微型樁—錨索系統設計及最優錨固力確定研究

侯宗博 洪 政，2*

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅蘭州 730000)

1 概述

微型樁是一種小口徑的鉆孔灌注樁，孔徑小于300 mm，樁內含有加筋體，根據工程需要，加筋體通常為鋼筋、鋼管以及廢舊鋼軌等［1，2］。由于微型樁施工快捷且布置形式靈活，因此近年來在邊坡加固工程中得到廣泛應用。在微型樁加固邊坡的相關研究中，周德培等［3］按照樁—土相互作用原則，討論了微型樁組合結構的抗滑機制，并按照橫向約束的彈性地基梁法提出了設計計算理論;孫書偉等［4-6］針對微型樁群在滑坡推力作用下進行了系統的模型試驗，基于梁柱理論和彈塑性地基系數法中的p—y曲線方法，建立了微型樁群加固土質邊坡的設計方法。上述研究為微型樁加固邊坡的工程應用提供了重要的理論依據。用微型樁加固邊坡時，由于微型樁截面較小，所以難以進行大型邊坡的加固。為了更好地解決微型樁承載力低的問題，本文將微型樁與預應力錨索相結合，提出了一種微型樁—錨索復合系統。系統中微型樁呈“A”形布置，“A”形微型樁體系對邊坡的加固類似于樹根，結構整體性好，外力作用下結構變形小，結構抗彎性能好于行列式布置的豎向微型樁群;此外，本系統在保持微型樁原有施工快捷，組合靈活的基礎上引入預應力錨索結構，在一定程度上提高了結構的抗滑承載力，并通過數值模擬確定了錨索的最優錨固力。

2 微型樁—錨索系統

微型樁—錨索體系的構造見圖1。整個系統由鉆孔微型樁、預應力錨索及帶肋板的L形預制件組成。帶肋板的L形鋼筋混凝土預制件，其底板預留微型樁孔，側面預留錨索孔。微型樁的加筋體通過底部預留孔，利用短鋼筋將微型樁內主筋焊接在剛性墊板上，工后采用混凝土將預制件肋板之間的區域進行澆筑，從而實現對錨頭和焊接部位的保護。微型樁—錨索系統由于引入了預應力錨索，結構可以承受較大的外荷載，可單獨或與其他結構物聯合用于大型邊坡加固工程以及滑坡治理等外荷載較大的情形。

圖1 微型樁—錨索系統結構圖

3 分析方法

本文采用修正Mohr-Coulomb模型［7］描述各種巖土材料的物理力學特性，選用Interface界面單元描述接觸面的物理力學性質，選用Pile以及Cable單元對微型樁—錨索系統的微型樁和錨索的力學行為進行模擬。

3.1 接觸面的模擬

Interface單元可模擬兩種或多種材料界面不同材料性質的間斷特性，圖2為該單元的力學模型。在Interface單元中，彈性階段的法向力和切向力可以由下式計算得到:

圖2 Interface單元的力學模型

3.2 錨索的模擬

Cable單元是由兩個節點定義的直線形單元，每一節點有一個自由度，即和軸線同向的位移分量(見圖3)。錨索單元可以受拉或受壓屈服，不承受彎矩，力學模型及材料特性如圖4，圖5所示。

圖3 錨索單元局部坐標系及自由度

3.3 微型樁的模擬

Pile單元的剛度矩陣與梁單元相同，且能夠考慮樁與實體單元的法向和切向摩擦作用。法向和切向摩擦作用通過耦合彈簧來實現。耦合彈簧為非線性、可滑動的連接體，能夠在微型樁身節點和實體單元之間傳遞力和彎矩。

1)切向耦合彈簧的作用。樁土接觸面切向的受力行為由切向耦合彈簧來模擬，力學模型如圖6所示，模型參數包括剛度ks、粘聚力cs、內摩擦角φs以及截面周長p。

圖4 Cable單元力學模型

圖5 Cable單元材料力學特性

圖6 Pile單元切向彈簧的力學性質

圖7 Pile單元法向彈簧的力學特性

2)法向耦合彈簧的力學作用。樁土接觸面法向的受力行為由法向耦合彈簧來模擬，力學模型如圖7所示，模型參數包括剛度kn、粘聚力cn、內摩擦角φn、截面周長p以及定義縫隙張開屬性的參數g。

4 微型樁—錨索系統最優錨固力的確定

在微型樁—錨索系統中，微型樁和預應力錨索聯合受力，如何同時發揮二者的最大抗滑能力是研究的關鍵。為此，本文選用理想邊坡模型對微型樁—錨索系統中錨索的最優錨固力進行分析，如圖8所示。

