高塹邊坡錨索加固設計參數的優化
——以廈門北站環山路為工程案例

鄭朝暉

(廈門中平公路勘察設計院有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

道路交通是經濟發展的命脈，通達快捷的路網是促進地區經濟進一步發展的先決條件。跟隨著城鎮化腳步的前進，越來越多的地區建設大量的高速公路、國省干線。這些地區不乏惡劣的地質條件，道路沿線，高路堤、深路塹頻繁出現，高邊坡穩定分析的重要性日漸凸顯。

框架錨索防護作為典型輕型防護形式在高塹坡防護中應用頻繁，壓力分散型錨索因為其具有錨固段端部峰值應力小，能夠提供更大的錨固力等優勢成為了錨索中的主流[1]。通過邊坡安全系數反算錨固力、錨固長度，再對不同錨索單元進行力值分配是現在大部分工程采用的設計方法，但是壓力分散性長錨索加固受力特性復雜，力學分析困難，尤其是這種設計方法忽略了工后變形對錨索錨固力的影響，難以對其進行力學分析，因此要采用數值分析方法，預估不同工況產生的變形，進而對錨索加固設計參數進行優化。

基于此，本文擬以廈門北站環山路為工程案例，探討高塹邊坡錨索加固設計參數的優化，與同仁交流。

1 工程概況

廈門集美新城巖內片區環山路工程位于廈門北站北廣場，是北廣場路網的重要組成部分，是巖內車輛基地上蓋保障性住房居民出行的重要通道。路線沿石堀山山體展線，全長5.159km，起點段1.4km為城市次干道，其余路段為城市支路。道路沿線經過地區多為低山丘陵與殘丘臺地相間，局部地段溝谷發育，地形總體稍有起伏，地勢為西北高、東南低，呈階梯狀下降，高程約為22.97m～90.40m，沿線多處邊坡高達30m～40m，邊坡防護設計成為該工程設計的重點、難點。

環山路K3+700處與廈安高速巖鳳溪隧道K9+568.594(運營樁號)交叉，交叉角度54°50′57″，道路路線K3+620～K3+740段，布設于鳳溪隧道上方，采用路基方案上跨，長度約120m，邊坡高度約18m～27m，三級邊坡。根據工程地質鉆孔揭露及結合現場地質測繪調查，開挖邊坡處，表層覆蓋層為粉質粘土，殘積砂質粘性土，覆蓋層下主要為燕山晚期中粗粒花崗巖，按其風化程度分為全、強、中、微風化4個亞層，鉆探揭露的深度范圍內中風化基巖節理裂隙很發育～發育，巖芯破碎～較完整，由上而下,依次為：全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。

具體工程設計方案如圖1所示：

(1)內側邊坡第一、第二級坡率為1∶1，采用預應力錨索框架進行防護，錨索采用壓力分散型，豎向間距4m，水平間距3m，單孔4根直徑為15.2×10-3m鋼絞線，錨固長度10m，預應力值初定采用300kN，其中單元一長度20m，單元二長度為15m。

(2)內側邊坡第三級為1∶1.25，采用一般植草坡面防護，下同。

(3)道路外側采用懸臂式輕型擋墻，擋墻高度為4.5m，埋置深度大于1m。

圖1 高邊坡地質橫斷面示意圖

2 錨索設計、張拉

根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2013)規范要求，一級邊坡錨桿桿體抗拉安全系數為2.2，巖土錨固體抗拔安全系數為2.6。

