加固軟土質高邊坡的壓力分散型預應力錨索錨固機理分析

邱香港（福州市規劃設計研究院，福州350003）

加固軟土質高邊坡的壓力分散型預應力錨索錨固機理分析

邱香港
（福州市規劃設計研究院，福州350003）

本文以省道202工程中K5+300～K5+634左側路塹高邊坡加固為工程背景，主要利用Abaqus三維實體有限元軟件分析研究壓力分散型預應力錨索工作時的受力機理，驗證其優于普通拉力型預應力錨索的結構體系，適用于軟土質高邊坡的主動加固處理，為今后普通公路邊坡軟土質高邊坡加固措施提供借鑒經驗。

壓力分散型預應力錨索邊坡穩定無粘結鋼絞線鋼制承載體Abaqus

0 引言

軟土質邊坡的巖體大部分承載能力低，并且穩定性差。目前高速公路對于大面積的軟土質高邊坡，通常采用抗滑樁加固措施保證邊坡的穩定性。抗滑樁是通過利用巖體殘余強度的一種被動加固方法，而且工程造價較高，但對于普通公路項目普遍面臨資金緊張的問題。如果能找到一種通過充分挖掘軟巖自身具有的峰值強度的加固方法，取代傳統保守的抗滑樁加固措施，將能夠有效的節省工程造價。壓力分散型預應力錨索框架就是一種既能將軟巖的峰值強度得以有效利用，又能解決軟巖低強度問題的主動型加固措施。

普通拉力型預應力錨索工程應用時存在較多的缺陷。一方面，錨索在錨固長度上的粘結應力分布不均勻，容易發生失穩破壞。另一方面，錨固段近端的粘結應力存在嚴重的集中現象而造成錨索損壞。而新型的壓力分散型預應力錨索是一種通過無粘結鋼絞線上的若干個鋼制承載，將預應力有效轉化為均勻的壓力擠壓注漿體上的錨固技術，能夠顯著提高錨索在巖土體中的錨固力，因而具有較廣泛的應用前景。

1 工程概況

省道202線古田高頭嶺至局下段公路改建工程，按一級公路標準設計，主線道路總長11.126km，路基寬度24m、36m，設計行車速度60km/h。其中K5+300～K5+634段左側邊坡最高約60m，是一種軟土質高邊坡，采用全斷面壓力分散型預應力錨索框架加固方案。

邊坡設計總共分7個級別設計：第一級坡率1∶1.0，設置8m高片石砼擋墻；第二至第七級坡率分別為1∶1.25，采用壓力分散型預應力錨索框架加固處理，框架及兩側采用液壓客土噴播。單孔錨索的錨固力為700kN，錨索的錨固傾角為20°，邊坡一階8m高度范圍內設置兩層錨索，每一層錨索橫向每隔4m設置一個錨索孔，同時將每個錨索孔采用鋼筋砼梁聯系起來，從而形成一個錨索加固群，如圖1所示。

圖1 左側邊坡加固立面設計圖

對于錨固長度的控制按以下原則控制：進入砂土狀的預應力錨索錨固段長度≥12m，進入碎塊狀或中風化巖層的的預應力錨索錨固段長度≥10m，如圖2所示。

圖2 邊坡加固斷面設計圖

2 壓力分散型預應力錨索的特點及機理

2.1 結構特點

根壓力分散型預應力錨索主要由自由段及錨固段兩個區段組成，如圖3所示，在錨頭區域主要采用HVM錨具組合螺旋彈簧鋼筋用于預應力張拉，自由段內布置的架線環可固定住無粘結鋼絞線，而該錨索的核心部位就在于錨固段放置的鋼制承載體，鋼制承載體的設置數量是根據加固需要而定，每個鋼制承載體通過固定設備（通常采用壓彈簧和擠壓套）與無粘結鋼絞線相連接，放置錨索的鉆孔最后需要用強度不小于40MPa水泥注漿體填充。

圖3 壓力分散型預應力錨索構造簡圖

2.2 工作機理

壓力分散型預應力錨索是一種將拉力轉化為分散布置壓力形式的錨索。錨索經荷載作用后，拉力由無粘結鋼絞線作用到鋼制承載體上，鋼制承載體再以分散壓力作用于錨固段的注漿體。這樣一方面因為荷載的分散作用使得注漿體和錨固段四周巖土之間的應力得到消減，另一反面因為注漿體處于三維受壓狀態而使錨索的錨固性能得到大大改善。壓力分散型預應力錨索新型的傳遞荷載方式可以很好的利用周圍巖土體的強度，從而提高錨固質量。

