加固软土质高边坡的压力分散型预应力锚索锚固机理分析

邱香港（福州市规划设计研究院，福州350003）

加固软土质高边坡的压力分散型预应力锚索锚固机理分析

邱香港
（福州市规划设计研究院，福州350003）

本文以省道202工程中K5+300～K5+634左侧路堑高边坡加固为工程背景，主要利用Abaqus三维实体有限元软件分析研究压力分散型预应力锚索工作时的受力机理，验证其优于普通拉力型预应力锚索的结构体系，适用于软土质高边坡的主动加固处理，为今后普通公路边坡软土质高边坡加固措施提供借鉴经验。

压力分散型预应力锚索边坡稳定无粘结钢绞线钢制承载体Abaqus

0 引言

软土质边坡的岩体大部分承载能力低，并且稳定性差。目前高速公路对于大面积的软土质高边坡，通常采用抗滑桩加固措施保证边坡的稳定性。抗滑桩是通过利用岩体残余强度的一种被动加固方法，而且工程造价较高，但对于普通公路项目普遍面临资金紧张的问题。如果能找到一种通过充分挖掘软岩自身具有的峰值强度的加固方法，取代传统保守的抗滑桩加固措施，将能够有效的节省工程造价。压力分散型预应力锚索框架就是一种既能将软岩的峰值强度得以有效利用，又能解决软岩低强度问题的主动型加固措施。

普通拉力型预应力锚索工程应用时存在较多的缺陷。一方面，锚索在锚固长度上的粘结应力分布不均匀，容易发生失稳破坏。另一方面，锚固段近端的粘结应力存在严重的集中现象而造成锚索损坏。而新型的压力分散型预应力锚索是一种通过无粘结钢绞线上的若干个钢制承载，将预应力有效转化为均匀的压力挤压注浆体上的锚固技术，能够显著提高锚索在岩土体中的锚固力，因而具有较广泛的应用前景。

1 工程概况

省道202线古田高头岭至局下段公路改建工程，按一级公路标准设计，主线道路总长11.126km，路基宽度24m、36m，设计行车速度60km/h。其中K5+300～K5+634段左侧边坡最高约60m，是一种软土质高边坡，采用全断面压力分散型预应力锚索框架加固方案。

边坡设计总共分7个级别设计：第一级坡率1∶1.0，设置8m高片石砼挡墙；第二至第七级坡率分别为1∶1.25，采用压力分散型预应力锚索框架加固处理，框架及两侧采用液压客土喷播。单孔锚索的锚固力为700kN，锚索的锚固倾角为20°，边坡一阶8m高度范围内设置两层锚索，每一层锚索横向每隔4m设置一个锚索孔，同时将每个锚索孔采用钢筋砼梁联系起来，从而形成一个锚索加固群，如图1所示。

图1 左侧边坡加固立面设计图

对于锚固长度的控制按以下原则控制：进入砂土状的预应力锚索锚固段长度≥12m，进入碎块状或中风化岩层的的预应力锚索锚固段长度≥10m，如图2所示。

图2 边坡加固断面设计图

2 压力分散型预应力锚索的特点及机理

2.1 结构特点

根压力分散型预应力锚索主要由自由段及锚固段两个区段组成，如图3所示，在锚头区域主要采用HVM锚具组合螺旋弹簧钢筋用于预应力张拉，自由段内布置的架线环可固定住无粘结钢绞线，而该锚索的核心部位就在于锚固段放置的钢制承载体，钢制承载体的设置数量是根据加固需要而定，每个钢制承载体通过固定设备（通常采用压弹簧和挤压套）与无粘结钢绞线相连接，放置锚索的钻孔最后需要用强度不小于40MPa水泥注浆体填充。

图3 压力分散型预应力锚索构造简图

2.2 工作机理

压力分散型预应力锚索是一种将拉力转化为分散布置压力形式的锚索。锚索经荷载作用后，拉力由无粘结钢绞线作用到钢制承载体上，钢制承载体再以分散压力作用于锚固段的注浆体。这样一方面因为荷载的分散作用使得注浆体和锚固段四周岩土之间的应力得到消减，另一反面因为注浆体处于三维受压状态而使锚索的锚固性能得到大大改善。压力分散型预应力锚索新型的传递荷载方式可以很好的利用周围岩土体的强度，从而提高锚固质量。

