双排锚拉式抗滑桩受力及变形特征研究

2022-08-17敬静刘博何辉易菲霆徐晓亮

采矿技术 2022年4期

敬静，刘博，何辉，易菲霆，徐晓亮

(1.湖南省湘煤地质工程勘察有限公司，湖南长沙 410014； 2.湖南省地球物理地球化学调查所，湖南长沙 410014； 3.北京中岩大地科技股份有限公司，北京 100000)

0 引言

随着我国经济的高速发展，土地的开发利用与地质灾害治理需求不断增大。目前，在边坡与滑坡的整治中，对支挡结构的强度和刚度提出了更高要求。对于滑坡推力大、墙前临空面高时，以往的单排抗滑桩提供不了足够的抵抗力来满足相关要求，具有更大刚度的锚拉式双排桩能够更好地抗侧移[1]。当前，锚拉式双排桩在深基坑支护及大型滑坡的治理中得到了广泛应用，取得了良好的社会、经济效益。

锚拉式双排桩的结构体系十分复杂，滑坡推力的分配涉及到前后排桩、锚索及桩土的相互作用效应[2-4]。现有的双排桩结构方面的研究主要包括理论分析、数值模拟分析、模型试验研究、工程监测研究等等[5]，其研究对象主要针对单一形式的双排桩。针对锚拉式双排桩，杨慧、李科等[6-7]详细介绍了锚索框架梁在路基高边坡滑坡治理中的应用及施工方法；范刚等[8]对不同开挖过程中桩-土相互作用机理、支护结构内力、变形和土压力分布特征进行研究，讨论排距、桩长和冠梁刚度等参数对基坑稳定性的影响；王星华等[9]在上下部计算模型的基础上，提出预应力锚索+抗滑桩的内力计算方法；张永杰等[10]利用大型振动台模型试验，对双排抗滑桩加预应力锚索加固边坡时预应力锚索轴力的动态响应特征、预应力变化等进行详尽分析。

本文在对湖南某边坡加固工程的双排锚拉式抗滑桩进行内力监测的基础上，结合本项目特征，利用有限元软件PLAXIS对锚拉式双排桩进行了施工工况模拟，从坡体的位移变形、剪力及弯矩等方面进行了综合分析，得到了不同施工工况下桩身内力的分布及变形情况。

1 工程概况和计算模型

1.1 工程概况

边坡紧邻新建居民楼，由于村民在坡体后侧堆土，支护桩前市政管道施工时靠近桩边开挖管沟，造成支护桩变形过大，引发滑坡。

现有边坡采取的支护措施为桩板墙+锚杆，现有支护桩直径为1 m，桩间距为2 m。其中，AB段桩长11.9 m，桩身共设置2道锚杆，锚杆的纵向间距为4.5 m；BC段桩长9.9 m，桩身设置1道锚杆。AB段后部山体的坡面采用锚杆+格构梁的支护方式，BC段坡面采用喷射砼的支护方式。

现需根据现场实际情况，对已经出现滑坡变形破坏迹象的坡体进行加固处理，经方案对比，选用双排桩+预应力锚索的支护方式。前排桩利用原有支护桩，后排桩AB段桩长为20.5 m，采用4排永久锚索进行加固；BC段桩长为21.0 m，选用3排永久锚索进行加固（第2道锚索可利用原有锚索，施工前进行拉拔试验以确定该道锚索承载力，如果承载力满足要求，保留使用；如果承载力不能满足要求，重新施工）。锚索为拉力分散型锚索，采用二次高压劈裂注浆工艺，杆体采用Φs15.2钢绞线，入射角25°，长度为27.5～38.5 m。冠梁外侧设置平台，平台以用选格构梁支护或自然放坡处理。支护高度依据地形而定，坡率为1:（0.7～1.5）。

1.2 计算参数的选择

根据现场勘察情况，选取的岩土层物理力学指标及计算参数见表1。

表1 岩土层力学参数建议值

1.3 施工工况

施工抗滑桩：由于前排桩已经存在，因此仅施工后排桩和连系梁。

第一步开挖：卸掉桩前第一层反压土，预留出第一排锚索的施工平台；施工第一排锚索，并施加预应力。

第二步开挖：卸掉桩前第二层反压土，预留出第二排锚索的施工平台；施工第二排锚索，并施加预应力。

第三步开挖：卸掉桩前第三层反压土，预留出第三排锚索的施工平台；施工第三排锚索，并施加预应力。

第四步开挖：卸掉桩前第四层反压土，开挖至设计地平线，至此，施工全部完成。

1.4 计算模型的建立

根据本工程的支护特点，锚索可以采用点对点锚杆和土工格栅的组合来模拟，其中选用土工格栅模拟注浆体，点对点锚杆用来模拟锚索的杆体。由于坡体发生滑移变形后，在桩前采用了土体反压的应急治理方案，拟对开挖施工分4个阶段进行，选用几何直线划分施工阶段。

