單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)抗滑樁抗震性能數(shù)值計(jì)算研究

陳晉波　吳紅剛　艾揮

摘要：錨索抗滑樁作為一種常用的高邊坡支擋結(jié)構(gòu)，目前對(duì)單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁在高烈震區(qū)的抗震性能研究較少。為了進(jìn)一步分析單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)的抗震表現(xiàn)，本文以ABQUSE軟件分別建立單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)加固邊坡的三維數(shù)值模型。研究了不同向加載工況下，不同動(dòng)峰值的EL-Centro波加速度作用下，邊坡的位移變形規(guī)律以及樁的山側(cè)動(dòng)土壓力、彎矩、剪力分布規(guī)律。并得出以下結(jié)論：①?gòu)钠麦w的位移變形來(lái)看，輸入相同的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度，X加載時(shí)的坡體水平位移比z向加載時(shí)位移變化明顯，不利于坡面穩(wěn)定，且XZ雙向加載時(shí)的坡體位移比單向加載要大。②從錨索抗滑樁土壓力分布曲線來(lái)看：多錨點(diǎn)滑面處動(dòng)土壓力相對(duì)較小，抗震性能較好。③相同動(dòng)峰值加速度作用下，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固的坡體產(chǎn)生的位移相對(duì)較小，有利于控制坡體的變形，且多錨點(diǎn)錨索抗滑樁樁身彎矩、剪力值相對(duì)較小，支擋效果較好。

關(guān)鍵詞：錨索抗滑樁；地震；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-431l（2017）30-0107-06

0引言

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是在抗滑樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由于在工程中的大量應(yīng)用，對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的研究，相比國(guó)外對(duì)橫向樁的研究，我國(guó)在這一方面處于世界的前列。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的研究主要集中在靜力方面：謝慶華通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁治理廣西某二級(jí)公路滑坡進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了樁身應(yīng)力與樁深的關(guān)系。曾云華等通過(guò)室內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁模型試驗(yàn)，分析了滑坡推力對(duì)抗滑樁的作用分布形式，認(rèn)為樁前滑體抗力可作為安全儲(chǔ)備來(lái)考慮。張玉芳等通過(guò)深圳市黃貝嶺滑坡治理工程的預(yù)應(yīng)力錨索樁的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了錨索拉力隨時(shí)間的變化的關(guān)系。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的加固機(jī)理以及加固效果方面的研究，國(guó)內(nèi)外基本上還處于起步研究階段，公開(kāi)報(bào)道的成果較少?？傮w而言，相對(duì)于其工程應(yīng)用，錨索抗滑樁的理論研究明顯滯后。至于單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)抗滑樁的動(dòng)力特性方面的研究，目前相關(guān)報(bào)道極少。僅有艾揮和吳紅剛等H通過(guò)振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)初步對(duì)單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的變形與受力規(guī)律進(jìn)行了初步探討。大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明7度及以上烈度區(qū)發(fā)生地震都會(huì)誘發(fā)滑坡發(fā)生，并且隨著烈度的增高，產(chǎn)生滑坡的概率也相應(yīng)增大?？梢?jiàn)，有必要通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)高烈震區(qū)單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁抗震性能進(jìn)行分析研究。

1基本假定與計(jì)算模型

1.1基本假定本次計(jì)算模型未考略錨索對(duì)土體影Ⅱ向，并且在模型計(jì)算時(shí)，設(shè)定錨索只產(chǎn)生彈性階段變形，且變形量不超過(guò)錨索自由段長(zhǎng)度的3%：考慮到土體本構(gòu)關(guān)系及其變形對(duì)應(yīng)力的影響，計(jì)算模型計(jì)算采用Mohr-Coulonb模型。

1.2計(jì)算模型為了更好地反映在地震作用下，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索的動(dòng)力特性，采用ABQUSE軟件分別建立單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的計(jì)算模型，其幾何尺寸的長(zhǎng)、寬、高分為3.0m×1.5m×1.14m，樁長(zhǎng)70cm，其中懸臂段35cm，錨固段35cm。

為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，將幾何模型進(jìn)行劃分為規(guī)則體連接。計(jì)算模型如圖1所示。模型計(jì)算時(shí)，采用EL-Centro波進(jìn)行模型計(jì)算，選用的EL-Centro波加速度時(shí)程曲線如圖2所示。

模型材料基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。模型計(jì)算時(shí)，單錨點(diǎn)錨索抗滑樁單根錨索拉力設(shè)為24N，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁設(shè)置錨索2根，拉力各為12N。

2數(shù)值模型結(jié)果分析

本節(jié)主要分析地震烈度不超過(guò)Ⅸ時(shí)，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形規(guī)律和動(dòng)土壓力分布形式。并以X向加載為例，分析了單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁彎矩、剪力隨輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的變化分布規(guī)律。