3 加固机理有限元数值分析

3.1 受力模型

传统的普通拉力型锚索的受力机理比较简单，将该锚索的受力状态简化为如图4所示：锚索的自由段锚头受拉力荷载F的作用下，拉力通过锚索中的钢绞线直接传递到锚固段的注浆体上，之后拉力就通过注浆体与岩体间的粘结交界面，最终扩散至锚固段的岩土体中去。

图4 普通拉力型锚索简化力学示意图

压力分散型预应力锚索的受力机理相对复杂，将该锚索的受力状态简化为如图5所示：当自由段锚头受预应拉力F时，无粘结钢绞线与注浆体之间无直接的受力接触，所以预应拉力F将全部通过锚固段内的n个钢制承载体来传递，总预应拉力F分解为作用于n个钢制承载体上的压力1/nF。

图5 压力分散型预应力锚索简化力学示意图

3.2 模型建立

在单个压力分散型预应力锚索孔径向上下左右各取1.5m（即3m×3m）作为有限元模型，根据202省道K5+ 300～K5+634段左侧高边坡设计，压力分散型预应力锚索进入砂土状强风化岩体锚固长度12m，加上其后1m岩土体，共计13m。采用Abaqus网格化的即整个模型如图6～图8所示。

图6 模型岩体有限元分析图

图7 模拟单孔锚索及钢制承载体有限元分析图

图8 模拟注浆体有限元分析图

由于普通拉力型锚索主要构件为钢绞线与注浆体，模型建立时不考虑钢制承载体的存在，主要是建立钢绞线与注浆体单元，岩体单元的建立方式与压力分散型预应力锚索模型相同。

3.3 模型材料参数

建立模型的锚索材料参数取值如表1～3所示。

表1 注浆体、岩体、钢绞线基本参数取值表

表2 接触面的基本参数取值表

表3 钢制承载体基本参数取值表

3.4 模拟结果分析

3.4.1 普通拉力型与压力分散型预应力锚索数值分析结果对比

对普通拉力型与压力分散型单根锚索分别进行了拉拔模拟分析，在拉拔数值模拟过程中，锚固段的注浆体和周围岩体受力状态结果如图9～图14所示（设定轴向以压应力为负值，拉应力为正值）。

（1）锚固段注浆体轴向应力分布

如图9看出，在普通拉力型锚索钢绞线端头施加总张拉力720kN，之后张拉力传递至锚固段的注浆体，在锚固段的初始段出现拉应力集中现象，拉应力峰值达到了9.29MPa，之后拉应力向锚固段的末端迅速衰减，该种锚索在锚固段的初始端头轴向拉应力很大，且注浆体一小段处于高度受拉的状态，很容易导致注浆体自身强度不足而被拉裂破坏。

图9 普通拉力型锚索注浆体轴向应力分布图

如图10看出，压力分散型锚索通过等间距分布的钢制承载体，将锚固段的注浆体隔离分成三个受力区域，将总的720kN拉力分散作用于3个钢制承载体，每个承载体分别所到的压力为240kN。每个承载体前方区域注浆体的压应力峰值为-3.0MPa，远离承载体方向压应力逐步减小，同时在承载体的后方会出现小范围的注浆体被拉拽的现象，出现小范围的拉应力区域。由此可见，压力分散型锚索3个钢制承载体附近注浆体的应力峰值仅为拉力型锚索的1/3，且呈现的是压应力状态，这个应力值的大小与承载体的数量呈反比相关。这种由锚索所受的总拉力分解转化为若干个注浆体受压区段的分布形式，表明了压力分散型锚索在结构受力上优于普通拉力型锚索。

图10 分散压力型预应力锚索注浆体轴向应力图

（2）锚固段内注浆体与岩土体接触界面剪应力分布

两种锚索的注浆体与岩体间接触面的剪应力分布如图11和图12所示。

普通拉力型锚索锚固段浆体-岩体接触面上在受力的端部区域剪应力达到峰值，随着锚固段深度加长，剪应力也逐渐递减；压力分散型锚索在接触面上的剪应力峰值明显小于普通拉力型锚索，而且在承载体所分的3个区域内剪应力分布大小都极为相似，从承载体附近的剪应力峰值1.27MPa逐渐向两侧衰减为均值为0.5MPa的剪应力，剪应力峰值与两个承载体间剪应力差值不大，能使剪应力较为均匀的分布在锚固段内，充分发挥注浆体自身的抗剪强度。

