樁錨支護結構中錨桿預應力對支護效果的影響*

傅國慶，李 聰，，蔡亞峰，萬小龍，林宇亮

（1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410000；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410000）

樁錨支護結構由于其發展歷史較長、技術體系完備、支護效果好、成本經濟而被廣泛應用于各類邊坡工程中，特別是深基坑和高邊坡等對坡體變形有著嚴格要求的支擋工程中。完善樁錨支護結構的理論研究，提高樁錨支護結構的數值模擬水平，有利于加強對樁體的變形和受力以及對樁后土體變形的預測和分析，對提高樁錨支護結構的安全性、可靠性和經濟性有著重要的現實意義。梁文靜等[1]運用有限元GTS軟件在不同錨桿傾角和不同錨桿錨固段長度情況下分別進行數值模擬，其研究建議布置錨索錨固角在10～15°；張宗輝[2]進行了地下工程預應力錨桿設計方法的研究，得出在裂隙發育的硬巖地下洞室工程中，錨桿重點布置在拱頂受拉破壞區，對于水平成層巖層，錨桿應盡可能與巖層構成直角布置，而在其他條件下，則徑向使之構成楔狀布置這一結論。此外，陳東印[3]、余曼[4]等也做過關于錨桿傾角方面的研究工作。宋衛康等[5]進行了預應力值對樁錨復合土釘支護結構的影響研究，此研究分析了錨桿預應力值對樁體變形和樁后土體變形的影響。文章基于湖南長沙龍塘小學與國防科大間支路路塹邊坡防護工程實例，采用FLAC3D軟件進行數值模擬，分析在不同錨桿預應力條件下，樁體和樁后土體以及坡頂土體的變形情況，進而研究預應力對邊坡支護效果的影響。

1 工程概況

龍塘小學與國防科大支路工程設計路線全長約1.3km。該項目路基處理以挖方為主，K0+205～K0+525、K0+682～K0+965左側路塹邊坡地質概況為粉質黏土和強風化板巖，遇水易受沖刷和軟化，部分邊坡切深達14m，坡頂有重要的建筑物距道路紅線較近；受國防科大側用地限制，無較大放坡空間。結合初步設計評審意見，此次設計采用樁錨支護結構體系對路塹式邊坡進行支護?，F場施工圖如圖1所示。

2 模型的建立

2.1 模型的基本假定

（1）假定該支護結構變形滿足平面問題的基本條件。

圖1 現場施工圖

（2）假定該錨桿為完全彈性體，錨桿采用cable單元。

（3）假定土體為彈塑性材料，模擬其塑性特性時屈服條件符合Mohr-Coulomb屈服準則。

2.2 模擬計算斷面選取

根據工程實際情況，在該段邊坡支護工程中，選取K0+396為計算剖面，該剖面高度最高，從坡頂到開挖后的路面標高距離為22.23m。該剖面一共分為三層土，邊坡最上層為硬塑粉質黏土層，層厚為6.866m；中間層為強風化泥質板巖，層厚為14m；最下層為中風化礫巖，層厚為20.5m。該剖面樁后土體不是水平面，而是一個有一定坡度的小山丘，該小山丘采取的是放坡處理。該計算剖面適用于K0+340～K0+430段，該段采用樁錨支護，樁距2.0m，采用圓形樁，直徑為1.0m，冠梁的截面尺寸均為1.0m×0.8m。

2.3 數值模型

對所模擬的斷面K0+396，根據實際工況以及網格的選取進行適當簡化：取最上層硬塑粉質黏土層厚度為6.5m，中間強風化泥質板巖厚度為14m，最下層中風化礫巖層厚度為17.5m，開挖高度為13.5m，被開挖體為一斜坡體，坡面為一傾斜平面。樁后放坡土體高出樁頂8.5m，該土坡坡面起點在樁后4m處，樁后土體最大厚度取36m，樁前土體最大厚度取9.65m。沿計算斷面法線方向取模型寬度為12m，一共包含6根樁。模型中，樁直徑為1m，樁高取24.5m，包括路面以上13.5m和埋在土中的11m。依據數值模型的大小合理劃分網格，計算模型單元總數為87360，網格節點總數為93245。模型的邊界條件：左右邊界設置法向約束；下部邊界固定，限制其水平位移和豎向位移；模型的上部邊界面為自由面。在模擬計算過程中，只考慮自重應力場的影響。開挖前后FLAC3D計算模型如圖2所示。

圖2 FLAC3D計算模型

2.4 材料參數的選取

根據實際工程地質勘查資料和設計資料，查閱相關規范，確定材料力學參數和樁錨支護結構設計參數，如表1、表2所示。

3 錨桿預應力值的影響

根據工程實際，數值模型采用六排錨桿對樁體進行錨固，第一排錨桿錨固點在冠梁處，第二排錨索與第一排錨桿的豎向間距為1.75m，從第三排開始各排錨桿的豎向間距均為2.5m。各排錨索從上至下總長度/錨固長度分別為30.5m/17.5m、28.5m/12.0m、26.5m/16.0m、24.5m/9.0m、20m/7.5m、18m/6m。各排錨桿預應力皆為300kN。

