预应力锚索抗滑桩在公路边坡加固中的应用研究

刘玉莲

(广西交通技师学院，广西 南宁 530001)

0 引言

在山区修建公路、铁路等工程难免会受到不良地质的影响，在这些区域进行开挖施工形成的高陡边坡往往稳定性达不到设计要求，这就需要采取一些可靠的措施进行加固和防护。预应力锚索抗滑桩联合加固具有受力状态合理、截面尺寸小、锚固深度浅、节约工程造价等多种优势，在现代公路工程中被广泛使用[1-5]。但是目前关于预应力锚索抗滑桩的理论研究还远远落后于工程实践，特别是影响预应力锚索抗滑桩加固效果的主要因素及参数优化方面还存在许多缺陷。为了指导工程实践，本文设计开展了锚索布设位置、桩间距、土体内摩擦角、土体粘聚力四种参数影响下的加固效果研究，并对各影响因素的敏感性进行了分析，可为预应力锚索抗滑桩在公路边坡治理工程中的合理设计和施工提供借鉴。

1 模型建立

1.1 数值模型

利用FLAC 3D软件结合某实际工程建立边坡数值模型。该边坡数值模型包括基岩和滑体两部分，基岩沿路线方向取20 m，垂直于路线方向取18 m，基岩左侧高度为10 m；滑体沿路线方向取20 m，垂直于路线方向取15 m，滑体左侧高度为15 m，右侧高度为10 m，滑坡角为18°。边坡的坡率大小为1∶1。抗滑桩截面尺寸为1 m×1 m，桩身长度为15 m，锚固段长度为5 m，沿滑体长度方向布设数根抗滑桩。锚索结构单元的长度为14.5 m，锚固长度为3.5 m，自由段长度为11 m，在每根抗滑桩上布设一根预应力锚索，锚索的倾角大小为15°。预应力锚索抗滑桩加固边坡模型如图1所示。

(a)边坡模型 (b)抗滑桩模型 (c)预应力锚索模型图1 预应力锚索抗滑桩加固边坡模型云图

1.2 模型参数设置

边坡滑体与基岩之间的节理和断层利用接触面来表示，滑体和基岩材料均视为弹塑性材料，并采用摩尔-库仑模型进行模拟。基岩和滑体的模型参数情况如表1所示。由于抗滑桩的弹性模量和强度较边坡滑体大得多，因此抗滑桩桩体采用线弹性模型，桩体的剪切模量设置为5 000 MPa，桩体的体积模量设置为5 000 MPa。基岩与滑体、抗滑桩与基岩、抗滑桩与滑体之间包括三种接触面，每种接触面的参数情况如表2所示。预应力锚索采用cable结构单元进行模拟，锚索参数情况如下页表3所示。

表1 基岩和滑体模型参数表

表2 不同接触面参数表

表3 锚索参数表

1.3 模拟工况设置

影响预应力锚索抗滑桩加固效果的因素较多，如锚索布设位置、桩间距、土体内摩擦角、土体粘聚力、锚索角度、锚索长度等，由于锚索角度和锚索长度是设计定值，因此，本文主要针对前面四个因素进行不同工况下的模拟分析。锚索布设位置共设计7种工况，分别为距桩顶0、1 m(1/15l)、2 m(2/15l)、3 m(3/15l)、4 m(4/15l)、5 m(5/15l)、6 m(6/15l)处；桩间距(桩中心距)共设置2 m、4 m、6 m、8 m、10 m这5种工况；改变土体的内摩擦角，将土体内摩擦角分别设置为20°、25°、30°、35°、40°、45°这6种工况；改变土体粘聚力，将土体粘聚力分别设置为12 kPa、13 kPa、15 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa这7种工况。

2 模拟结果分析

2.1 锚索布设位置的影响

模拟得到的不同锚索位置距桩顶距离下的桩身应力和桩间土最大位移情况如图2所示。由图2可知：随着锚索位置距桩顶距离的不断增大，桩身应力和桩间土最大位移均呈先减小后增大的变化特征，且符合二次抛物线的变化规律。当锚索位置距桩顶距离为3 m时，桩身应力和桩间土最大位移均降至最小值，这表明锚索的最佳布设位置应是距离桩顶1/5桩长时最佳，此时桩身变形最小，对桩后土体的位移抵抗作用力最强。