2.1單錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡位移變形圖

圖3為在0.1g的Z向EL-Centro波作用下，單錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在Z向發(fā)生的位移值最大，值為1.020E-03m，坡體后緣率先出現(xiàn)微小裂縫。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動(dòng)作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的Z向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面及以下部位位移較大，最大值為8.041E-05m。從坡面水平位移變化來(lái)看，從頂端到底部，水平位移依次增大。

圖4為在0.1g的X向EL-Centro波作用下，單錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在Z向發(fā)生的位移值最大，值為4.863E-04m振動(dòng)作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的x向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下部位位移較大，最大值為6.381E-04m，水平位移依次增大。

圖5為在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，單錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在z向發(fā)生的位移值最大，值為1.091E-03m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動(dòng)作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下位移較大，最大值為6.384E-04m。從坡面水平位移變化來(lái)看，從頂端到底部，水平位移依次增大，且比單向加載時(shí)位移要大。

2.2多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡位移變形圖

圖6為在0.1g的Z向EL-Centro波作用下，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在Z向發(fā)生的位移值最大，值為1.020E-03m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動(dòng)作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的X向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下位移較大，最大值為7.352E-05m。從坡面水平位移變化來(lái)看，從頂端到底部，水平位移依次增大。endprint

圖7為在0.1g的x向EL-Centro波作用下，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在z向發(fā)生的位移值最大。值為0.487E-04m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，表明振動(dòng)作用下，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的X向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下位移較大，最大值為6.363E-04m。從坡面水平位移變化來(lái)看，從頂端到底部，水平位移依次增大。

圖8為在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的位移變形圖。從圖（a）中可以看出，模型后緣淺表層土體在z向發(fā)生的位移值最大，值為1.092e-03m。隨著模型高度的降低，土體的位移依次減小，高程效應(yīng)明顯。從圖（b）中可以看出，在0.1g的XZ向EL-Centro波作用下，樁后土體在滑面處及以下部位位移較大，最大值為6.365E-04m。從坡面水平位移變化來(lái)看，從頂端到底部，水平位移依次增大。

2.3動(dòng)力壓力計(jì)算結(jié)果分析

從圖9可以看出：Z向單獨(dú)加載時(shí)，當(dāng)輸入的動(dòng)峰值加速度為0.4g時(shí)，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁動(dòng)土壓力都有了顯著的增加，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁最大值靠近樁底，值為1.72kPa：?jiǎn)五^點(diǎn)錨索最大值位于滑面處，值為1.67kPa。

同時(shí)，從圖中可以看出，隨著輸入的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁山側(cè)動(dòng)土壓力均不斷增加，且動(dòng)土壓力分布規(guī)律略有不同。單錨點(diǎn)錨索抗滑樁，滑面以上，靠近樁頂部分動(dòng)土壓力較小，滑面附近動(dòng)土壓力值最大，且動(dòng)土壓力增幅較大：滑面以下，靠近樁底動(dòng)土壓力值最大。而多錨點(diǎn)錨索抗滑樁，滑面以上，動(dòng)土壓力值在滑面處最大：滑面以下，靠近樁底動(dòng)土壓力值最大，動(dòng)土壓力最大值位于樁底。

從圖10可以看出：X向單獨(dú)加載時(shí)，當(dāng)輸入的動(dòng)峰值加速度為0.4g時(shí)，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁動(dòng)土壓力都有了顯著的增加，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁最大值靠近樁底，值為2.98kPa：?jiǎn)五^點(diǎn)錨索最大值位于滑面處，值為6.38kPa。

同時(shí)，從圖中可以看出，隨著輸入的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁山側(cè)動(dòng)土壓力均不斷增加，且動(dòng)土壓力分布規(guī)律略有不同。單錨點(diǎn)錨索抗滑樁，滑面以上，靠近樁頂部分動(dòng)土壓力較小，滑面附近動(dòng)土壓力值最大：滑面以下，靠近樁底動(dòng)土壓力值最大。當(dāng)輸入的動(dòng)峰值加速度為0.4g時(shí)，單錨點(diǎn)錨索抗滑樁動(dòng)土壓力有了顯著的增加，最大值位于滑面處，值為6.38kPa。多錨點(diǎn)錨索抗滑樁，滑面以上，靠近滑面附近動(dòng)土壓力值最大；滑面以下，靠近樁底動(dòng)土壓力值最大，動(dòng)土壓力最大值則位于樁底。