模型長54.9 m，高26 m，寬2.4 m，為準三維模型;邊坡高10 m，坡率為1∶1.5，坡頂平臺寬27.7 m，坡腳平臺寬12.5 m。土體容重18 kN/m3，變形模量60 MPa，泊松比0.2，材料內摩擦角20°，粘聚力6 kPa。微型樁孔徑0.15 m，樁長 15 m，變形模量25 GPa，泊松比0.2，樁身極限彎矩為5.57 kN·m;微型樁群由正斜樁、反斜樁和豎直樁組成，正斜樁和反斜樁傾角均為15°(注:由豎直樁繞樁頂順時針旋轉為正斜，反之為反斜)。預應力錨索俯角10°，長15 m，其中自由段5.5 m，孔徑0.13 m，砂漿與孔壁粘結強度150 kPa。

圖8 計算模型

圖9為自然邊坡的水平位移云圖，圖中所標區域為水平位移大于1 mm的區域，根據滑動范圍，可以近似計算出微型樁—錨索系統布設位置的土體下滑力，E1=329.0 kN/m，考慮模型寬度為2.4 m，總推力為789.6 kN。圖10為僅采用微型樁群加固變形土體的模型水平位移云圖，由圖可以看出，微型樁的加固作用使坡體變形得到了控制，邊坡最大水平位移6.98 mm。

圖9 模型水平位移云圖

圖10 微型樁加固模型邊坡水平位移云圖

為了研究微型樁—錨索系統的承載性能，通過調整滑體容重的辦法增大下滑力和施加錨索預應力，計算不同錨固力作用下結構內力特征值的變化規律，從受力的角度提出微型樁—錨索系統的合理化布局。

圖11為樁身彎矩特征值隨錨索預應力的變化曲線，由圖可以看出，對本次計算而言，當錨索預應力約為400 kN時，由下滑力產生的滑面部位樁身彎矩與錨索作用產生的樁頂彎矩最為接近，微型樁受力更合理;從圖12位移特征值可以看出，當錨索預應力約為400 kN時，下滑力作用下結構位移最小。對坡體位移而言，隨著預應力的增加，坡體位移越來越小，但當預應力超過600 kN以后，坡體產生了越頂滑動破壞，坡體位移又逐漸增大。

圖11 樁身彎矩特征值隨錨索預應力變化曲線

綜上所述，錨索預應力的大小對體系的受力性能有比較大的影響。預應力太小，錨索的作用不能完全發揮;隨著預應力的增大，微型樁的抗力作用在逐漸減弱;預應力過大有可能將微型樁與預應力錨索接點拉入坡體，從而在微型樁頂部產生較大的反向彎矩，造成微型樁頂部的材料破壞，對本次計算而言，采用帶有三排微型樁的微型樁—錨索系統進行邊坡加固(正斜樁和反斜樁傾角均為15°)，當錨索預應力約為400 kN時，系統的抗滑性能最好。

圖12 位移特征值隨錨索預應力變化曲線

5 結語

1)在既有微型樁的基礎上，研究提出了微型樁—錨索系統。本系統在保持微型樁原有施工快捷，組合靈活的基礎上引入預應力錨索結構，在一定程度上提高了結構的抗滑承載力。

2)選用理想邊坡模型對微型樁—錨索系統中微型樁與錨索的相互作用機制進行分析，研究了最優錨固力的確定，從受力的角度提出微型樁—錨索系統的合理化布局。

3)實際工程中，建議將微型樁與預應力錨索之間接頭部位進行焊接，并采用細石混凝土等進行封錨，以保證二者協同受力。

［1］王恭先.滑坡防治工程措施的國內外現狀［J］.中國地質災害與防治學報，1998，9(1):1-9.

［2］陳德中.巖石高邊坡綜合治理施工技術［J］.鐵道工程學報，2004(9):85-88.

［3］周德培，王喚龍，孫宏偉.微型樁組合抗滑結構及其設計理論［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(7):1353-1362.

［4］Shu-Wei Sun，Ben-Zhen Zhu，Jia-Chen Wang.Design method for stabilization of earth slopes with micropiles［J］.Soils and Foundations，2013，53(4):487-497.

［5］孫書偉，朱本珍，鄭 靜，等.基于極限抗力分析的微型樁群加固土質邊坡設計方法［J］.巖土工程學報，2010，32(11):1664-1669.

［6］孫書偉，朱本珍，楊讓宏.微型樁群與普通抗滑樁受力特性的室內對比試驗研究［J］.巖土工程學報，2009，31(10):1564-1570.

［7］ITASCA.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimension:User’s Guide［M］.Minneapolis:Itasca Consulting Group，Inc.，2005.