何乃貴，尹定鵬

（1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 400000；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)是邊坡加固的一種常見技術(shù)。目前，對預(yù)應(yīng)力錨索的研究主要集中在錨索預(yù)應(yīng)力損失、錨固參數(shù)的研究及工藝研究三個(gè)方面。在預(yù)應(yīng)力損失方面，由于錨索長期工作會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象,需通過再次張拉提高錨索拉力以保證錨固效果[1]；在錨固參數(shù)研究方面，錨固段長度、錨索傾角及預(yù)應(yīng)力等錨固參數(shù)對錨固效果影響較大，錨固參數(shù)在不同工況下具有最優(yōu)解，按最優(yōu)解設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益高[2]；在工藝研究方面，錨索常與抗滑樁、擋墻結(jié)合作為支擋結(jié)構(gòu)，分析樁、土之間存在土拱效應(yīng)，錨索設(shè)計(jì)參數(shù)與樁間土體穩(wěn)定性及抗滑樁承載力之間具有定量關(guān)系。隨著機(jī)械工藝的發(fā)展，先進(jìn)錨索施工器械如高強(qiáng)鉆桿、柔性錨索及微型鉆機(jī)等對推動錨固技術(shù)特別是高精度水平錨索技術(shù)的發(fā)展有著非常積極的作用。

1 工程概況

重慶市軌道四號線一填方邊坡，其填方高度不大，但實(shí)地地形陡峭、現(xiàn)狀擋墻無規(guī)律、設(shè)計(jì)邊坡距離右側(cè)既有隧道近，邊坡加固時(shí)應(yīng)考慮對隧道的影響。該邊坡地層有第四系人工素填土、殘坡積粉質(zhì)黏土、侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂泥巖等，邊坡區(qū)段未見斷層通過，層間裂隙不發(fā)育，無滑坡、危巖崩塌、泥石流、軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害分布。

2 預(yù)應(yīng)力錨索加固施工

根據(jù)項(xiàng)目工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和現(xiàn)場空間狀況分析，采取先修支擋結(jié)構(gòu)再填方的方法施工，具體施工工序：（1）施工錨索鉆孔，注意清孔并埋設(shè)錨索，通過注漿管注漿、補(bǔ)漿。（2）施工抗滑樁和擋墻。樁施工過程中，應(yīng)在樁設(shè)計(jì)錨拉位置點(diǎn)預(yù)留樁錨孔以備后續(xù)錨索封錨。（3）待上述施工完畢后進(jìn)行填方作業(yè)，填方時(shí)禁止大型振動機(jī)械運(yùn)作，減少對原有邊坡擾動，填方后應(yīng)壓實(shí)土體。（4）將錨索在錨拉位置點(diǎn)處張拉，達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力后封錨。施工示意圖如圖1所示。

上述施工方法加固效果需進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以保證邊坡穩(wěn)定及施工安全。

3 邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固效果研究

3.1 計(jì)算模型

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索加固施工示意圖

（1）幾何模型建立。該模型采用midas GTS NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，midas GTS NX可提供完全的三維動態(tài)模擬功能。程序提供應(yīng)力分析、動力分析、滲流分析、邊坡穩(wěn)定分析、預(yù)應(yīng)力錨索分析、襯砌分析和設(shè)計(jì)功能，并提供摩爾庫倫、修正摩爾庫倫、鄧肯—張、修正劍橋等14種本構(gòu)模型，能準(zhǔn)確模擬邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固。根據(jù)右側(cè)填方邊坡的幾何條件、地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)加固材料參數(shù)，先利用AUTO CAD軟件建立邊坡二維幾何模型，導(dǎo)入midas GTS NX后進(jìn)行平面網(wǎng)格劃分，再擴(kuò)展形成三維網(wǎng)格組，根據(jù)巖土體力學(xué)參數(shù)和加固材料參數(shù)建立材料屬性，并對各網(wǎng)格組賦予材料屬性，最后添加荷載及約束進(jìn)行計(jì)算。模型如圖2所示。

圖2 三維邊坡加固模型

（2）模型參數(shù)。該模型中巖土體主要由人工填土、砂巖和泥巖構(gòu)成，原地層主要分上、中、下層，其中上部巖層為7～16m砂巖，中層為5m厚泥巖，考慮到地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)尺寸3～5倍范圍內(nèi)變化較大，建模時(shí)取下層砂厚度為54m，模型中填方共建立2處，隧道左側(cè)填方高度為10～14m，隧道上方填方高度為5m，填方土體均為人工素填土。模型中隧道及人防洞支護(hù)體系為C30噴射混凝土加錨桿組合，根據(jù)實(shí)際工程情況，模型中共建立9根抗滑樁，沿縱向間距6m排列，各抗滑樁均為C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁，樁長為28m，其中嵌入土體長度為18m，各樁斷面為2m×1.5m矩形；預(yù)應(yīng)力錨索錨固段長度為8m，模型中錨索設(shè)置為斷面面積為0.025m2的實(shí)心圓形。該模型長194m、寬50m、高78m，單元總數(shù)為155142個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為158202個(gè)。

（3）支護(hù)工況。根據(jù)實(shí)際支護(hù)情況對模型設(shè)置現(xiàn)狀邊坡初始應(yīng)力及變形分析，土體回填后邊坡變形及應(yīng)力分析，加入擋墻、抗滑樁及預(yù)應(yīng)力錨索并進(jìn)行填方后邊坡變形三個(gè)支護(hù)工況。