從圖11可以看出：XZ向單獨(dú)加載時(shí)，隨著輸入的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁山側(cè)動(dòng)土壓力均不斷增加，動(dòng)土壓力分布規(guī)律略有不同。單錨點(diǎn)錨索抗滑樁，滑面以上，靠近樁頂部分動(dòng)土壓力較小，滑面附近動(dòng)土壓力值最大：滑面以下，靠近樁底動(dòng)土壓力值最大。當(dāng)輸入的動(dòng)峰值加速度為0.4g時(shí)，動(dòng)土壓力有了顯著的增加。多錨點(diǎn)錨索抗滑樁，滑面以上滑面附近動(dòng)土壓力值最大：滑面以下，靠近樁底動(dòng)土壓力值最大，動(dòng)土壓力最大值則位于樁底。

綜上所述，當(dāng)動(dòng)峰值加速度不大于0.4g時(shí)，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁的抗震效果較好。由于本次計(jì)算模型尺寸較小，滑體體積相對(duì)較小，使得滑坡推力較小，當(dāng)多錨點(diǎn)錨索抗滑樁單根錨索的錨索拉力滿足其工程條件時(shí)，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁相當(dāng)于給抗滑樁施加了多個(gè)可靠約束，能有效地控制坡體變形，使得抗滑樁變形較小。

2.4剪力計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)輸入的動(dòng)峰值加速度不大于0.4g時(shí)，水平向振動(dòng)效應(yīng)要比垂直向顯著。由于樁身剪力分布基本相同，因此本文以X向加載時(shí)，剪力隨輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的分布變化進(jìn)行分析。

圖12為x向加載時(shí)，隨著輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速的增大，錨索抗滑樁樁剪力的變化分布曲線圖。圖（a）可以看出：X向單獨(dú)加載時(shí)，隨著輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，單錨點(diǎn)錨索抗滑樁在滑面處剪力不斷增大，且在嵌固段出現(xiàn)負(fù)剪力。在設(shè)置錨索位置，隨著輸入的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，振動(dòng)作用加劇，該處剪力略有減小，其分布規(guī)律基本相同。

圖（b）可以看出：X向單獨(dú)加載時(shí)，隨著輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁在滑面處剪力亦不斷增大，并且在抗滑樁的嵌固段局部出現(xiàn)負(fù)剪力，并隨著輸入的EI-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，不斷增加。由于多錨點(diǎn)錨索抗滑樁設(shè)有2排錨索，該處剪力較小，分布規(guī)律基本相同?？傮w而言，多錨點(diǎn)抗滑樁樁身彎矩相對(duì)較小。

2.5彎矩計(jì)算結(jié)果分析

由于，不同向加載時(shí)，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)抗滑樁彎矩分布規(guī)律基本相似，同樣以X向加載時(shí)，彎矩隨輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的分布形式變化進(jìn)行分析。

圖13為X向加載時(shí)，隨著輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速的增大，錨索抗滑樁樁彎矩的變化分布曲線圖。圖（a）可以看出：X向單獨(dú)加載時(shí)，隨著輸入的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，單錨點(diǎn)錨索樁身彎矩不斷增大，尤其在滑面處較快增大。并且在樁頭部位出現(xiàn)反彎，其彎矩分布規(guī)律基本相同。

圖（b）可以看出：X向單獨(dú)加載時(shí)，隨著輸入EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁在滑面處彎矩亦不斷增大，并隨著輸入的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度的增大，不斷增加。但由于多錨點(diǎn)錨索抗滑樁設(shè)有2排錨索，樁頭設(shè)置錨索部位彎矩較小，分布規(guī)律基本相同。總體而言，多錨點(diǎn)抗滑樁樁身彎矩相對(duì)較小。

3結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS有限元數(shù)值軟件，建立單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固邊坡的三維有限元模型，進(jìn)一步研究了在不同EL-Centro波動(dòng)峰值加速度作用下，單錨點(diǎn)與多錨點(diǎn)錨索抗滑樁的抗震性能，并得出以下結(jié)論：

①?gòu)钠麦w的位移變形來(lái)看，輸入相同的EL-Centro波動(dòng)峰值加速度，X加載時(shí)的坡體水平位移比Z向加載時(shí)位移變化更明顯，不利于邊坡的穩(wěn)定，且XZ雙向加載時(shí)的坡體位移比單向加載要大。

②相同動(dòng)峰值加速度作用下，多錨點(diǎn)錨索抗滑樁加固的坡體，其產(chǎn)生的位移相對(duì)較小，有利于控制坡體的變形，而且多錨點(diǎn)錨索抗滑樁樁身彎矩、剪力值相對(duì)較小。

③從錨索抗滑樁土壓力分布曲線來(lái)看：多錨點(diǎn)滑面處動(dòng)土壓力相對(duì)較小，抗震性能較好。endprint