在樁錨支護結構中，錨桿預應力不僅僅給樁體提供支撐以限制樁體變形，同時也會影響樁后土體的變形特征。通過限制錨桿的其他變量，而僅改變預應力值來探討錨桿預應力對樁后土體水平位移、地表沉降、樁體變形等因素的影響。錨桿的傾角均取15°，取錨桿預應力值 為 0kN、100kN、200kN、300kN、400kN、500kN、600kN、700kN、800kN的情況分別建模并進行數值計算，對比分析在不同預應力值條件下樁后土體的水平位移、坡頂地表沉降、樁體變形的變化情況。

3.1 錨桿預應力值對樁后土體水平位移影響

選取模型對稱面處的樁后土體作為分析對象，由于開挖面以下土體的擾動較小，這里只對開挖面以上的樁后土體位移進行分析。將不同錨桿預應力下樁后土體水平位移曲線進行匯總，如圖3所示。

圖3 不同預應力下樁后土體水平位移

由圖3可知：錨索預應力值在一定范圍內與樁后土體的側向位移有著顯著的關聯性。錨桿預應力值從0kN增大到500kN的過程中對樁后土體水平位移的約束明顯增強，但錨桿預應力值超過500kN后，各預應力值下土體水平位移曲線基本重合，可認為預應力值超過500kN后繼續提高預應力不能再對土體水平位移的控制起到增強效果。在樁錨支護結構中，從對樁后土體水平位移的控制來看，在一定范圍內增加預應力是一個不錯的選擇，但施加的預應力也不能過大，因為當預應力超出一定界限后并不能起到更好的效果，反而會提高工程造價。

表1 巖土體的特征參數情況

表2 混凝土及錨桿參數

3.2 錨桿預應力值對地表沉降的影響

以小土坡坡頂的沉降來分析錨桿預應力值對地表沉降的影響。將不同預應力值下模擬得出的坡頂地表沉降曲線進行匯總，如圖4所示。

圖4 不同預應力下坡頂地表沉降

由圖4可以發現：各錨桿預應力鎖定值情況下坡頂沉降曲線的變化趨勢基本一致，預應力為0kN時坡頂沉降最大，隨著預應力從0kN增加到500kN，坡頂沉降有明顯減小的趨勢。當預應力超過500kN后再增加預應力鎖定值，對于控制坡頂沉降已起不到效果。由此可得出結論：在樁錨支護工程中，從對樁后地表沉降的控制考慮，在一定范圍內增加預應力能起到很好的控制效果，但當預應力超出一定界限后便不能再起到加強的作用，反而會提高工程造價，此處所得出的這個界限值為500kN。

3.3 錨桿預應力值對樁體變形的影響

選取所建模型中從左往右的第三根樁的變形值進行分析，以樁高為y軸，樁的水平位移為x軸，將不同預應力值條件下的樁體變形曲線進行匯總，如圖5所示。

由圖5可以發現：預應力鎖定值為0kN時，樁體位移十分顯著，樁頂位移達到了將近20mm。預應力從0kN增加到500kN的過程中，樁體變形有明顯減小的趨勢。當預應力超過500kN后，如圖5中預應力為500kN、600kN、700kN、800kN的情況下的變形曲線基本重合，說明預應力超過500kN后再增加已起不到減小樁體變形作用。由此可得出結論：在樁錨支護工程中，從對樁體變形控制的考慮，在一定范圍內增加錨桿預應力能起到很好的效果，但當預應力超出一定界限后便不再起到加強的作用，此處得出的界限值也為500kN。

圖5 不同預應力下樁體側向位移

4 結論

（1）錨桿預應力值對樁后土體水平位移、坡頂地表沉降、樁體變形等因素皆有影響。在小于某一界限值的范圍內增加預應力，各項變形值顯著減小，變形得到良好控制。但預應力超出這一界限值時可發現各項變形隨預應力的增加不再有明顯減小。所以，采用超出界限值的錨桿預應力不僅不經濟，而且也沒有效果。本文所給出的界限值為500kN，這是基于此工程實例得出的，有一定的借鑒意義，在其他工程中可以進行試驗和數值模擬對這一界限值加以確定。

（3）以湖南長沙龍塘小學與國防科大間支路路塹邊坡樁錨支護工程實例為背景，綜合考慮變形的控制、施工技術、工程的經濟性及可靠性等因素，從控制邊坡和樁體變形的角度來看，建議錨桿預應力取值范圍為200～500kN。