预应力锚索抗滑桩结构在高速公路滑坡治理中的应用.docx

预应力锚索抗滑桩结构在高速公路滑坡治理中的应用 1前言 预应力锚索抗滑桩是滑坡治理工程措施之一，在滑坡治理中的运用既能克服挡土墙治理滑坡的局限性，预应力技术的应用也能胜利解决一般抗滑桩大悬臂受力，受力机制不合理，工程造价昂贵等问题。 随着有限元强度折减法在边坡稳定性分析中运用越来越成熟，可以克服传统的极限平衡法计算存在的不足，能够对具有困难地貌、地质的边坡进行计算；并且能考虑土体的本构关系，以及变形对应力的影响。本文结合广西某高速马路的K18+200300路段的失稳边坡的加固治理，如图1，从预应力锚索+抗滑桩结构桩身与锚索的变形协调原理动身，采纳传递系数法计算出滑坡推力，再结合有限元强度折减法计算桩锚结构内力，进而求解出桩身的内力分布，为其结构设计奠定了基础1。 2采纳传递系数法计算滑坡推力 采纳计算的软件为理正抗滑桩设计软件，滑坡推力计算方法采纳不平衡推力法。由于该软件采纳的不平衡推力法计算滑坡推力时的平安系数定义是采纳增大荷载的方法，即将滑体下滑力乘以一个大于1的系数。 为了使不同方法之间都采纳强度折减法来考虑平安系数，这里采纳了一种变通的方法，即在理正抗滑桩设计软件中计算滑坡推力时将平安系数设置为1.0，但是将滑面的强度参数折减1.3倍后以反算出来的参数作为输入，即： 通过计算，可能每一条块的滑坡推力。在滑坡治理的抗滑桩设计中，作用在桩上引起弯矩和剪力的力主要是水平岩土侧压力，而采纳传递系数法计算得到的滑坡推力方向与设桩处那一条块滑面倾角平行，并不是垂直作用在桩上的水平侧压力。依据以上计算结果，由于设桩处滑面倾角为30.4度，因此抗滑桩受到的滑坡剩余下滑力水平分力为： 487.7×cos=420.6kN/m. 3用传统方法计算抗滑桩结构内力 依据抗滑桩的受力特点，常将滑动面上、下段分别考虑，滑动面以上视为定向铰支的悬背梁，滑动面以下视为winker弹性地基梁，其基本假定为桩深任一点处岩土的抗力与该点的位移成正比。桩侧岩土体的弹性抗力系数简称为地基系数，是地基承受的侧压力与桩在该处产生的侧向位移的比值2。换句话说，地基系数是在弹性变形限度内，单位面积的土体产生单位压缩变形时所须要的侧向压力。当岩层较完整或硬粘土时，认为侧向地基系数不随深度而改变，相应的弹性地基梁的计算方法为“K”法。对于硬塑半干硬的砂粘土、密实土、碎石土或风化破裂的岩层，认为地基系数是随深度而改变的，相应的计算方法称为“m”法。以上计算方法，当前国内有较成熟的软件，比如理正软件。经计算可得抗滑桩的内力如图5。 4有限元强度折减法计算桩锚结构内力 有限元模型的建立 计算根据平面应变处理，岩土体单元用6节点三角形平面单元PLANE2模拟，抗滑桩用梁单元BEAM3单元模拟，如图6。桩与滑体之间的接触关系采纳桩与土共节点但材料性质不同的连续介质模型。坡脚处重力式挡墙采纳平面单元模拟；边界条件为上部为自由边界，左右两侧水平约束，底部固定；预应力锚索的加固作用可以通过施加集中力的方法来模拟，即在有限元网格中距离等于锚索长度且方向与锚索方向一样的两个节点上施加一对相向的集中力。 依据施工设计，每孔锚索设计锚固力500kN，锚索倾角25°，在锚索的外锚头节点的水平方向施加-500×cos25°=453kN的集中力，在竖直方向施加-500×sin25°=211.3kN的集中力。 抗滑桩截面为直径1200mm的挖孔桩； 桩单元的惯性矩：I=0.102m4； 桩单元的截面积：A=1.13 m2； 计算采纳的物理力学参数 计算采纳的力学参数见表1。计算滑坡推力及结构内力时，岩土体强度储备平安系数取1.3。 材料本构模型及其平安系数的考虑 抗滑桩根据线弹性材料处理，岩土材料本构模型采纳志向弹塑性模型，屈服准则为平面应变摩尔-库仑匹配DP准则。 滑坡推力大小计算结果 进行有限元计算后，利用ANSYS软件后处理中供应的路径分析功能，沿桩从滑面到顶部设置路径，将水平应力映射到路径上，然后沿此路径对水平应力进行积分，就可以得到总的滑坡水平推力。 图4.2为桩上水平应力积分计算结果分布，端部最大数据即为得到的滑坡水平推力大小。 采纳不同方法得到滑坡水平推力计算结果见表2。 可见，采纳有限元强度折减法计算得到的滑坡水平推力基本接近，因此可以采纳有限元法来计算结构内力3。 滑坡推力分布计算结果 依据强度折减有限元计算结果可以得到各点的水平应力，通过图形显示可得到滑面以上桩前的水平应力分布，如图8，可见，采纳有限元强度折减法得到桩上的水平应力分布总体呈三角形分布。在滑面处，出现应力集中，此处出现局部拉应力4。 通过一些其它算例表明，当墙后填土倾斜时，土压力呈弓形分布，中间大，两端小，如图9。当墙后填土水平常，土压力大致呈三角形分布，但是最大土压力没有出现在最下部，靠近墙脚处应力较小。图10为挡土墙墙后填土水平而且土体有肯定侧向变形时粘性土的土压力分布。 抗滑桩弯矩和剪力 计算得到设置预应力锚索后桩的最大弯矩：1660kN.m，如图11，最大剪力1280 kN，如图12。得到桩的内力大小及分布后，即可据此进行截面配筋计算。 加固后的破坏模式及平安系数 假如坡脚不设置重力式挡墙，那么在中部设置抗滑桩后的破坏模式如图13，土体从桩前滑走，对应的稳定平安系数为1.18。 坡脚设置重力式挡墙后的破坏模式如图14，土体从挡墙顶部越出，对应的稳定平安系数为1.26。 4不同方法得到的桩内力结果对比 采纳不同方法计算得到的桩内力结果对比见表3。从计算结果看出，有限元计算结果与传统方法中滑坡推力分布假定为三角形时的计算结果相对接近，有限元计算结果偏大，但是从内力分布看，总体趋势基本一样，因此采纳有限元法计算桩锚结构的内力是可行的，合理的。该方法有着良好的应用前景。 5计算结果分析及结论 有限元计算结果与传统方法中滑坡推力分布假定为三角形时的计算结果相对接近，有限元计算结果稍偏大，但是从内力分布看，总体趋势基本一样，表明采纳有限元法计算桩锚结构的内力是可行的。传统方法的滑坡推力分布是假定的，有限元法得到的滑坡推力分布更接近于实际，而且充分考虑了岩土介质与支挡结果的共同作用，这种方法将会有良好的应用前景。 采纳桩锚结构支挡后，上部土体保持稳定，但是随着土体强度参数的降低，桩前土体将滑动破坏。假如坡脚不设置重力式挡墙，土体从桩前滑走，对应的稳定平安系数为1.185。坡脚设置重力式挡墙后土体从挡墙顶部越出，此时的平安系数提高到1.26，达到二级边坡的稳定平安系数1.25，说明边坡治理已达到平安要求。 单位：成都市蓉咨建设监理有限公司云南省航务管理局 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页