图11 普通拉力型锚索接触面剪应力分布图

图12 分散压力型预应力锚索接触面剪应力图

（3）锚固段内岩土体轴向应力分布

如图13和图14所示，普通拉力型锚索在拉拔过程中，在锚固段岩土体的端部出现集中的拉应力峰值为0.64MPa，之后受拉区的拉应力沿着锚索的径向慢慢扩大，在端部区域出现一个“梨状”的应力扩散形式；压力分散型锚索的岩土体轴向应力则是以承载体为中心沿锚索两边扩散，呈现出多个“橄榄状”的应力扩散分布形式，而且应力的峰值仅为0.093MPa，远小于普通拉力型锚索产生的拉应力值，这充分论证压力分散型锚索对岩土体的峰值强度要求低，更加适用于加固软土质高边坡。

图13 普通拉力型锚索岩土体轴向应力分布图

图14 分散压力型预应力锚索岩土体轴向应力图

3.4.2 压力分散型预应力锚索中承载体数量影响分析

压力分散型预应力锚索的工作机理是通过不同数量的承载体将荷载进行分散，所以压力分散型锚索的加固性能与设置多少数量的承载体有着密切的联系。

本文选择压力分散型预应力锚索设置不同数量的承载体进行计算模型，在锚固段长度12m范围内，取总的锚固力为720kN，分别建立钢制承载体数量为2、3和4个的三组数值模型。

（1）锚固段内注浆体与岩土体接触面的剪应力分布比较

注浆体与岩土体间的接触面剪应力在承载体处的峰值下降幅度与承载体的增加的个数成相应的比例，统计的结果如图15所示。

图15 承载体个数与接触面剪应力关系图

当承载体数量由2个变为3个，剪应力峰值从1.89MPa下降为1.27MPa，降低的比例为32%。当承载体数量由3个变为4个，剪应力峰值从1.27MPa下降为1.01MPa，降低的比例为20%。所以从以上统计的数据分析可知，随着承载体数量的增多，剪应力的下降比例也是趋于平缓。但是承载体的数量也不是增加越多越好，在一定的锚固长度内设置合理的承载体数量，不仅能够不造成工程材料浪费，还能保证接触面不会过早出现极限剪应力峰值，注浆体自身强度的有足够的安全储备。

（2）锚固段内岩土体轴向应力分布比较

图16中分别是2个、3个及4个承载体的锚固段内岩土体轴向应力分布图，通过3个图的数值对比，很清楚发现通过增加承载体的数量，岩土体的轴向应力在承载体区域扩散的范围越小。当承载体为2个时，轴向应力扩散的范围较长，呈现明显的“橄榄状”分布；当承载体为3个时，轴向应力区域在沿着锚索方向有所缩短，比2个承载体的“橄榄状”小了很多；当承载体为4个时，出现部分承载体区域的小”橄榄状”应力分布形状有缩小的趋势，这说明岩土体的轴向应力由于承载体数量的增加而发生相应的衰减。

从3组的应力峰值可看出，岩土体轴向应力的变化关系和注浆体相同，都是遵循应力峰值大小与承载体数量成反比的规律；另外从分析数值的变化幅度上可知，从2个承载体增加至3个承载体的应力减小幅度要比从3个承载体增加至4个承载体大，说明并不是在锚固段无限制的增加承载体数量就能让岩土体的轴向应力趋于均匀，在工程实际中应该要根据岩土体的性质设置相应数量的承载体。

图16 总锚固力720kN岩土体轴向应力分布图

5 结论

根据上述不同的试验组计算结果，可以得出以下结论：

（1）采用Abaqus有限元软件建立了在砂土状强风化软质岩体中压力分散型预应力锚索的工作受力模型，进一步了解压力分散型预应力锚索加固机理，从模型的结果中可清楚地观察到锚索各个相关构件的应力分布状态。压力分散型预应力锚索中独特的钢制承载体构件发挥了关键作用，作为锚索拉力的转换体，使得锚孔的注浆体不会遭到直接拉力破坏，加固施加的预应力能最终平衡地消散至岩土体中。

（2）与普通拉力型锚索相比，压力分散型预应力锚索锚固段内注浆体的轴向应力相当于普通拉型锚索的1/n（n为模型中的钢质承载体的个数），通过注浆体的轴向应力、岩土体与注浆体交界面上的剪力应力及岩土体的轴向应力分布这3个指标的比较，对于松散、破碎的软质土体压力分散型预应力锚索可以提供更大的锚固力。

（3）通过在锚固段内适当增加锚索的承载体数量，是降低注浆体、岩土体的轴向应力和提高锚固段的锚固力的有效手段。

[1]侯庆.压力分散型锚杆工作机理与现场试验研究[D].重庆大学硕士学位论文，2003.

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