锚杆加固失稳挡墙的受力特性分析

■杨骁鹏

（宁德沙埕湾跨海高速公路有限责任公司，宁德 352100）

旧挡墙的失稳是公路、铁路、矿山、堤坝等领域普遍存在的问题[1]。旧挡墙的主要荷载是土压力和相关的外来荷载，随着其使用时间的增长，旧挡墙稳定性逐渐减弱，甚至出现不同程度的失稳现象。尤其在频繁的外部荷载、雨水等自然因素的作用下，旧挡墙的失稳现象表现的更加突出。

加固挡墙的方法很多，比如小挡墙加固、抗滑桩加固以及锚杆加固等[2-5]。其中岩土锚固技术由于其力学性能良好、施工方便，在失稳挡墙加固领域应用广泛[6-8]。虽然锚杆加固失稳挡墙技术应用较广，但锚固力、锚杆间距以及锚杆倾角对失稳挡墙加固效果的影响仍不清晰。基于此，本文以福建某公路为例，运用有限元软件ABAQUS对失稳挡墙加固前后的力学性能进行分析，并讨论不同锚固力、锚杆间距及锚杆倾角对失稳挡墙力学性能的影响规律。

1 旧挡墙稳定性分析

1.1 旧挡墙概况

福建某公路边坡支护采用重力式挡土墙 （几何模型见图1所示），其材料物理力学参数见表1所示。由理正设计软件计算挡土墙的抗滑安全系数为0.926，抗倾覆安全系数为1.425，均不满足规范要求。

1.2 旧挡墙受力的数值模拟分析1.2.1 模型和参数

有限元网格划分见图2，采用平面应变四节点单元CPE4。土和挡土墙的参数见表2，其中强风化花岗岩采用莫尔-库伦本构模型，挡土墙采用线弹性模型。

图1 几何模型（单位：m）

图2 模型的网格划分

表1 各材料的参数

1.2.2 结果分析

对原工程旧挡墙进行建模分析，图3～图5分别为旧挡墙水平应力云图、塑性区云图以及水平位移云图，由图可知：（1）旧挡墙的墙趾出现了应力集中，主要原因是坡体整体的位移的方向指向墙趾。（2）坡顶和坡底塑性区贯通，说明了边坡不稳定，容易发生破坏，从而使挡土墙发生坍塌。（3）最大的水平位移出现在坡顶，达到了42.98mm，而坡底的水平位移为10.74mm，所以挡土墙容易产生倾覆破坏。

图3 水平应力

图4 塑性区

图5 水平位移

2 锚杆加固旧挡墙受力分析

2.1 锚杆加固方案

根据以上分析结果，拟采用锚筋措施加固旧挡墙。预应力锚杆：自由段长度La=4m，锚固段长度Lm=8m。共使用了两排锚杆，其间距为2.5m。其几何模型如图6所示：

图6 锚杆加固

2.2 锚固力的影响

图7～图10分别为锚杆加固后Na=300kN时的水平位移云图、竖直位移云图、水平应力云图、塑性区云图。由图可知：（1）最大水平位移发生在墙底，顺着墙往上位移逐渐减小。边坡的水平位移发生在坡底，位移云图呈环状，越往里位移越小。（2）竖向位移呈层状，从上到下位移值逐渐减小。（3）在锚杆和框架梁附近会出现应力集中的现象，应力值最大处会出现在这两个接触节点上，所以设计时必须注意节点的应力集中。（4）塑性区会发生在墙底周围。

图7 水平位移云图

图8 竖直位移云图

图9 水平应力云图

图10 塑性区

图11～图14分别为锚固力Na分别取300、250、200、150、0 kN时旧挡墙的最大水平位移变化图和水平应力、竖向应力、剪切应力变化图（A点表示靠上的锚杆与挡土墙的接触点，B点表示靠下的锚杆与旧挡墙的接触点）。由图可知，（1）旧挡墙最大水平位移随着锚杆锚固力的增大而减小。说明锚固力越大，锚杆对旧挡墙的加固效果越好。（2）水平应力、竖向应力以及剪应力皆随着锚杆拉力的增大而先减小后增大，拐点大概都为Na=300kN左右。这可以说明并不是越大的锚固力越好，过大的预应力会使旧挡墙产生很大的应力集中。

