北京市門(mén)頭溝區(qū)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁體系的力學(xué)特性及設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳默，沈宇鵬，趙久歡，毛凌峰，何永貴

(1.中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100098;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044)

北京市門(mén)頭溝區(qū)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁體系的力學(xué)特性及設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳默1，沈宇鵬2，3，趙久歡2，毛凌峰2，何永貴2

(1.中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100098;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044)

研究了預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)擋墻的加固機(jī)理，并結(jié)合北京市門(mén)頭溝區(qū)一高邊坡工程，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值分析等手段，分析了此類支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理和墻背土壓力特征，最后通過(guò)正交分析，以邊坡安全系數(shù)為控制指標(biāo)，提出了該類支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。研究結(jié)論:預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)擋墻通過(guò)錨索將下滑力傳遞給深層穩(wěn)定的巖土層中，形成一種邊坡主動(dòng)抗滑體系，由于錨索作用，墻后豎向土壓力沿墻高應(yīng)力重分布，出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力峰值，水平土壓力在墻高5 m處最大，而非墻底端，并且沿墻高方向呈連續(xù)波浪形分布;正交模型試驗(yàn)得出抗滑樁長(zhǎng)度、錨索預(yù)應(yīng)力、錨固段長(zhǎng)度是影響支護(hù)效果最主要的因素。

預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁 抗滑樁 土壓力 支護(hù)機(jī)理 正交優(yōu)化

預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁支護(hù)體系已在公路與鐵路工程中廣泛應(yīng)用，但工民建中應(yīng)用較少，且在北京地區(qū)幾乎沒(méi)有嘗試。北京市門(mén)頭溝區(qū)政府營(yíng)建大量安置房，以改造棚戶區(qū)，其中有一部分邊坡位于原產(chǎn)煤區(qū)附近的山坡上。為確保坡上和坡下安置房的安全，采用了預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁體系加固邊坡。

目前的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)設(shè)計(jì)，大多還是采用技術(shù)成本低、容易管理的工程類比方法［1-3］。因此，工程界中使用的錨固支護(hù)一般可能存在兩種相反的問(wèn)題:第一種，在穩(wěn)定性較好的巖土體中，錨索使用過(guò)于保守;第二種，在穩(wěn)定性較差的巖土體中，錨索的安全儲(chǔ)備不足［4］。本文旨在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析兩方面，研究該類新型支擋結(jié)構(gòu)受力特征和支護(hù)機(jī)理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

北京市門(mén)頭溝區(qū)采空棚戶區(qū)改造石泉磚廠定向安置房項(xiàng)目邊坡工程，邊坡設(shè)計(jì)坡高14.3～18.5 m。通過(guò)經(jīng)濟(jì)性和安全性比選，選取預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁體系為加固邊坡方法。坡度約30°～60°，擬支護(hù)邊坡長(zhǎng)度231.9 m，邊坡工程安全等級(jí)為一級(jí)。試驗(yàn)段地層條件見(jiàn)表1，填方坡段壓實(shí)填土的參數(shù)可按表2選取。

表1 巖土參數(shù)建議值

2 邊坡支護(hù)數(shù)值模擬

本文利用有限元軟件MIDAS/GTS分析計(jì)算，簡(jiǎn)化模型:邊坡長(zhǎng)120 m，寬4.5 m，高49.3 m，格構(gòu)梁高為15.3 m，下部現(xiàn)澆抗滑樁的長(zhǎng)度為5 m。寬度方向取一個(gè)“井”字格構(gòu)，兩邊橫梁向外懸臂1.25 m，旨在模擬擋墻后土壓力“中—中”荷載傳遞方式。擋土板厚度0.2 m，格構(gòu)橫豎梁寬度均為0.5 m，抗滑樁的直徑為1 m。錨索的打入角為10°，6根錨索錨固段長(zhǎng)度17 m，自由段長(zhǎng)度7 m。模型示意見(jiàn)圖1。

表2 壓實(shí)填土計(jì)算參數(shù)取值

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁邊坡模擬

2.1 錨索的模擬

預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁邊坡支護(hù)體系數(shù)值模擬的難點(diǎn)在于錨索錨固段界面接觸單元的模擬。鑒于預(yù)應(yīng)力錨索單元自由段和錨固段受力機(jī)理不同，采用不同單元類型模擬。自由段使用植入式桁架單元模擬，這樣既能表現(xiàn)自由段的傳力功能，還方便了GTS施加預(yù)應(yīng)力;錨固段由于自身的受力特點(diǎn)和機(jī)理，需要考慮其與周?chē)馏w的三維接觸，所以，采用直線梁?jiǎn)卧M錨固段，樁單元模擬錨固段與周?chē)恋娜S接觸面上的剪切力。

