可靠性等因素，從控制邊坡和樁體變形的角度來看，建議錨桿預應力取值范圍為200～500kN。