（1）基本假定。用等效截面抗弯刚度法将非连续布置的支护桩和连系梁折算为地下连续墙及连续的薄板；抗滑桩和连系梁均用板单元（BAN）模拟，两侧地下墙和土的相互作用用界面单元模拟。用总应力分析法计算，不计入地下水渗流的影响，不考虑岩土体的抗拉强度。抗滑桩与连系梁的连接点均为刚结点，可以传递力和弯矩。

（2）材料特性。土体包括3个不同的土层，给土和界面单元分别输入不同的数据组，材料参数见表2。抗滑桩参数见表3。对于锚索的材料特性，要求两个数据组，其中一个是点对点锚杆类型，另一个是土工格栅类型。锚索数据组包含锚索的特性（见表4），而土工格栅数据组包含注浆体的特性即轴向刚度，大小为2.0E6。

表2 土和界面特性

本文所确定的网格划分宽度为60 m，高度为 36 m，网格疏密度为中等，在注浆体周围易出现应力集中的地方，对网格进行局部加密，生成的网格数约为600个单元。边界条件选用标准固定边界，即在模型底部施加完全固定约束，在两侧竖直的边界施加滑动约束。

表3 抗滑桩（板）特性

表4 锚索（点对点锚杆）的特性

根据以上信息，结合本工程的项目特征，建立图1所示数值计算模型。

图1 工程实例计算模型

2 计算结果及分析

2.1 桩身水平位移及分析

图2为各开挖阶段土体的水平位移云图，图3为桩身水平位移与桩身埋深曲线图。由图2可见，随着桩前土体的开挖与锚索的施加，最大位移始终在出现在桩顶端。由图3可知，最大位移发生在前排桩桩顶位置，约为20.54 mm。值得注意的是，后排桩的桩顶位移与前排桩基本一致。其原因是在剩余下滑力的作用下，后排桩先受力，通过连梁的刚性连接，将后排桩的桩身变形传递致前排桩，很好地协调了排桩的整体变形，起到了整体加固效果。因此，在实际工程中，应对抗滑桩桩顶位移进行重点监测。

图2 土体水平位移云图

图3 各开挖工况下桩身水平位移的变化

2.2 桩身弯矩结果及分析

图4、图5为不同开挖工况下的前、后排桩桩身弯矩分布图。整体来看，由于连梁的存在，改变了剩余下滑力在岩土体中的传递途径，使得前后排桩的桩身弯矩分布形式基本一致。当开挖至第四阶段时，前排桩的桩身最大弯矩绝对值为500.336 kN·m，后排桩的桩身最大弯矩绝对值为728.722 kN·m，均出现在埋深约12.5 m的位置。由此可见，在本工程的锚拉式双排桩的受力结构中，桩身的最大弯矩出现在后排桩嵌固段以下深度的1/2处。同时可知，前排桩较后排桩的弯矩分布更为均匀。因此，在实际的结构设计中，应重点对后排桩的嵌固段以下部分加大配筋，并重点监测后排桩的桩身应力变化情况。

图4 各开挖阶段前排桩桩身弯矩

图5 各开挖阶段后排桩桩身弯矩

对于前排桩而言，在锚点位置内力均发生突变，但锚点对后排桩的影响较小。这与实际情况吻合，因为锚点仅作用在前排桩上，无法将抗拔力传递至后排桩。锚点的位置虽无法影响后排桩的内力发生突变，但会通过桩间土对后排桩的内力分布产生影响。

3 现场试验

3.1 监测工程布置

由于前排抗滑桩为已经施工完毕的已有抗滑桩，故无法布置深层监测设备。现场选取JG10和JG20作为试验桩设置测斜孔，对后排抗滑桩的侧向位移进行监测。

3.2 监测结果分析

图6和图7为监测到的不同开挖工况下的桩身位移与深度的关系曲线。图7显示：随着桩前土体的开挖与锚索的施加，桩身变形呈“凸肚”形态，桩身的最大位移出现在第二排锚索与第三排锚索之间，至桩顶处侧移被拉回呈现收敛状态，但计算值中桩身上部凸肚后未出现收敛，这与数值模拟的结果不一致。而图6的结果显示最大位移始终出现在桩顶端，这与数值模拟的结果基本一致。

图6 JG10测斜数据与桩埋深的关系曲线

图7 JG20测斜数据与桩埋深的关系曲线

出现这一差异的主要原因是：BC段第二、三排锚索之间的纵向间距为4 m，间距较大致使桩身变身呈“凸肚型”。因此在实际的设计工作中，应重点关注该处桩身外侧的受拉情况，并在该处加大配筋。而JG10由于上下排的锚点间距均控制在2.5～2.7 m之间，较好地控制了桩身变形，桩身最大侧移始终出现于桩身顶端，这种分布形态与数值模拟的计算结果基本吻合。

经查询最大实测位移为2.94 mm，对比数值模拟的计算结果（20.54 mm），有近10倍的差距。分析原因可能是单根较大截面的抗滑桩被等效为薄板，且同时忽略了桩间板的作用后，造成薄板的桩身位移较实测值大，这种等效方式弱化了锚索对桩身变形的控制作用，致使顶部位移不收敛。