3.2 模型計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場施工狀況，對預(yù)應(yīng)力錨索加固效果評估最直接的指標(biāo)是邊坡豎向沉降，可通過計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

（1）邊坡沉降變形分析。各工況邊坡豎直方向位移如圖3所示。圖3（a）反映出初始狀態(tài)下邊坡豎直沉降主要發(fā)生在隧道下層砂巖，且整體變形量基本相同，約20mm；隧道左側(cè)砂巖變形較小，約14mm。這是因?yàn)橹袑幽鄮r受上部砂巖重力作用產(chǎn)生壓縮變形，所以上部砂巖出現(xiàn)整體沉降。右側(cè)上部砂巖自重大，故沉降量大；左側(cè)上部砂巖自重小，沉降量較??；下層砂巖彈性模量大，受上部荷載的作用壓縮變形小，沉降小。圖3（b）表示填入素填土且不加任何支護(hù)措施的邊坡沉降，由于主要研究素填土沉降，故將初始位移清零后再進(jìn)行填土變形計(jì)算，可以看出，素填土變形從左至右依次增大，變形圖反映出不加支擋結(jié)構(gòu)填土將導(dǎo)致邊坡變形大，剪切應(yīng)力增大，邊坡將沿最大剪切應(yīng)變形成的圓弧滑動面滑動，在實(shí)際工程中應(yīng)設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)加固邊坡。圖3（c）表示位移清零后加入擋墻、抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索后邊坡沉降變形圖。從圖中可以看出加入擋墻后，填方最大沉降出現(xiàn)在填土中上部，填方不至于變形過大產(chǎn)生坍塌；預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合擋墻及抗滑樁能有效改善填方土體穩(wěn)定性，是邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中的主要形式之一。

圖3 邊坡豎向位移圖

各工況邊坡水平方向位移如圖4所示。圖4（a）反映出初始狀態(tài)下邊坡水平位移主要發(fā)生在隧道右側(cè)上層砂巖，這反映出該邊坡的形成過程中整個(gè)地層水平方向的位移，該處土體已經(jīng)固結(jié)完成，未填方時(shí)邊坡穩(wěn)定。從圖4（b）可以看出，左端素填土變形比右端填土大，原因是左端填方高度比右端高，未加支護(hù)時(shí)填土易沿臨空面滑動變形。圖4（c）表示加入擋墻、抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索后邊坡水平位移圖，圖中顯示加入擋墻后，填方水平位移明顯減小，填方不至于變形過大產(chǎn)生坍塌。通過對比3種工況發(fā)現(xiàn)，對有素填土的邊坡沉降較大，應(yīng)進(jìn)行沉降計(jì)算，邊坡沉降應(yīng)滿足規(guī)范要求；預(yù)應(yīng)力錨索及樁板擋墻能有效控制邊坡變形，是一種良好的邊坡加固結(jié)構(gòu)。

圖4 邊坡水平方向位移圖

（2）邊坡應(yīng)力分析。各工況邊坡最大主應(yīng)力如圖5所示。通過對比3種工況最大主應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，邊坡初始狀態(tài)下的最大主應(yīng)力與填方后的最大主應(yīng)力分布基本相同，但與用預(yù)應(yīng)力錨索加固后的最大主應(yīng)力分布有明顯差異。圖5（c）反映出抗滑樁和擋墻對巖土體的加固主要是給墻后巖土體提供預(yù)壓力，從而抑制巖土體的水平及豎直位移，達(dá)到維持邊坡穩(wěn)定的效果。

各工況邊坡最大剪應(yīng)力如圖6所示。3種工況的邊坡最大剪應(yīng)力圖反映出邊坡初始狀態(tài)下的最大剪應(yīng)力與填方后的最大剪應(yīng)力分布基本相同，但與用預(yù)應(yīng)力錨索加固后的最大剪應(yīng)力分布有明顯差異。圖6（c）反映出抗滑樁和擋墻對巖土體加固時(shí)會由于巖土體作用力受到剪切應(yīng)力，因此在邊坡加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗滑樁的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算和預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力計(jì)算，保證施工安全及邊坡加固方案可行。

圖5 邊坡邊坡第一主應(yīng)力圖

4 結(jié)束語

通過對3種工況的水平位移和豎向位移數(shù)據(jù)對比分析，可得出以下結(jié)論：（1）素填土的沉降較大，在填方邊坡加固時(shí)應(yīng)考慮到填方對邊坡穩(wěn)定性的影響，預(yù)先進(jìn)行穩(wěn)定性分析，盡量先施工擋墻及抗滑樁，再填土，保證施工安全。（2）抗滑樁及擋墻結(jié)構(gòu)會受到較大的土壓力及剪切應(yīng)力，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證其抗壓、抗折和抗剪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。（3）預(yù)應(yīng)力錨索可通過錨索張拉對加固巖土體施加預(yù)應(yīng)力，從而抑制巖土體變形，采取抗滑樁、擋墻和預(yù)應(yīng)力錨索組合的方式進(jìn)行邊坡支護(hù)可達(dá)到良好的加固效果。

圖6 邊坡最大剪應(yīng)力圖