3 加固機理有限元數值分析

3.1 受力模型

傳統的普通拉力型錨索的受力機理比較簡單，將該錨索的受力狀態簡化為如圖4所示：錨索的自由段錨頭受拉力荷載F的作用下，拉力通過錨索中的鋼絞線直接傳遞到錨固段的注漿體上，之后拉力就通過注漿體與巖體間的粘結交界面，最終擴散至錨固段的巖土體中去。

圖4 普通拉力型錨索簡化力學示意圖

壓力分散型預應力錨索的受力機理相對復雜，將該錨索的受力狀態簡化為如圖5所示：當自由段錨頭受預應拉力F時，無粘結鋼絞線與注漿體之間無直接的受力接觸，所以預應拉力F將全部通過錨固段內的n個鋼制承載體來傳遞，總預應拉力F分解為作用于n個鋼制承載體上的壓力1/nF。

圖5 壓力分散型預應力錨索簡化力學示意圖

3.2 模型建立

在單個壓力分散型預應力錨索孔徑向上下左右各取1.5m（即3m×3m）作為有限元模型，根據202省道K5+ 300～K5+634段左側高邊坡設計，壓力分散型預應力錨索進入砂土狀強風化巖體錨固長度12m，加上其后1m巖土體，共計13m。采用Abaqus網格化的即整個模型如圖6～圖8所示。

圖6 模型巖體有限元分析圖

圖7 模擬單孔錨索及鋼制承載體有限元分析圖

圖8 模擬注漿體有限元分析圖

由于普通拉力型錨索主要構件為鋼絞線與注漿體，模型建立時不考慮鋼制承載體的存在，主要是建立鋼絞線與注漿體單元，巖體單元的建立方式與壓力分散型預應力錨索模型相同。

3.3 模型材料參數

建立模型的錨索材料參數取值如表1～3所示。

表1 注漿體、巖體、鋼絞線基本參數取值表

表2 接觸面的基本參數取值表

表3 鋼制承載體基本參數取值表

3.4 模擬結果分析

3.4.1 普通拉力型與壓力分散型預應力錨索數值分析結果對比

對普通拉力型與壓力分散型單根錨索分別進行了拉拔模擬分析，在拉拔數值模擬過程中，錨固段的注漿體和周圍巖體受力狀態結果如圖9～圖14所示（設定軸向以壓應力為負值，拉應力為正值）。

（1）錨固段注漿體軸向應力分布

如圖9看出，在普通拉力型錨索鋼絞線端頭施加總張拉力720kN，之后張拉力傳遞至錨固段的注漿體，在錨固段的初始段出現拉應力集中現象，拉應力峰值達到了9.29MPa，之后拉應力向錨固段的末端迅速衰減，該種錨索在錨固段的初始端頭軸向拉應力很大，且注漿體一小段處于高度受拉的狀態，很容易導致注漿體自身強度不足而被拉裂破壞。

圖9 普通拉力型錨索注漿體軸向應力分布圖

如圖10看出，壓力分散型錨索通過等間距分布的鋼制承載體，將錨固段的注漿體隔離分成三個受力區域，將總的720kN拉力分散作用于3個鋼制承載體，每個承載體分別所到的壓力為240kN。每個承載體前方區域注漿體的壓應力峰值為-3.0MPa，遠離承載體方向壓應力逐步減小，同時在承載體的后方會出現小范圍的注漿體被拉拽的現象，出現小范圍的拉應力區域。由此可見，壓力分散型錨索3個鋼制承載體附近注漿體的應力峰值僅為拉力型錨索的1/3，且呈現的是壓應力狀態，這個應力值的大小與承載體的數量呈反比相關。這種由錨索所受的總拉力分解轉化為若干個注漿體受壓區段的分布形式，表明了壓力分散型錨索在結構受力上優于普通拉力型錨索。

圖10 分散壓力型預應力錨索注漿體軸向應力圖

（2）錨固段內注漿體與巖土體接觸界面剪應力分布

兩種錨索的注漿體與巖體間接觸面的剪應力分布如圖11和圖12所示。

普通拉力型錨索錨固段漿體-巖體接觸面上在受力的端部區域剪應力達到峰值，隨著錨固段深度加長，剪應力也逐漸遞減；壓力分散型錨索在接觸面上的剪應力峰值明顯小于普通拉力型錨索，而且在承載體所分的3個區域內剪應力分布大小都極為相似，從承載體附近的剪應力峰值1.27MPa逐漸向兩側衰減為均值為0.5MPa的剪應力，剪應力峰值與兩個承載體間剪應力差值不大，能使剪應力較為均勻的分布在錨固段內，充分發揮注漿體自身的抗剪強度。

