预应力锚索抗滑桩边坡稳定性研究

■刘 波 ■重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074

1 引言

预应力锚索抗滑桩是滑坡治理工程措施之一，它是在抗滑桩的基础上发展起来的，广泛应用于铁路、公路等滑坡的治理工程中。它是一种组合结构。通过在普通悬臂式抗滑桩的顶部设置可承受一定预应力的锚索，使抗滑桩由被动受力变为主动受力状态。从而减小抗滑桩的内力和变形，减小桩的截面尺寸和埋深，降低工程造价【1】。

本文基于midas/GTS 有限元程序，以江北区站前路东段工程中预应力锚索抗滑桩加固的高边坡为工程实例，利用用有限元强度折减法对其受力状况进行分析。

2 有限元强度折减法

在有限元静力稳态计算中，如果模型为不稳定状态，有限元计算将不收敛，基于此原理，在非线性有限元边坡稳定性分析中，通过降低结构面的强度(粘聚力和内摩擦角)，使系统达到不稳定状态，有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数就是边坡稳定安全系数。在强度折减法计算过程中，把土体粘聚力和内摩擦角按如下公式进行折减【2-6】:

式中:c、φ 分布为材料的粘聚力和内摩擦角;c'、φ'别为折减后的粘聚力和内摩擦角。

在有限元计算中，目前广泛采用的理想弹塑性模型是摩尔-库伦屈服准则，即:式中I1，θσ，J2依次为应力张量的第1 不变量、洛德(Lode)角和应力偏量的第2不变量;c、φ 分别为岩土的粘聚力和内摩擦角。

3 工程实例

3.1 工程概况

站前路横跨渝北与江北两区，为东西走向的城市主干道，站前路东段道路西起龙头寺火车站前现状泰山路，向东下穿渝鲁大道(五童路)、海尔路及行政中心东侧道路，东止于与溉北路相交交叉口，线路全长约2080m，双向六车道，规划红线宽44m，分为渝北、江北两段。该段道路主要以挖方为主，头尾两侧有少量填方。挖方段将形成的挖方岩质边坡最高约39.88m，填方段将形成的填方土质边坡最高约7.36m。本次计算选取最典型边坡截面进行计算，边坡高56m，全为中风化泥岩。

3.2 单元及边界条件的选取

数值模拟时的材料视为理想弹塑性材料，采用摩尔-库伦屈服准则，边界条件为左右两侧水平约束，下部固定，上部为自由边界。边界大小应该计算的精度要求，本算例采用计算边界为:坡脚到左端边界的距离为坡高的1.5 倍(84m)，坡顶到右端边界的距离为坡高的2.5 倍(140m)，上下边界总高度为坡高2 倍。(112m)

表1 物理力学参数

表2 截面和接触特性参数表

4 模拟计算结果与分析

(1)不同设计情况下边坡安全系数

图2 等效塑性区云图安全系数1.3375

图3 等效塑性区云图安全系数1.2375

(2)不同设计情况下抗滑桩内力情况

图4 抗滑桩y 轴方向弯矩

图5 抗滑桩y 轴方向弯矩

预应力锚索抗滑桩最大最小弯矩值分别为3950kN.m，-3430kN.m，最大最小值绝对相差15.2%。

普通抗滑桩最大最长弯矩值分布别为5014kN.m，-2377kN.m，最大最小值绝对相差110.9%。

通过两种不同设计方法的比较可以得出如下结论:(1)预应力锚索抗滑桩加固边坡可以有效的提高边坡的安全系数，比起未施加预应力的抗滑桩加固形式可以提高边坡安全系数8.1%;(2)预应力锚索边坡抗滑桩可以优化抗滑桩内力分布情况，对于优化设计非常有利。

［1］预应力锚索抗滑桩支挡结构体系数值模拟研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2008，9(3):50～53.

［2］赵尚毅，郑颖人，时卫民等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］.岩土工程学报，2002，24(3):343～346.

［3］赵尚毅，郑颖人，邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析［J］.岩土工程学报，2003，22(2):254～256.

［4］高峰，李俊.地震作用下滑坡的稳定性分析及治理［J］.重庆交通大学学报，2011，2:第30 卷第1 期.

［5］郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡的运用［J］.岩土工程学报，2002，24(3):343～346.

［6］冯锡勇.含有软弱结构面的岩质边坡稳定性分析［J］.江西建材，2015，2(155):146～146.