錨桿加固失穩擋墻的受力特性分析

■楊驍鵬

（寧德沙埕灣跨海高速公路有限責任公司，寧德 352100）

舊擋墻的失穩是公路、鐵路、礦山、堤壩等領域普遍存在的問題[1]。舊擋墻的主要荷載是土壓力和相關的外來荷載，隨著其使用時間的增長，舊擋墻穩定性逐漸減弱，甚至出現不同程度的失穩現象。尤其在頻繁的外部荷載、雨水等自然因素的作用下，舊擋墻的失穩現象表現的更加突出。

加固擋墻的方法很多，比如小擋墻加固、抗滑樁加固以及錨桿加固等[2-5]。其中巖土錨固技術由于其力學性能良好、施工方便，在失穩擋墻加固領域應用廣泛[6-8]。雖然錨桿加固失穩擋墻技術應用較廣，但錨固力、錨桿間距以及錨桿傾角對失穩擋墻加固效果的影響仍不清晰。基于此，本文以福建某公路為例，運用有限元軟件ABAQUS對失穩擋墻加固前后的力學性能進行分析，并討論不同錨固力、錨桿間距及錨桿傾角對失穩擋墻力學性能的影響規律。

1 舊擋墻穩定性分析

1.1 舊擋墻概況

福建某公路邊坡支護采用重力式擋土墻 （幾何模型見圖1所示），其材料物理力學參數見表1所示。由理正設計軟件計算擋土墻的抗滑安全系數為0.926，抗傾覆安全系數為1.425，均不滿足規范要求。

1.2 舊擋墻受力的數值模擬分析1.2.1 模型和參數

有限元網格劃分見圖2，采用平面應變四節點單元CPE4。土和擋土墻的參數見表2，其中強風化花崗巖采用莫爾-庫倫本構模型，擋土墻采用線彈性模型。

圖1 幾何模型（單位：m）

圖2 模型的網格劃分

表1 各材料的參數

1.2.2 結果分析

對原工程舊擋墻進行建模分析，圖3～圖5分別為舊擋墻水平應力云圖、塑性區云圖以及水平位移云圖，由圖可知：（1）舊擋墻的墻趾出現了應力集中，主要原因是坡體整體的位移的方向指向墻趾。（2）坡頂和坡底塑性區貫通，說明了邊坡不穩定，容易發生破壞，從而使擋土墻發生坍塌。（3）最大的水平位移出現在坡頂，達到了42.98mm，而坡底的水平位移為10.74mm，所以擋土墻容易產生傾覆破壞。

圖3 水平應力

圖4 塑性區

圖5 水平位移

2 錨桿加固舊擋墻受力分析

2.1 錨桿加固方案

根據以上分析結果，擬采用錨筋措施加固舊擋墻。預應力錨桿：自由段長度La=4m，錨固段長度Lm=8m。共使用了兩排錨桿，其間距為2.5m。其幾何模型如圖6所示：

圖6 錨桿加固

2.2 錨固力的影響

圖7～圖10分別為錨桿加固后Na=300kN時的水平位移云圖、豎直位移云圖、水平應力云圖、塑性區云圖。由圖可知：（1）最大水平位移發生在墻底，順著墻往上位移逐漸減小。邊坡的水平位移發生在坡底，位移云圖呈環狀，越往里位移越小。（2）豎向位移呈層狀，從上到下位移值逐漸減小。（3）在錨桿和框架梁附近會出現應力集中的現象，應力值最大處會出現在這兩個接觸節點上，所以設計時必須注意節點的應力集中。（4）塑性區會發生在墻底周圍。

圖7 水平位移云圖

圖8 豎直位移云圖

圖9 水平應力云圖

圖10 塑性區

圖11～圖14分別為錨固力Na分別取300、250、200、150、0 kN時舊擋墻的最大水平位移變化圖和水平應力、豎向應力、剪切應力變化圖（A點表示靠上的錨桿與擋土墻的接觸點，B點表示靠下的錨桿與舊擋墻的接觸點）。由圖可知，（1）舊擋墻最大水平位移隨著錨桿錨固力的增大而減小。說明錨固力越大，錨桿對舊擋墻的加固效果越好。（2）水平應力、豎向應力以及剪應力皆隨著錨桿拉力的增大而先減小后增大，拐點大概都為Na=300kN左右。這可以說明并不是越大的錨固力越好，過大的預應力會使舊擋墻產生很大的應力集中。