圖11 普通拉力型錨索接觸面剪應力分布圖

圖12 分散壓力型預應力錨索接觸面剪應力圖

（3）錨固段內巖土體軸向應力分布

如圖13和圖14所示，普通拉力型錨索在拉拔過程中，在錨固段巖土體的端部出現集中的拉應力峰值為0.64MPa，之后受拉區的拉應力沿著錨索的徑向慢慢擴大，在端部區域出現一個“梨狀”的應力擴散形式；壓力分散型錨索的巖土體軸向應力則是以承載體為中心沿錨索兩邊擴散，呈現出多個“橄欖狀”的應力擴散分布形式，而且應力的峰值僅為0.093MPa，遠小于普通拉力型錨索產生的拉應力值，這充分論證壓力分散型錨索對巖土體的峰值強度要求低，更加適用于加固軟土質高邊坡。

圖13 普通拉力型錨索巖土體軸向應力分布圖

圖14 分散壓力型預應力錨索巖土體軸向應力圖

3.4.2 壓力分散型預應力錨索中承載體數量影響分析

壓力分散型預應力錨索的工作機理是通過不同數量的承載體將荷載進行分散，所以壓力分散型錨索的加固性能與設置多少數量的承載體有著密切的聯系。

本文選擇壓力分散型預應力錨索設置不同數量的承載體進行計算模型，在錨固段長度12m范圍內，取總的錨固力為720kN，分別建立鋼制承載體數量為2、3和4個的三組數值模型。

（1）錨固段內注漿體與巖土體接觸面的剪應力分布比較

注漿體與巖土體間的接觸面剪應力在承載體處的峰值下降幅度與承載體的增加的個數成相應的比例，統計的結果如圖15所示。

圖15 承載體個數與接觸面剪應力關系圖

當承載體數量由2個變為3個，剪應力峰值從1.89MPa下降為1.27MPa，降低的比例為32%。當承載體數量由3個變為4個，剪應力峰值從1.27MPa下降為1.01MPa，降低的比例為20%。所以從以上統計的數據分析可知，隨著承載體數量的增多，剪應力的下降比例也是趨于平緩。但是承載體的數量也不是增加越多越好，在一定的錨固長度內設置合理的承載體數量，不僅能夠不造成工程材料浪費，還能保證接觸面不會過早出現極限剪應力峰值，注漿體自身強度的有足夠的安全儲備。

（2）錨固段內巖土體軸向應力分布比較

圖16中分別是2個、3個及4個承載體的錨固段內巖土體軸向應力分布圖，通過3個圖的數值對比，很清楚發現通過增加承載體的數量，巖土體的軸向應力在承載體區域擴散的范圍越小。當承載體為2個時，軸向應力擴散的范圍較長，呈現明顯的“橄欖狀”分布；當承載體為3個時，軸向應力區域在沿著錨索方向有所縮短，比2個承載體的“橄欖狀”小了很多；當承載體為4個時，出現部分承載體區域的小”橄欖狀”應力分布形狀有縮小的趨勢，這說明巖土體的軸向應力由于承載體數量的增加而發生相應的衰減。

從3組的應力峰值可看出，巖土體軸向應力的變化關系和注漿體相同，都是遵循應力峰值大小與承載體數量成反比的規律；另外從分析數值的變化幅度上可知，從2個承載體增加至3個承載體的應力減小幅度要比從3個承載體增加至4個承載體大，說明并不是在錨固段無限制的增加承載體數量就能讓巖土體的軸向應力趨于均勻，在工程實際中應該要根據巖土體的性質設置相應數量的承載體。

圖16 總錨固力720kN巖土體軸向應力分布圖

5 結論

根據上述不同的試驗組計算結果，可以得出以下結論：

（1）采用Abaqus有限元軟件建立了在砂土狀強風化軟質巖體中壓力分散型預應力錨索的工作受力模型，進一步了解壓力分散型預應力錨索加固機理，從模型的結果中可清楚地觀察到錨索各個相關構件的應力分布狀態。壓力分散型預應力錨索中獨特的鋼制承載體構件發揮了關鍵作用，作為錨索拉力的轉換體，使得錨孔的注漿體不會遭到直接拉力破壞，加固施加的預應力能最終平衡地消散至巖土體中。

（2）與普通拉力型錨索相比，壓力分散型預應力錨索錨固段內注漿體的軸向應力相當于普通拉型錨索的1/n（n為模型中的鋼質承載體的個數），通過注漿體的軸向應力、巖土體與注漿體交界面上的剪力應力及巖土體的軸向應力分布這3個指標的比較，對于松散、破碎的軟質土體壓力分散型預應力錨索可以提供更大的錨固力。

（3）通過在錨固段內適當增加錨索的承載體數量，是降低注漿體、巖土體的軸向應力和提高錨固段的錨固力的有效手段。

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