基于FLAC3D 预应力锚索抗滑桩锚固角度优化研究

2021-01-21唐云波

科学技术创新 2021年2期

唐云波

（重庆交通大学土木工程学院，重庆400041）

目前，预应力锚索抗滑桩支挡结构已经成功应用于矿山建设、高陡边坡、地下洞室等大型民用工程中[1]。实践证明预应力锚索抗滑桩对边坡具有良好的加固效果，尤其是在对高边坡的加固较一般抗滑桩具有很好的加固效果。已有的研究已证实了在锚索的约束作用下，桩顶位移可得到有效控制，桩身内力发生根本性的变化[2-5]。综上分析可见，前人的研究主要集中在预应力锚索抗滑桩支护结构工程实例分析及设计方法上的探讨，而针对预应力锚索锚固角度研究甚少，针对这一问题，本文采用数值模拟的手段计算与分析了锚固角度不同的条件下边坡变形及支护结构的受力情况。

1 数值模型建立

本文建立的FLAC3D 分析模型对实际工程中的抗滑桩情况进行了一定的简化，滑坡体主要由上层的土体组成，下部为基岩层。岩土体及抗滑桩物理力学参数见表1。

表1 模型材料力学参数

在本文模拟中，岩土体本构模型为摩尔－库伦模型，模型尺寸长70m，宽21m，高45m。模型底部采用全约束，即约束其水平及垂直方向的变形，模型两侧约束其水平向变形，模型顶部无约束，在进行重力作用下的初始地应力计算之后，由于要对模型左侧上部土体X 正方向施加滑坡推力，因此需要把此处的约束进行释放。抗滑桩本构模型为线弹性模型，抗滑桩的截面尺寸长2m，宽1.5m，高16m，埋入基岩体8m，桩间距为8m。预应力锚索采用cable 单元，锚索锚固点距顶面1.5m，锚固段长度为6m，自由端长度为12m，锚索采用5 束7 丝钢绞线，锚固段均位于边坡底部的基岩中。此时模型共包括51065 个单元，53978 个节点，具体网格的网格的划分如图1 所示。

计算时分为5 种工况，即锚索锚固角度分别为30°、33°、36°、39°、40°、45°，分别对应于工况1～5，本文主要分析不同工况下边坡的位移及支护结构的内力分布情况。

2 数值模拟计算结果与分析

2.1 预应力锚索对坡体及抗滑桩位移变化情况

图1 模型网格划分图（单位：m）

预应力锚索作用前边坡位移分布情况见图2。由图2b 可见，边坡最大水平位移X 为166.16mm，位于坡体顶部，这是由于在左上模型边界上施加下滑力导致坡顶X 位移较大。抗滑桩最大位移位于抗滑桩顶部为50.08mm。

图2 预应力锚索作用前边坡位移分布情况

预应力锚索作用后的边坡位移分布情况见图3，为工况1即锚索锚固角度为30°数值模拟与计算结果。由图3 可见，边坡最大水平位移为160.01mm，位于坡体顶部。抗滑桩最大位移位于抗滑桩顶部为38.23mm。由此可见，预应力锚索的作用范围有限，对坡顶的影响很小。主要是对坡底的作用影响较大，很大程度上制约坡底及抗滑桩的最大位移，能较好的对抗滑坡影响。因此，以下着重分析各种工况下坡底各种参数变化规律。其余工况所得规律与工况1 类似，因此不再赘述。

图3 预应力锚索作用后边坡位移分布情况

2.2 各工况边坡稳定性对比

各工况边坡最大位移对比情况见图4。由图4 可见，当锚索锚固角度从30°变化到36°时，边坡的位移改变较小；当锚索锚角度从36°变化到42°时，坡底位移逐渐增大；而当角度由42°变化到45°时，位移突然增大至45mm。说明锚索锚固角度在45°附近时，边坡的位移开始突然增大，锚固效果大大减小。锚固角度在30°至33°时，边坡位移变化比较明显。锚固角度在33°至36°时变化平缓，说明在这一锚固角度范围内边坡位移变化不大，对工程施工来说有很好的控制能力。

图4 各工况边坡最大位移对比

2.3 各工况锚索轴力对比

根据模型锚索受力分析各工况预应力锚索的轴力分布规律一致，锚索自由段轴力大小相同，进入锚固段之后轴力逐渐减小，且其分布规律与实际情况是吻合的，说明锚索相关参数设置是合理的，而锚固段末段轴力变化均有很大程度减小，说明锚索处于正常工作状态。根据图5 可见，各工况下预应力锚索自由端的最大轴力随着锚固角度的增大而减小，说明角度越小所受的轴力越大，预应力锚索的自由端的所发挥的作用越大，对边坡位移更好的作用，也能发挥锚索的最佳性能。其中锚固角度在30°至33°时，轴力的变化相对来说比较小，说明在这各范围内，锚索的受力都是比较恰当的。而锚索最小轴力集中在锚固段，且各工况下锚索轴力变化不大，说明角度的变化对锚固段的影响不是很大，也侧面说明锚固段的都处于正常锚固状态。