微型桩—锚索系统设计及最优锚固力确定研究

侯宗博 洪 政，2*

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000;2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州 730000)

1 概述

微型桩是一种小口径的钻孔灌注桩，孔径小于300 mm，桩内含有加筋体，根据工程需要，加筋体通常为钢筋、钢管以及废旧钢轨等［1，2］。由于微型桩施工快捷且布置形式灵活，因此近年来在边坡加固工程中得到广泛应用。在微型桩加固边坡的相关研究中，周德培等［3］按照桩—土相互作用原则，讨论了微型桩组合结构的抗滑机制，并按照横向约束的弹性地基梁法提出了设计计算理论;孙书伟等［4-6］针对微型桩群在滑坡推力作用下进行了系统的模型试验，基于梁柱理论和弹塑性地基系数法中的p—y曲线方法，建立了微型桩群加固土质边坡的设计方法。上述研究为微型桩加固边坡的工程应用提供了重要的理论依据。用微型桩加固边坡时，由于微型桩截面较小，所以难以进行大型边坡的加固。为了更好地解决微型桩承载力低的问题，本文将微型桩与预应力锚索相结合，提出了一种微型桩—锚索复合系统。系统中微型桩呈“A”形布置，“A”形微型桩体系对边坡的加固类似于树根，结构整体性好，外力作用下结构变形小，结构抗弯性能好于行列式布置的竖向微型桩群;此外，本系统在保持微型桩原有施工快捷，组合灵活的基础上引入预应力锚索结构，在一定程度上提高了结构的抗滑承载力，并通过数值模拟确定了锚索的最优锚固力。

2 微型桩—锚索系统

微型桩—锚索体系的构造见图1。整个系统由钻孔微型桩、预应力锚索及带肋板的L形预制件组成。带肋板的L形钢筋混凝土预制件，其底板预留微型桩孔，侧面预留锚索孔。微型桩的加筋体通过底部预留孔，利用短钢筋将微型桩内主筋焊接在刚性垫板上，工后采用混凝土将预制件肋板之间的区域进行浇筑，从而实现对锚头和焊接部位的保护。微型桩—锚索系统由于引入了预应力锚索，结构可以承受较大的外荷载，可单独或与其他结构物联合用于大型边坡加固工程以及滑坡治理等外荷载较大的情形。

图1 微型桩—锚索系统结构图

3 分析方法

本文采用修正Mohr-Coulomb模型［7］描述各种岩土材料的物理力学特性，选用Interface界面单元描述接触面的物理力学性质，选用Pile以及Cable单元对微型桩—锚索系统的微型桩和锚索的力学行为进行模拟。

3.1 接触面的模拟

Interface单元可模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性，图2为该单元的力学模型。在Interface单元中，弹性阶段的法向力和切向力可以由下式计算得到:

图2 Interface单元的力学模型

3.2 锚索的模拟

Cable单元是由两个节点定义的直线形单元，每一节点有一个自由度，即和轴线同向的位移分量(见图3)。锚索单元可以受拉或受压屈服，不承受弯矩，力学模型及材料特性如图4，图5所示。

图3 锚索单元局部坐标系及自由度

3.3 微型桩的模拟

Pile单元的刚度矩阵与梁单元相同，且能够考虑桩与实体单元的法向和切向摩擦作用。法向和切向摩擦作用通过耦合弹簧来实现。耦合弹簧为非线性、可滑动的连接体，能够在微型桩身节点和实体单元之间传递力和弯矩。

1)切向耦合弹簧的作用。桩土接触面切向的受力行为由切向耦合弹簧来模拟，力学模型如图6所示，模型参数包括刚度ks、粘聚力cs、内摩擦角φs以及截面周长p。

图4 Cable单元力学模型

图5 Cable单元材料力学特性

图6 Pile单元切向弹簧的力学性质

图7 Pile单元法向弹簧的力学特性

2)法向耦合弹簧的力学作用。桩土接触面法向的受力行为由法向耦合弹簧来模拟，力学模型如图7所示，模型参数包括刚度kn、粘聚力cn、内摩擦角φn、截面周长p以及定义缝隙张开属性的参数g。

4 微型桩—锚索系统最优锚固力的确定

在微型桩—锚索系统中，微型桩和预应力锚索联合受力，如何同时发挥二者的最大抗滑能力是研究的关键。为此，本文选用理想边坡模型对微型桩—锚索系统中锚索的最优锚固力进行分析，如图8所示。

