组合支护结构中锚杆的竖向间距对抗滑桩影响的研究

李咏梅

(江西省上饶市万年县河道圩堤管护中心，江西 上饶 335500)

单一的支护结构在面临我国复杂多样的地质地貌带来的滑坡时往往无法应对。因此，抗滑桩+锚杆的组合支护结构形式应运而生，其具有治理效果好、形式灵活以及造价低等优点。工程人员与学者对锚杆抗滑桩+锚杆的组合支护结构十分关注，且在抗滑桩+锚杆组合结构上已经取得一定的研究成果。常伟世等[1]利用数值模拟技术，对经抗滑桩+锚杆组合支护形式支护后边坡的水平位移、稳定安全系数以及剪应力区进行研究，研究结果表明：边坡经组合结构支护后位移明显减小、稳定安全系数明显提升，满足规范的安全要求，剪应力区被阻断。李绵禄[2]利用有限元软件MIDAS-Gts，建立了锚杆、锚索+抗滑桩联合支护的高速公路的边坡模型，对治理后边坡位移进行研究，研究结果表明：边坡经锚杆、锚索+抗滑桩联合支护后总位移与水平位移均降低35%以上，联合支护结构限制边坡位移效果明显。姜红斌[3]利用有限元分析软件FLAC3D，建立了锚杆+抗滑桩的加固边坡模型，对锚杆+抗滑桩组合结构加固边坡进行数值模拟研究，研究结果表明：组合加固结构中，锚杆的位移与轴力的变化对应关系清晰，说明锚杆能够发挥其作用。舒海明等[4]结合顺层边坡工程实例，对大锚杆联合抗滑桩在顺层边坡支挡的应用进行研究，研究结果表明：采用大锚杆联合抗滑桩对顺层边坡进行防护，能够有效保障施工安全和加固作用。杨开业[5]通过理论推导出给定安全系数条件下的抗滑桩侧有效抗力的表达式，对锚杆与抗滑桩协同作用下的边坡稳定性进行了研究，研究结果表明：随锚杆布设数量的增加，其对抗滑桩桩侧有效抗力影响会增强。

以上研究涉及数值模拟、理论推导对抗滑桩+锚杆组合支护结构的研究，同时也包含大锚杆联合抗滑桩治理顺层边坡的研究，这些研究成果为组合支护结构的进一步研究起到重要作用。然而，及锚杆竖向间距对抗滑桩影响的研究较少。基于此，本文结合实际边坡治理实例，利用有限元软件MIDAS GTS，建立抗滑桩+不同竖向间距锚杆的边坡治理模型，对组合结构中抗滑桩的位移、内力以及边坡稳定性进行研究。本文的研究成果可为类似边坡治理工程中，锚杆竖向间距的选择提供参考。

1 工程概况

边坡工程位于山区水库库岸，地地势呈现出东部底，西部、南部、北部地势高，东部主要为中底山、盆地等，西部为丘陵状中山区。该地气候属于亚热带季风湿润气候，年平均气温14～18℃，该地气候具有无严寒、无酷暑的特点。边坡地质条件主要涉及的岩土层有3种，分别为层厚最小的风化土层、最底层的中风化岩层以及中部厚度最大的强风化岩层。边坡上部植被发育一般，坡顶和坡面无大型直立树木，坡底主要分布着草本植物。

边坡经现场勘查与计算分析后，决定采用抗滑桩+锚杆组合支护结构对该边坡进行支护。抗滑桩截面尺寸为2m×3m，桩长为15m，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400，抗滑桩与岩土体物理力学参数见表1。

表1 抗滑桩与边坡岩土体物理力学参数

锚杆的长度均为10m，锚杆的水平间距为3m，成孔采用带螺旋钻杆的回转钻机，灌浆方式为全黏结式，锚杆参数见表2。

表2 锚杆参数

2 有限元模型

该边坡左高为28m、右高为63m，长为75m，边坡有限元模型如图1所示。

图1 边坡有限元模型图

该边坡有限元模型采用岩土领域分析软件MIDAS GTS建立，共划分1497个节点与1513个网格，各材料有限元参数见表3。

表3 各材料有限元参数

为保证不同材料之间有良好的耦合，在不同材料接触处共用有限元节点。依次为模型添加边界条件与自重荷载，并设置与四组锚杆对应的分析工况。

3 数值模拟结果分析

边坡有限元模型经运算求解后，得出抗滑桩+不同竖向间距锚杆支护结构中抗滑桩的桩身位移、内力以及边坡稳定性指标，并依次对其进行分析。

3.1 抗滑桩桩身位移分析

不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身位移图如图2所示。

图2 不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身位移图

由图2可知，组合支护结构中锚杆竖向间距对抗滑桩桩身位移有明显的影响；随锚杆竖向间距的增大，抗滑桩桩身位移呈现先增大后减小的趋势；当锚杆竖向间距为3.5m时，抗滑桩的桩身位移最小，此时桩顶位移为1.6cm；当锚杆竖向间距为4m时，抗滑桩桩身位移最大，此时桩顶位移为3.8cm。通过上述分析可得锚杆的竖向间距过大或过小均会使抗滑桩桩身位移增大。

