桩锚支护结构中锚杆预应力对支护效果的影响*

傅国庆，李 聪，，蔡亚峰，万小龙，林宇亮

（1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410000；2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410000）

桩锚支护结构由于其发展历史较长、技术体系完备、支护效果好、成本经济而被广泛应用于各类边坡工程中，特别是深基坑和高边坡等对坡体变形有着严格要求的支挡工程中。完善桩锚支护结构的理论研究，提高桩锚支护结构的数值模拟水平，有利于加强对桩体的变形和受力以及对桩后土体变形的预测和分析，对提高桩锚支护结构的安全性、可靠性和经济性有着重要的现实意义。梁文静等[1]运用有限元GTS软件在不同锚杆倾角和不同锚杆锚固段长度情况下分别进行数值模拟，其研究建议布置锚索锚固角在10～15°；张宗辉[2]进行了地下工程预应力锚杆设计方法的研究，得出在裂隙发育的硬岩地下洞室工程中，锚杆重点布置在拱顶受拉破坏区，对于水平成层岩层，锚杆应尽可能与岩层构成直角布置，而在其他条件下，则径向使之构成楔状布置这一结论。此外，陈东印[3]、余曼[4]等也做过关于锚杆倾角方面的研究工作。宋卫康等[5]进行了预应力值对桩锚复合土钉支护结构的影响研究，此研究分析了锚杆预应力值对桩体变形和桩后土体变形的影响。文章基于湖南长沙龙塘小学与国防科大间支路路堑边坡防护工程实例，采用FLAC3D软件进行数值模拟，分析在不同锚杆预应力条件下，桩体和桩后土体以及坡顶土体的变形情况，进而研究预应力对边坡支护效果的影响。

1 工程概况

龙塘小学与国防科大支路工程设计路线全长约1.3km。该项目路基处理以挖方为主，K0+205～K0+525、K0+682～K0+965左侧路堑边坡地质概况为粉质黏土和强风化板岩，遇水易受冲刷和软化，部分边坡切深达14m，坡顶有重要的建筑物距道路红线较近；受国防科大侧用地限制，无较大放坡空间。结合初步设计评审意见，此次设计采用桩锚支护结构体系对路堑式边坡进行支护。现场施工图如图1所示。

2 模型的建立

2.1 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条件。

图1 现场施工图

（2）假定该锚杆为完全弹性体，锚杆采用cable单元。

（3）假定土体为弹塑性材料，模拟其塑性特性时屈服条件符合Mohr-Coulomb屈服准则。

2.2 模拟计算断面选取

根据工程实际情况，在该段边坡支护工程中，选取K0+396为计算剖面，该剖面高度最高，从坡顶到开挖后的路面标高距离为22.23m。该剖面一共分为三层土，边坡最上层为硬塑粉质黏土层，层厚为6.866m；中间层为强风化泥质板岩，层厚为14m；最下层为中风化砾岩，层厚为20.5m。该剖面桩后土体不是水平面，而是一个有一定坡度的小山丘，该小山丘采取的是放坡处理。该计算剖面适用于K0+340～K0+430段，该段采用桩锚支护，桩距2.0m，采用圆形桩，直径为1.0m，冠梁的截面尺寸均为1.0m×0.8m。

2.3 数值模型

对所模拟的断面K0+396，根据实际工况以及网格的选取进行适当简化：取最上层硬塑粉质黏土层厚度为6.5m，中间强风化泥质板岩厚度为14m，最下层中风化砾岩层厚度为17.5m，开挖高度为13.5m，被开挖体为一斜坡体，坡面为一倾斜平面。桩后放坡土体高出桩顶8.5m，该土坡坡面起点在桩后4m处，桩后土体最大厚度取36m，桩前土体最大厚度取9.65m。沿计算断面法线方向取模型宽度为12m，一共包含6根桩。模型中，桩直径为1m，桩高取24.5m，包括路面以上13.5m和埋在土中的11m。依据数值模型的大小合理划分网格，计算模型单元总数为87360，网格节点总数为93245。模型的边界条件：左右边界设置法向约束；下部边界固定，限制其水平位移和竖向位移；模型的上部边界面为自由面。在模拟计算过程中，只考虑自重应力场的影响。开挖前后FLAC3D计算模型如图2所示。