模型长54.9 m，高26 m，宽2.4 m，为准三维模型;边坡高10 m，坡率为1∶1.5，坡顶平台宽27.7 m，坡脚平台宽12.5 m。土体容重18 kN/m3，变形模量60 MPa，泊松比0.2，材料内摩擦角20°，粘聚力6 kPa。微型桩孔径0.15 m，桩长 15 m，变形模量25 GPa，泊松比0.2，桩身极限弯矩为5.57 kN·m;微型桩群由正斜桩、反斜桩和竖直桩组成，正斜桩和反斜桩倾角均为15°(注:由竖直桩绕桩顶顺时针旋转为正斜，反之为反斜)。预应力锚索俯角10°，长15 m，其中自由段5.5 m，孔径0.13 m，砂浆与孔壁粘结强度150 kPa。

图8 计算模型

图9为自然边坡的水平位移云图，图中所标区域为水平位移大于1 mm的区域，根据滑动范围，可以近似计算出微型桩—锚索系统布设位置的土体下滑力，E1=329.0 kN/m，考虑模型宽度为2.4 m，总推力为789.6 kN。图10为仅采用微型桩群加固变形土体的模型水平位移云图，由图可以看出，微型桩的加固作用使坡体变形得到了控制，边坡最大水平位移6.98 mm。

图9 模型水平位移云图

图10 微型桩加固模型边坡水平位移云图

为了研究微型桩—锚索系统的承载性能，通过调整滑体容重的办法增大下滑力和施加锚索预应力，计算不同锚固力作用下结构内力特征值的变化规律，从受力的角度提出微型桩—锚索系统的合理化布局。

图11为桩身弯矩特征值随锚索预应力的变化曲线，由图可以看出，对本次计算而言，当锚索预应力约为400 kN时，由下滑力产生的滑面部位桩身弯矩与锚索作用产生的桩顶弯矩最为接近，微型桩受力更合理;从图12位移特征值可以看出，当锚索预应力约为400 kN时，下滑力作用下结构位移最小。对坡体位移而言，随着预应力的增加，坡体位移越来越小，但当预应力超过600 kN以后，坡体产生了越顶滑动破坏，坡体位移又逐渐增大。

图11 桩身弯矩特征值随锚索预应力变化曲线

综上所述，锚索预应力的大小对体系的受力性能有比较大的影响。预应力太小，锚索的作用不能完全发挥;随着预应力的增大，微型桩的抗力作用在逐渐减弱;预应力过大有可能将微型桩与预应力锚索接点拉入坡体，从而在微型桩顶部产生较大的反向弯矩，造成微型桩顶部的材料破坏，对本次计算而言，采用带有三排微型桩的微型桩—锚索系统进行边坡加固(正斜桩和反斜桩倾角均为15°)，当锚索预应力约为400 kN时，系统的抗滑性能最好。

图12 位移特征值随锚索预应力变化曲线

5 结语

1)在既有微型桩的基础上，研究提出了微型桩—锚索系统。本系统在保持微型桩原有施工快捷，组合灵活的基础上引入预应力锚索结构，在一定程度上提高了结构的抗滑承载力。

2)选用理想边坡模型对微型桩—锚索系统中微型桩与锚索的相互作用机制进行分析，研究了最优锚固力的确定，从受力的角度提出微型桩—锚索系统的合理化布局。

3)实际工程中，建议将微型桩与预应力锚索之间接头部位进行焊接，并采用细石混凝土等进行封锚，以保证二者协同受力。

［1］王恭先.滑坡防治工程措施的国内外现状［J］.中国地质灾害与防治学报，1998，9(1):1-9.

［2］陈德中.岩石高边坡综合治理施工技术［J］.铁道工程学报，2004(9):85-88.

［3］周德培，王唤龙，孙宏伟.微型桩组合抗滑结构及其设计理论［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(7):1353-1362.

［4］Shu-Wei Sun，Ben-Zhen Zhu，Jia-Chen Wang.Design method for stabilization of earth slopes with micropiles［J］.Soils and Foundations，2013，53(4):487-497.

［5］孙书伟，朱本珍，郑 静，等.基于极限抗力分析的微型桩群加固土质边坡设计方法［J］.岩土工程学报，2010，32(11):1664-1669.

［6］孙书伟，朱本珍，杨让宏.微型桩群与普通抗滑桩受力特性的室内对比试验研究［J］.岩土工程学报，2009，31(10):1564-1570.

［7］ITASCA.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimension:User’s Guide［M］.Minneapolis:Itasca Consulting Group，Inc.，2005.