锚桩支护体系中锚杆预应力对支护效果的影响研究

2022-07-10柯宅邦陈小川张骏乐腾胜

安徽建筑 2022年6期

柯宅邦，陈小川，张骏，乐腾胜

（安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽合肥 230031）

1 引言

近年来，桩锚支护结构凭借其支护效果好、成本低等优势被广泛应用于深基坑以及高边坡等，对坡体变形有严格要求的支挡工程中[1～2]。对于桩锚支护结构，其支护效果与结构的各项参数密切相关，如排桩的直径、排桩间距、锚杆的预应力、锚杆的倾角、锚杆的长度等。目前国内外学者主要通过数值模拟的手段对其支护效果开展深入研究。

在排桩间距的直径和间距方面，王健等[3]利用正交试验设计的方法对桩锚支护结构进行参数优化，结果表明，排桩的水平位移受其直径大小影响最为显著，受排桩的间距影响较小。在锚杆倾角方面，刘子巍等[4]利用MATLAB软件对桩锚支护的设计参数进行优化，结果表明，锚杆倾角对锚杆的造价影响很大，对其进行优化后，可以大幅减小工程造价。陈东印[5]、余曼等[6]也做过关于锚杆倾角方面的研究工作。在锚杆预应力方面，傅国庆等运用FLAC 3D软件分析了锚杆预应力对支护效果的影响，结论表明，锚杆预应力在200kN～500kN时支护效果最佳。

本文结合皖南地区某红砂岩滑坡，主要讨论锚杆在不同预应力条件下对边坡的支护效果，通过分析滑坡的位移和安全系数，研究锚杆预应力对边坡支护效果的影响，以期能被实际工程所借鉴。

2 工程概况

某红砂岩边坡位于皖南地区高速公路旁，坡体从上到下共分为3层，依次为砂石土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩，其中砂石土层厚度为5m，强风化层厚度为15m，中风化层厚度为30 m～70m，坡高35m，属于高边坡，坡脚35°。泥质红砂岩遇水极易软化崩解，严重影响边坡安全。结合现场初步评审意见，拟采用锚桩支护结构对该边坡进行支护。

3 模型的建立

3.1 模型的基本假定

①假定该支护结构变形满足平面问题的基本规定；

②假定锚杆为完全弹性体；

③假定岩石和土层为弹塑性材料，屈服条件满足摩尔库伦准则。

3.2 模型计算断面选取

根据现场实际情况，选取典型计算剖面。该剖面自上而下依次为砂石土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。采用锚桩体系进行支护，预应力锚杆进入基岩，锚入基岩深度2m，锚杆间距为2m，倾角设置为30°，锚杆布置后坡体表面进行喷射混凝土锚固。坡底设置抗滑桩，桩距4.0m，采用圆形桩，直径为2.0m，抗滑桩通过预应力锚杆锚固在基岩上。

3.3 数值模型的建立

采用迈达斯岩土软件建立模型，如图1所示。根据实际情况对边坡进行适当简化，从上到下岩性依次为砂石土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。其中：砂石土层厚度平均为5m，强风化平均厚度为15m，中风化层较厚，设置为30 m～70m，边坡宽度为20m，坡高约35m，属于高边坡，坡度为35°。左侧水头设置为30m，右侧水头设置为20m。依据模型的大小合理划分网格，计算模型共有单元数71365，网格节点39657。

图1 数值模型

3.4 材料参数的选取

根据现场勘查资料和实际资料，查阅相关规范，确定岩土体的特征参数和混凝土及锚杆参数见表1、表2所示。

3.5 计算工况

拟计算滑坡在特大暴雨情况下的安全系数，即24h降雨量达到300mm。

4 锚杆预应力值的影响

在桩锚支护结构中，锚杆预应力不仅给桩体提供支撑以限制桩体变形，同时也会影响桩后土体的变形特征。通过限制锚杆的其他变量，而仅改变预应力值来探讨锚杆预应力对桩后最大总位移和安全系数。锚杆的倾角均取30°，取锚杆预应力值为 0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN的情况，分别建模并进行数值计算，对比分析在不同预应力值条件下桩后土体的最大总位移和安全系数。

4.1 锚杆预应力值对坡体最大总位移的影响

分别计算锚杆在不同预应力值的条件下经历特大暴雨后的边坡最大总位移。由图2可知，利用锚桩结构体系对边坡进行加固后，边坡的最大位移出现在桩后土体处，当锚杆的预应力值为0kN、300kN、500kN、800kN、1000kN时，边坡的最大总位移分别为4.44m、1.77m、2.95m、3.22m和3.52m。由此可见，锚杆预应力值从0kN增大到300kN的过程中，对坡体的最大位移约束明显增强，超过300kN后，约束作用逐渐减弱。在桩锚结构体系中，在一定范围内增加锚杆预应力能显著控制坡体的最大位移，但从经济角度来说，不宜过大，因为当预应力超过一定数值后，不能起到好的效果，反而会增加工程造价。