3.2 抗滑桩桩身内力分析

3.2.1抗滑桩桩身弯矩分析

不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身弯矩图如图3所示。

图3 不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身弯矩图

由图3可知，不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身弯矩分布形式基本一致，均呈现弯矩数值先增加后减小的趋势，但抗滑桩的桩身弯矩数值大小有明显差异；当锚杆竖向间距为2.5m时，抗滑桩桩身弯矩数值明显高于其他竖向间距锚杆下的桩身弯矩，此时桩身弯矩数值最大为10110kN/m；当锚杆竖向间距为4m时的抗滑桩桩身弯矩数值较其他竖向间距锚杆下的桩身弯矩小；不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身弯矩数值最大时，抗滑桩的埋深均为10.7m；随锚杆竖向间距的增加，抗滑桩的桩身弯矩大小逐渐减小。

3.2.2抗滑桩桩身剪力分析

不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身剪力图如图4所示。

图4 不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身剪力图

由图4可知，不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身剪力整体形式差异不明显，差异明显的是在剪力数值以及趋势的变化上；在埋深5～7m之间，不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身剪力开始减小，但减小幅度不大；当锚杆竖向间距为2.5m时，抗滑桩桩身剪力数值明显高于其他竖向间距锚杆下的桩身剪力，桩身最大正剪力的数值为1606kN，桩身最大负剪力的数值为3519kN；当锚杆竖向间距为4m时的抗滑桩桩身剪力数值较其他竖向间距锚杆下的桩身剪力小；随锚杆竖向间距的增加，抗滑桩的桩身剪力大小逐渐减小；在埋深10～12m之间，不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身剪力方向均发生变化。

3.2.3抗滑桩桩身轴力分析

不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身轴力图如图5所示。

图5 不同竖向间距锚杆下抗滑桩的桩身轴力图

由图5可知，当埋深在3～6m的范围内，抗滑桩的轴力会出现负值；在埋深0～8m之间，不同竖向间距锚杆下抗滑桩的轴力基本相同；在抗滑桩埋深较大时，竖向间距为3.5m锚杆下的抗滑桩轴力最小；锚杆竖向间距为2.5与3.5m时，抗滑桩的底部轴力会发生减小的变化趋势。

综上所述，抗滑桩+锚杆组合支护结构中，锚杆的竖向间距对抗滑桩桩身内力有明显的影响；随锚杆竖向间距的增大，抗滑桩的桩身弯矩与剪力数值大小均减小，原因是由于锚杆竖向间距增加使锚杆为抗滑桩分担更多的滑坡推力；在潜在滑动面以上部分的抗滑桩桩身轴力基本相同，锚杆竖向间距为3.5m时，潜在滑动面以下部分抗滑桩的轴力最小。

3.3 边坡稳性分析

3.3.1天然状态下边坡的稳定性分析

天然状态下边坡的水平位移云图如图6所示。天然状态下边坡的塑性应变云图如图7所示。

图6 天然状态下边坡的水平位移云图

图7 天然状态下边坡的塑性应变云图

由图6可知，天然状态下边坡的水平位移较大，不满足规范20mm的安全限值；边坡水平位移主要集中于风化土区域。由图7可知，边坡在天然状态下存在贯通的潜在滑动面，天然状态下的边坡十分不稳定；边坡塑性应变的集中区域在风化土与强风化岩的交界面附近。通过上述天然状态下的分析可以体现出采用抗滑桩+锚杆组合支护结构对该边坡进行加固的必要性[6]。

3.3.2支护后边坡的稳定性分析

不同工况下边坡的最大水平位移与稳定安全系数见表4。

表4 不同工况下边坡的最大水平位移与稳定安全系数

由表4可知，锚杆的竖向间距对组合结构支护边坡的稳定性有明显影响，当抗滑桩+竖向间距为3.5m锚杆加固工况下，边坡的最大水平位移降低最为显著，最大水平位移较天然状态工况降低了70.8%，此时的稳定安全系数最大，稳定安全系数为1.40，较天然状态工况下提升了34.6%；随锚杆竖向间距的增加，边坡最大水平位移呈现先减小后增大的趋势，边坡稳定安全系数呈现先增大后减小的趋势。

4 结论

本文利用数值模拟技术，对锚杆竖向间距对抗滑桩+锚杆组合支护结构中抗滑桩的影响进行研究，可得出以下结论。

(1)随锚杆竖向间距的增大，组合结构中抗滑桩桩身位移先减小后增大；当锚杆竖向间距为3.5m时，抗滑桩桩身位移最小，此时抗滑桩桩顶位移为1.6cm。

(2)抗滑桩桩身弯矩与剪力的数值大小随锚杆竖向间距的增大而减小；锚杆竖向间距对抗滑桩轴力的影响规律并不明显，当锚杆竖向间距为3.5m时，抗滑桩底部的轴力最小。

(3)锚杆竖向间距对边坡稳定性有明显的影响，随锚杆竖向间距的增大，边坡稳定性呈现先增加后减小的趋势；当锚杆竖向间距为3.5m时，边坡稳定安全系数提升最明显，稳定安全系数提升了34.6%。

(4)本文只针对抗滑桩+锚杆组合支护结构中锚杆对抗滑桩的影响进行研究，关于组合支护结构中抗滑桩的参数对锚杆的影响有待深入探究。