图2 FLAC3D计算模型

2.4 材料参数的选取

根据实际工程地质勘查资料和设计资料，查阅相关规范，确定材料力学参数和桩锚支护结构设计参数，如表1、表2所示。

3 锚杆预应力值的影响

根据工程实际，数值模型采用六排锚杆对桩体进行锚固，第一排锚杆锚固点在冠梁处，第二排锚索与第一排锚杆的竖向间距为1.75m，从第三排开始各排锚杆的竖向间距均为2.5m。各排锚索从上至下总长度/锚固长度分别为30.5m/17.5m、28.5m/12.0m、26.5m/16.0m、24.5m/9.0m、20m/7.5m、18m/6m。各排锚杆预应力皆为300kN。

在桩锚支护结构中，锚杆预应力不仅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土体水平位移、地表沉降、桩体变形等因素的影响。锚杆的倾角均取15°，取锚杆预应力值 为 0kN、100kN、200kN、300kN、400kN、500kN、600kN、700kN、800kN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水平位移、坡顶地表沉降、桩体变形的变化情况。

3.1 锚杆预应力值对桩后土体水平位移影响

选取模型对称面处的桩后土体作为分析对象，由于开挖面以下土体的扰动较小，这里只对开挖面以上的桩后土体位移进行分析。将不同锚杆预应力下桩后土体水平位移曲线进行汇总，如图3所示。

图3 不同预应力下桩后土体水平位移

由图3可知：锚索预应力值在一定范围内与桩后土体的侧向位移有着显著的关联性。锚杆预应力值从0kN增大到500kN的过程中对桩后土体水平位移的约束明显增强，但锚杆预应力值超过500kN后，各预应力值下土体水平位移曲线基本重合，可认为预应力值超过500kN后继续提高预应力不能再对土体水平位移的控制起到增强效果。在桩锚支护结构中，从对桩后土体水平位移的控制来看，在一定范围内增加预应力是一个不错的选择，但施加的预应力也不能过大，因为当预应力超出一定界限后并不能起到更好的效果，反而会提高工程造价。

表1 岩土体的特征参数情况

表2 混凝土及锚杆参数

3.2 锚杆预应力值对地表沉降的影响

以小土坡坡顶的沉降来分析锚杆预应力值对地表沉降的影响。将不同预应力值下模拟得出的坡顶地表沉降曲线进行汇总，如图4所示。

图4 不同预应力下坡顶地表沉降

由图4可以发现：各锚杆预应力锁定值情况下坡顶沉降曲线的变化趋势基本一致，预应力为0kN时坡顶沉降最大，随着预应力从0kN增加到500kN，坡顶沉降有明显减小的趋势。当预应力超过500kN后再增加预应力锁定值，对于控制坡顶沉降已起不到效果。由此可得出结论：在桩锚支护工程中，从对桩后地表沉降的控制考虑，在一定范围内增加预应力能起到很好的控制效果，但当预应力超出一定界限后便不能再起到加强的作用，反而会提高工程造价，此处所得出的这个界限值为500kN。

3.3 锚杆预应力值对桩体变形的影响

选取所建模型中从左往右的第三根桩的变形值进行分析，以桩高为y轴，桩的水平位移为x轴，将不同预应力值条件下的桩体变形曲线进行汇总，如图5所示。

由图5可以发现：预应力锁定值为0kN时，桩体位移十分显著，桩顶位移达到了将近20mm。预应力从0kN增加到500kN的过程中，桩体变形有明显减小的趋势。当预应力超过500kN后，如图5中预应力为500kN、600kN、700kN、800kN的情况下的变形曲线基本重合，说明预应力超过500kN后再增加已起不到减小桩体变形作用。由此可得出结论：在桩锚支护工程中，从对桩体变形控制的考虑，在一定范围内增加锚杆预应力能起到很好的效果，但当预应力超出一定界限后便不再起到加强的作用，此处得出的界限值也为500kN。

图5 不同预应力下桩体侧向位移

4 结论

（1）锚杆预应力值对桩后土体水平位移、坡顶地表沉降、桩体变形等因素皆有影响。在小于某一界限值的范围内增加预应力，各项变形值显著减小，变形得到良好控制。但预应力超出这一界限值时可发现各项变形随预应力的增加不再有明显减小。所以，采用超出界限值的锚杆预应力不仅不经济，而且也没有效果。本文所给出的界限值为500kN，这是基于此工程实例得出的，有一定的借鉴意义，在其他工程中可以进行试验和数值模拟对这一界限值加以确定。

（3）以湖南长沙龙塘小学与国防科大间支路路堑边坡桩锚支护工程实例为背景，综合考虑变形的控制、施工技术、工程的经济性及可靠性等因素，从控制边坡和桩体变形的角度来看，建议锚杆预应力取值范围为200～500kN。