图11 旧挡墙最大水平位移变化

图12 水平应力变化

图13 竖向应力变化

图14 剪切应力变化

图15表示在不同的锚固力下，墙身水平位移的变化。由图可知，旧挡墙最大的水平位移发生在墙底。中间的两个拐点主要是由于锚杆的影响，而导致水平位移相对于周围的小。随着锚固力的增大，墙体整体的水平位移会变大。

图15 墙身水平位移的变化

2.3 锚杆间距的影响

图 16表示锚杆间距 S分别取 3.5、2.5、2、1.5m 时，墙身的水平位移的变化。可以看出，墙底的水平位移最大，墙顶的位移最小，甚至会出现负位移，而中间的两个拐点间距与锚杆的间距相符，锚杆的存在限制了接头点的水平位移。间距越大，墙底和墙顶的位移差值会更小。

图16 墙身水平位移对比

2.4 锚杆倾角的影响

图17表示锚杆与水平方向的夹角 （逆时针为正）分别取 α=10°、15°、20°、30°时，墙身的水平位移的变化。 可以得出最大水平位移都是在墙底，位移曲线两个拐点的距离差不多，其中α=10°时，坡顶坡底的位移差最大，α=30°时，坡顶坡底的位移差最小。四条曲线比较接近，所以锚杆的角度对旧挡墙的位移影响不明显。

3 结论

（1）锚杆对失稳挡墙进行加固后，最大的水平位移发生在墙底部分。锚固力越大，水平位移越小。墙顶会发生向边坡方向很小的负位移。加固后锚杆结点处的旧挡墙水平位移会减小且小于旁边位移。间距越大，墙底最大的水平位移越小，且墙底与墙底的位移差值越小。锚杆角度对挡土墙位移的影响不大。

图17 墙身水平位移对比

（2）加固前，应力集中出现在旧挡墙的墙趾上；而使用锚杆加固会出现三个应力集中部位，锚杆的两个节点和墙底。锚固力变化时，最大的集中应力会出现一个最低值，大概为Na=300kN左右时，之后越大的锚固力产生的应力集中越严重。两锚杆的间距越小，越容易发生应力集中现象。所以设计施工时，这方面应该注意。

（3）加固前，失稳挡墙上部的位移会大于下部的位移，所以容易发生倾覆破坏；锚杆加固后，失稳挡墙底部的位移比顶部的位移大，底部会先发生滑移破坏。

（4）加固前边坡坡顶到坡脚整体贯通；而锚杆加固后，塑性区不会发生贯通，只在失稳挡墙墙角区域出现部分塑性区。因此，锚杆加固失稳挡墙效果良好。

随着锚固力增大，最大的集中应力会逐渐降低至最低值，之后越大的锚固力产生的应力集中越严重；锚杆间距越小，越容易发生应力集中现象。

[1]何善国.病险及旧挡土墙加固改造途径与措施探讨[J].水利规划与设计,2013（02）:30-34.

[2]赵雪.挡墙加固边坡的稳定分析方法研究[D].浙江海洋大学,2017.

[3]马全珍,钟秀梅,张宝华.失稳重力式挡土墙加固方法的探讨与应用[J].山西建筑,2011,37（12）:71-72.

[4]陈力华.公路隧道节理围岩锚杆荷载传递规律及锚固功效研究[D].重庆大学,2016.

[5]闫琴.山区公路挡墙加固技术探讨[J].青海交通科技,2017（05）:78-79.

[6]杨闫.边坡荷载变化时锚杆加固计算模型[D].重庆大学,2012.

[7]卢瑞娜.锚杆挡土墙加固时锚固段群锚效应研究[D].重庆大学,2013.

[8]程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报，2001.34（3）:7-16.