圖11 舊擋墻最大水平位移變化

圖12 水平應力變化

圖13 豎向應力變化

圖14 剪切應力變化

圖15表示在不同的錨固力下，墻身水平位移的變化。由圖可知，舊擋墻最大的水平位移發生在墻底。中間的兩個拐點主要是由于錨桿的影響，而導致水平位移相對于周圍的小。隨著錨固力的增大，墻體整體的水平位移會變大。

圖15 墻身水平位移的變化

2.3 錨桿間距的影響

圖 16表示錨桿間距 S分別取 3.5、2.5、2、1.5m 時，墻身的水平位移的變化。可以看出，墻底的水平位移最大，墻頂的位移最小，甚至會出現負位移，而中間的兩個拐點間距與錨桿的間距相符，錨桿的存在限制了接頭點的水平位移。間距越大，墻底和墻頂的位移差值會更小。

圖16 墻身水平位移對比

2.4 錨桿傾角的影響

圖17表示錨桿與水平方向的夾角 （逆時針為正）分別取 α=10°、15°、20°、30°時，墻身的水平位移的變化。 可以得出最大水平位移都是在墻底，位移曲線兩個拐點的距離差不多，其中α=10°時，坡頂坡底的位移差最大，α=30°時，坡頂坡底的位移差最小。四條曲線比較接近，所以錨桿的角度對舊擋墻的位移影響不明顯。

3 結論

（1）錨桿對失穩擋墻進行加固后，最大的水平位移發生在墻底部分。錨固力越大，水平位移越小。墻頂會發生向邊坡方向很小的負位移。加固后錨桿結點處的舊擋墻水平位移會減小且小于旁邊位移。間距越大，墻底最大的水平位移越小，且墻底與墻底的位移差值越小。錨桿角度對擋土墻位移的影響不大。

圖17 墻身水平位移對比

（2）加固前，應力集中出現在舊擋墻的墻趾上；而使用錨桿加固會出現三個應力集中部位，錨桿的兩個節點和墻底。錨固力變化時，最大的集中應力會出現一個最低值，大概為Na=300kN左右時，之后越大的錨固力產生的應力集中越嚴重。兩錨桿的間距越小，越容易發生應力集中現象。所以設計施工時，這方面應該注意。

（3）加固前，失穩擋墻上部的位移會大于下部的位移，所以容易發生傾覆破壞；錨桿加固后，失穩擋墻底部的位移比頂部的位移大，底部會先發生滑移破壞。

（4）加固前邊坡坡頂到坡腳整體貫通；而錨桿加固后，塑性區不會發生貫通，只在失穩擋墻墻角區域出現部分塑性區。因此，錨桿加固失穩擋墻效果良好。

隨著錨固力增大，最大的集中應力會逐漸降低至最低值，之后越大的錨固力產生的應力集中越嚴重；錨桿間距越小，越容易發生應力集中現象。

[1]何善國.病險及舊擋土墻加固改造途徑與措施探討[J].水利規劃與設計,2013（02）:30-34.

[2]趙雪.擋墻加固邊坡的穩定分析方法研究[D].浙江海洋大學,2017.

[3]馬全珍,鐘秀梅,張寶華.失穩重力式擋土墻加固方法的探討與應用[J].山西建筑,2011,37（12）:71-72.

[4]陳力華.公路隧道節理圍巖錨桿荷載傳遞規律及錨固功效研究[D].重慶大學,2016.

[5]閆琴.山區公路擋墻加固技術探討[J].青海交通科技,2017（05）:78-79.

[6]楊閆.邊坡荷載變化時錨桿加固計算模型[D].重慶大學,2012.

[7]盧瑞娜.錨桿擋土墻加固時錨固段群錨效應研究[D].重慶大學,2013.

[8]程良奎.巖土錨固的現狀與發展[J].土木工程學報，2001.34（3）:7-16.