2.2 預(yù)應(yīng)力的施加

對(duì)于預(yù)應(yīng)力的加載方式，本文采用MIDAS/GTS中直接定義的預(yù)應(yīng)力方法加載。此外，還有兩種加載方式:①為了模擬和簡(jiǎn)化錨索外錨頭的作用，在巖土體外錨頭表面作用分布力，分布力作用在外錨頭與格構(gòu)梁交點(diǎn)1 m的范圍內(nèi)，錨固段作用在與自由段的交界點(diǎn)則簡(jiǎn)化為與分布力總和值相等的集中力［5］;②采用巖土體網(wǎng)格距離和錨索長(zhǎng)度相等且方向與錨索傾斜方向一致的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，作用一對(duì)相向的集中力［6］。

2.3 施工工況定義

簡(jiǎn)化后模型定義施工階段如下:初始地基分析→清理邊坡→建立抗滑樁→建立格構(gòu)橫豎梁→建立擋土板→1層錨索張拉和回填覆土→2層錨索張拉和回填覆土→3層錨索張拉和回填覆土→4層錨索張拉和回填覆土→5層錨索張拉和回填覆土→6層錨索張拉和回填覆土→回填土→施加建筑荷載。

3 邊坡支護(hù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬墻后填土壓力

為了更好地認(rèn)識(shí)預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)擋墻后水平土壓力的特點(diǎn)，選出錨索5，6層施工過(guò)程和建筑荷載作用進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬的比較(圖2)。圖中擋墻后填土的負(fù)方向表明填土受壓。可以看出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的土壓力值和數(shù)值模擬在線型和數(shù)值上存在一定差異，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)土層參數(shù)和施工工況遠(yuǎn)比數(shù)值模擬復(fù)雜，但是，數(shù)值模擬還是基本反映了墻后水平土壓力的大小分布特點(diǎn)。圖2中還反映了一個(gè)特點(diǎn)，數(shù)值模擬出來(lái)的水平土壓力要大于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試到的土壓力，這說(shuō)明實(shí)際工程比數(shù)值模擬的安全性更高。

圖2 水平土壓力的實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果比較

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬兩種水平土壓力線型差異主要在墻高5 m處，數(shù)值模擬出現(xiàn)了一個(gè)劇增的峰值。而邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，在堆載的基礎(chǔ)上再作用建筑荷載時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試更加接近，這是因?yàn)樘钔恋拿軐?shí)，使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件更加接近數(shù)值模擬的理想狀況。

圖3為錨索5，6施工工況以及建筑荷載工況下墻后豎向土壓力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果比較。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)出的豎向土壓力值和數(shù)值模擬在線型和數(shù)值上有一定差異，但兩種方法得到豎向土壓力的分布規(guī)律一致。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)部分豎向土壓力和數(shù)值模擬吻合得很好。

圖3 豎向土壓力的實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果比較

由圖3可見(jiàn)，數(shù)值模擬的豎向土壓力也大于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值，這說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性更好。其中在錨索5，6施工工況的情況下，格構(gòu)擋墻底部的豎向應(yīng)力最大，而支護(hù)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都表明豎向應(yīng)力在墻高范圍內(nèi)應(yīng)力重分配出現(xiàn)幾個(gè)峰值，這是格構(gòu)梁支護(hù)機(jī)理的體現(xiàn)。

3.2 傾斜式和豎直式預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁支護(hù)的比較

為了研究?jī)A斜和直立式預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁擋墻的受力和變形特點(diǎn)，分別建立傾斜角度為70°和80°預(yù)應(yīng)力格構(gòu)邊坡模型(土層條件、錨索參數(shù)、網(wǎng)格劃分原則等和直立式一致)。通過(guò)比較傾斜式和直立式邊坡形式的不同，分析擋墻后土體的土壓力、位移變化規(guī)律、格構(gòu)梁受力情況變化規(guī)律。本文研究預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁擋墻完工后建筑荷載作用下土壓力特點(diǎn)。

比較傾斜角度為70°和80°錨索的軸力圖(本文略去)，相比于傾斜角度為80°時(shí)，傾斜角度為70°的錨索拉力較大，說(shuō)明錨索錨固更加緊密。70°時(shí)，錨索錨固段提供的軸力也較大，說(shuō)明錨索錨固段受到的接觸面摩擦力更加合理。