鋼絞線極限抗拉強度1860MPa，因此錨索單元極限張拉荷載：

Npk1=1860×0.00014×2=520.8kN>150×2.2=330kN，滿足要求。

錨固段位于碎塊狀強風化花崗巖，根據地勘資料，地層與錨固體粘結強度極限值采用320kPa，因此錨固體極限粘結力為：

Npk2=3.14×0.13×5×320×5=653.1kN>150×2.6=390kN，滿足要求。

壓力分散型錨索應先對較長的錨索單元進行先補償張拉，之后單元一、單元二再一同張拉，進而使得錨索不同單元最終鎖定的力值相等[2]。錨索張拉分析如下：

S1=N1L1/2EA=150×20/(2×19 500×0.00 014)=0.055m

S2=N2L2/2EA=150×15/(2×19 500×0.00 014)=0.041m

△S=S1-S2=0.055-0.041=0.014m

△N1=2EA△S/L1=2×19 500×0.00 014×0.014/20=37.5kN

其中：N1、N2分別為單元一、單元二拉力，為150kN；

L1、L2分別為單元一、單元二長度，L1=20m，L2=15m；

E為鋼絞線彈性模量；

A為單根錨索長度；

△S為單元一、單元二差異伸長量；

△N1為單元一補償張拉力；

錨索單元分布張拉如表1所示。

表1 錨索單元分步張拉 kN

這種應力張拉方式先對單元一進行補償張拉，之后第一、第二單元共同張拉，使得單元一、單元二受力大致相等。這種張拉方式基于邊坡工后不產生變形的假定，但是實際工程中，為了保證邊坡的安全穩定，均要求施工單位邊坡開挖后應立即進行坡面防護，同時要求在上一級邊坡防護實施完成后，才能對下一級邊坡進行開挖。因此，多級邊坡開挖過程中，應充分考慮下級邊坡開挖對上級邊坡變形的影響，避免邊坡變形過大，導致錨索拉力超過極限值，同時應考慮變形對補償拉力的影響，對邊坡變形進行預估，避免同一錨索不同單元受力差別過大，受力不均，影響錨索的整體受力性能。采用數值分析方法，可以對不同工況下的變形進行分析，對錨索參數進行優化設計。

3 應用數值分析方法優化錨索加固設計參數

3.1 Abaqus有限元模型的建立

模型運用巖土界內知名有限元Abaqus構建，其中土體采用三節點線性平面三角形單元，采用摩爾-庫倫模型塑性本構模型[3]；框架采用四節點雙線性平面應變四邊形單元，采用彈性模型，考慮框架作用主要是將錨索作用力傳遞給土體，因此通過放大豎肋截面，簡化橫梁的方式進行框架等效；錨索采用二節點二維桁單元，采用彈性模型；錨索預應力采用降溫法，即在模塊中定義溫度膨脹系數，然后在分析步中降低溫度，以達到施加預應力的效果。有限元模型網格劃人如圖2所示，計算公式如下：

△T=N/aEA

其中：△T為降低溫度值，N為施加的預應力值，E為錨索彈性模量，A為截面面積，a為膨脹系數。

模型分析過程中建立多個分析步以模擬不同施工工況，具體工況及施工內容如表2所示。

圖2 有限元模型網格劃分

表2 工況及實施內容

3.2 設計參數

根據勘察資料，計算參數見表3。

表3 計算采用物理力學參數

3.3 數值模擬結果及分析

將邊坡、框架、錨索單元進行裝配組合，錨索與框架進行綁定處理，模擬邊坡開挖和施加錨索的工序。開挖后土體變形如圖3所示，最大位移位于第一邊坡處，約15.5cm。

圖3 邊坡變形云圖

圖4 二級邊坡第一道錨索變形(S21=0.023m)—工況6

第六階段對第一級邊坡進行開挖，開挖過程使第二級已施加預應力的錨索產生變形，如圖4～圖5所示，第一級邊坡開挖引起第二級邊坡第一道錨索變形△S21=0.023m，引起第二級邊坡第二道錨索變形 △S22=0.031m。

圖5 二級邊坡第二道錨索變形(S22=0.031m)—工況6

考慮邊坡變形引起的附加拉力，第二級邊坡錨索拉力，如表4所示。

表4 第二級邊坡錨索拉力 kN

3.4 錨索拉力優化調整

根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)第8.2.2條規定，錨桿桿體抗拉安全系數應大于2.2，因此考慮滿足規范要求，同時使框架受力更為均衡協調，同一片框架不同錨索不同單元差異荷載均控制在15%范圍，因此該次設計第二級邊坡第一道錨索預應力為150kN，第二道錨索預應力調整為125kN。調整后錨索拉力如表5所示。

表5 錨索單元分步張拉 kN

運用理正巖土軟件進行穩定計算，同時運用Abaqus有限元軟件強度折減法進行復核驗算，最終確定邊坡穩定系數可達1.67。

4 結論

不同工況的變形所產生的附加荷載對錨索的影響較大，尤其是在土質情況較差，變形較大的邊坡，這種附加荷載是不可忽視的。

采用數值分析方法，預測不同工況引起的變形，對工程設計的參數合理性的論證，對不同錨索的不同單元進行具體設計、優化是必要的。

施工過程在坡體布置變形控制點，對設計方案進行復核，對施工過程進行預警，實施動態設計，有利于確保工程安全。