图2 不同锚索布设位置对锚固效果的影响曲线图

2.2 桩间距的影响

模拟得到的不同桩间距情况下桩身应力和桩间土最大位移情况如图3所示。从图3可以看出：随着桩间距的增大，桩身应力和桩间土最大位移均呈线性增大趋势。这是因为桩间距越大，桩体变形及桩身承担的弯矩荷载越大，桩体的安全性降低，桩间距过小时，工程造价又会太高，不利于工程投资。在本次研究当中，当桩间距达到10 m后，桩间土体从桩间挤出，无法形成土拱效应，抗滑桩对滑坡土体的遮挡作用消失，因此，本工况下桩间距应<10 m。

图3 不同桩间距对锚固效果的影响曲线图

2.3 土体内摩擦角的影响

模拟得到的不同土体内摩擦角桩身应力和桩间土最大位移情况如图4所示。由图4可知：随着土体内摩擦角的增加，桩身应力和桩间土最大位移逐渐减小，且成线性降低，内摩擦角越大，桩间土拱效应增强，更容易形成稳定的土拱效应。但是当内摩擦角≤20°后，由于土拱效应太弱，土体无法达到稳定的状态，抗滑桩对土体无法形成有效的拦截作用，导致桩间土从桩间挤出。因此，当桩后土体的内摩擦角<20°时，应采取换填或者减小桩间距的措施进行控制。实际工程中选取的桩后填土材料应结合土体的力学性质和桩间距综合考虑。

图4 不同土体内摩擦角对锚固效果的影响曲线图

2.4 土体粘聚力的影响

模拟得到的不同土体粘聚力情况下桩身应力和桩间土最大位移情况如图5所示。由图5可以看出：随着桩间土粘聚力的增大，桩身最大应力逐渐减小，且呈三次多项式形式减小。当粘聚力为12 kPa时，桩间土体达不到稳定状态，不能形成土拱效应，因此，抗滑桩后填土材料的粘聚力需≥13 kPa；桩间土最大位移随着粘聚力的增大也呈逐渐减小的变化趋势，且符合幂函数形式变化。从图5可以看到：当粘聚力为13～20 kPa时，桩间土的最大位移快速降低；当粘聚力>20 kPa后，桩间土最大位移的降低速度逐渐减缓。

图5 不同土体粘聚力对锚固效果的影响曲线图

3 影响因素显著性分析

从前文分析结果可知：锚索布设位置、桩间距、土体内摩擦角、土体粘聚力这四项因素对预应力锚索抗滑桩的加固效果均产生比较明显的影响，但是在设计过程中应确定优先考虑的因素，因此，根据模拟结果，运用4因素4水平的正交试验方法进行分析。正交试验参数情况如表4所示。

表4 正交试验表

对16种工况下桩间土的最大位移进行计算，结果如图6所示。由图6可以看到：工况6、工况11和工况16桩间土的最大位移最小，且均<0.05 m;桩间土最大位移介于0.05～0.1 m的工况包括工况1、工况5、工况12和工况15；桩间土最大位移介于0.1～0.15 m的工况包括工况2、工况3、工况8和工况14；桩间土最大位移介于0.15～0.2 m的工况包括工况4和工况9；桩间土最大位移>0.2 m的工况包括工况7、工况10和工况13。

对16种工况计算结果进行极差分析，得到四种影响因素的极差值R，如图7所示。由图7可以看到：在四种因素中，桩间距的极差值R最大，其次为土体内摩擦角，再次为锚索布设位置，最小的为土体粘聚力，即在预应力锚索抗滑桩设计过程中，优先考虑顺序依次为：桩间距>土体内摩擦角>锚索布设位置>土体粘聚力。

图7 极差值分析结果柱状图

4 结语

本文采用数值模拟方式，对预应力锚索抗滑桩加固公路边坡的效果进行了分析，重点对锚索布设位置、桩间距、土体内摩擦角、土体粘聚力四种影响参数对桩身受力和桩体变形进行了对比研究，结果表明：

(1)随着锚索位置距桩顶距离的增大，桩身应力和桩土最大位移呈先增大后减小的变化特征。当锚索位置为距离桩顶1/5桩长时，加固效果最好；随着桩间距的增大，桩身应力和桩土最大位移呈线性增大；土体内摩擦角和粘聚力越大，桩身应力和桩土最大位移越小。

(2)当桩后填土材料的内摩擦角<20°或者粘聚力<13 kPa时，应采取换填或者减小桩间距的措施进行变形控制。

(3)根据正交试验极差分析，得出在预应力锚索抗滑桩设计过程中，不同参数的考虑顺序为：桩间距>土体内摩擦角>锚索布设位置>土体粘聚力。