圖4是預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁施工完成后，不同傾斜度支護(hù)的水平位移隨著墻高的變化情況。傾斜式支護(hù)時(shí)，格構(gòu)豎梁的水平位移要遠(yuǎn)大于直立式，這種負(fù)方向的位移是良性的位移，位移越大說(shuō)明傾斜邊坡支護(hù)方式預(yù)應(yīng)力錨索拉緊效果越好。直立式在擋墻中部出現(xiàn)13 mm的正向位移，這種正向位移是水平向土壓力釋放的方式。正向位移過(guò)大會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁支護(hù)體系失效，應(yīng)該將其控制在一定范圍內(nèi)。

此外，圖4還反應(yīng)了一個(gè)特點(diǎn)，即格構(gòu)梁沿墻高的水平位移呈一定的鋸齒狀，因?yàn)殄^索作用處的負(fù)向位移較大，錨索間隔之間的土層作用時(shí)，負(fù)向位移減小。但采用豎直的格構(gòu)梁支護(hù)形式時(shí)，這種現(xiàn)象不明顯。

圖4 不同傾斜度支護(hù)的水平位移沿墻高的分布

圖5 格構(gòu)梁彎矩沿墻高的分布

提取格構(gòu)梁隨墻高的彎矩作圖5，直立式格構(gòu)梁在梁高4～13 m之間出現(xiàn)了外部受拉的情況(正向?yàn)閾鯄?nèi)部填土方向)，在墻底彎矩較大，內(nèi)部受拉。傾斜度為70°和80°的格構(gòu)梁兩種支護(hù)形式受到的負(fù)彎矩大于直立式，格構(gòu)梁內(nèi)部受拉。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意直立和傾斜兩種形式的差別較大，直立式滿足正反兩個(gè)方面的抗彎要求，而傾斜式則更加注重格構(gòu)梁內(nèi)側(cè)受拉的抗彎能力。

圖6為不同傾斜度邊坡支護(hù)形式下，擋墻后土層的水平土壓力分布特點(diǎn)。水平應(yīng)力的方向是負(fù)向，說(shuō)明此處土體單元受到水平向力是墻面板的壓密作用。其中:格構(gòu)梁高度＞2.5 m時(shí)，直立式格構(gòu)擋墻后土體受到的水平應(yīng)力要大于傾斜式擋墻后土體的水平土壓力;格構(gòu)梁高度＜2.5 m時(shí)，傾斜70°格構(gòu)梁墻后的水平土壓力要大于直立式墻后水平土壓力。

圖6 水平土壓力沿墻高的分布

4 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究

以北京市門(mén)頭溝區(qū)實(shí)際邊坡工程條件，通過(guò)建立L32(49)的正交表［7-8］，對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力值、錨索的截面積、錨固段長(zhǎng)度、錨索打入角度、格構(gòu)梁長(zhǎng)寬、抗滑樁長(zhǎng)度、抗滑樁尺寸、混凝土類型這9種優(yōu)化因子的各自4種水平進(jìn)行優(yōu)化，以強(qiáng)度折減法SRM計(jì)算的邊坡安全系數(shù)作為指標(biāo)，選出最佳組合。正交表的因子和水平如表3，控制指標(biāo)平均值及正交優(yōu)化最佳組合分別見(jiàn)表4及表5。

表3 模型建立

表4 9種因素的控制指標(biāo)平均值

表5 正交優(yōu)化最佳組合

由于錨索的錨頭在格構(gòu)橫梁和豎梁的交匯處，如果采用正方形格構(gòu)，格構(gòu)梁間距和錨索間距這兩個(gè)因子合并為一個(gè)因子。從安全系數(shù)出發(fā)，確實(shí)能夠找到一個(gè)安全系數(shù)適合的格構(gòu)間距，這是因?yàn)殄^索間距和格構(gòu)間距較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生群錨效應(yīng)和格構(gòu)梁之間的應(yīng)力疊加導(dǎo)致安全系數(shù)降低;錨索間距較大時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁的加固效應(yīng)也會(huì)由于錨固力不足而減小。通過(guò)比較不同錨索間距的邊坡安全系數(shù)曲線(圖7)，發(fā)現(xiàn)在格構(gòu)錨索的間距為3 m時(shí)，邊坡的安全系數(shù)最大。

圖7 錨索間距與安全系數(shù)的關(guān)系

5 主要結(jié)論

1)對(duì)于墻后水平向和豎向土壓力，數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果存在一定差異，但是大體上的分布特點(diǎn)一致;格構(gòu)豎梁在5～14 m這一段屬預(yù)留強(qiáng)度貯備，是預(yù)應(yīng)力索的重點(diǎn)錨固段。

2)預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)擋墻的加固機(jī)理為預(yù)應(yīng)力錨索和格構(gòu)梁復(fù)合使用，通過(guò)錨索將下滑力傳遞給深層穩(wěn)定的巖土層中加固，形成一種有效的邊坡主動(dòng)抗滑體系。表現(xiàn)為:由于錨索作用，墻后豎向土壓力沿墻高應(yīng)力重分布，出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力峰值，水平土壓力在墻高5 m處最大，而非墻底端，并且沿墻高方向呈連續(xù)波浪形分布。

3)正交模型試驗(yàn)得出抗滑樁長(zhǎng)度、錨索預(yù)應(yīng)力、錨固段長(zhǎng)度是影響支護(hù)效果最主要的因素。

4)本工程預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)擋墻的最優(yōu)化參數(shù)組合:錨固段長(zhǎng)度13 m、直徑0.2 m，錨索選擇4φs15.2組合，預(yù)應(yīng)力為500 kN;格構(gòu)梁選用C30混凝土，截面形式0.4 m×0.4 m，抗滑樁的長(zhǎng)度和直徑分別為5 m和0.8 m;錨索和格構(gòu)間距均為3 m。

［1］HANYA Z，HUIBANG W，YUEQUAN S.Analysis of Bearing System of Frame Beams with Anchor Pier in Slope Engineering［J］.China Journal of Highway and Transport，2004，17(1): 16-19.

［2］MASSARSCH K R，OIKAWA K，ICHIHASHI Y，et al.Design and Practical Application of Soilex Anchors［C］//Ground AnchoragesandAnchoredStructures:Proceedingsofthe International Conference.New York:ASCE，1997.

［3］STUEVE T，DOLAN C W，WALRATH D E.Detailing Effects in Anchors for FRP Prestressing Tendons［C］//Infrastructure New Materials and Methods of Repair.New York:ASCE，1994.

［4］賈穎絢，宋宏偉.土木工程中錨桿支護(hù)機(jī)理研究現(xiàn)狀與展望［J］.巖土工程界，2003，6(8):53-56.

［5］丁秀麗，盛謙，韓軍，等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固機(jī)理的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(7):980-988.

［6］丁秀美，黃潤(rùn)秋，臧亞君.預(yù)應(yīng)力錨索框架作用下附加應(yīng)力的FLAC3D模擬［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，30(4):339-345.

［7］吳群英，林亮.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2004.

［8］李學(xué)斌，余小領(lǐng)，李斌.運(yùn)用Excel進(jìn)行正交表的構(gòu)建［J］.河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(4):110-113.

Mechanical characteristics of prestressed anchorage cable-lattice system used for high slope at Beijing Mentougou district and its design optimization

CHEN Mo1，SHEN Yupeng2，3，ZHAO Jiuhuan2，MAO Lingfeng2，HE Yonggui2
(1.AVIC Geotechnical Engineering Institute Co.，Ltd.，Beijing 100098，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;3.Beijing Key Laboratory of Track Engineering，Beijing 100044，China)

Combing with high slope engineering inBeijing M entougou，the paper studiedthe reinforcement mechanism of prestressed anchorage cable-lattice retaining wall，analyzed the stress mechanism and wall back soil pressure characteristics for this kind of supporting structure by field test and numerical analysis，and put forward the optimization design parameters by taking slope safety coefficient as the control index through orthogonal analysis. T he conclusion showed that prestressed anchorage cable-lattice retaining wall transfers the sliding force to deep and stable soil by the anchorage cable，which forms a kind of active slope anti-slide system，vertical soil pressure of wall back distributes along the wall by anchorage cable effect and there are several peak values of stress，horizontal soil pressure is maximal at 5 m height of the wall instead of at the bottom of wall and shows a continuous wave shape distribution along the wall，and the anti-slide pile length，anchorage cable prestress and anchoring section length are the main factors influencing the supporting effect by orthogonal experiment results.

Prestressedanchorage cable-lattice system;Anti-slide pile;Soil pressure;Supportingmechanism; Orthogonal optimization

TU452

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.27

1003-1995(2015)05-0108-05

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-10-20;

2015-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271072);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011JBZ009)

陳默(1977—)，男，陜西寶雞人，高級(jí)工程師。