预应力锚索抗滑桩锚索拉力优化分析

摘要：锚索的使用改善了预应力锚索抗滑桩的受力模式，使桩身受力更加合理。本文使用有限单元法相关软件对工程案例进行建模，通过前人相关试验成果推导出锚索拉力初设值。然后对不同锚索拉力下桩身内力值的变化进行分析，寻找合适的锚索拉力，使其在满足安全性的前提下，能最大限度地改善预应力锚索抗滑桩桩身受力、位移情况。

关键词：预应力锚索抗滑桩；锚索拉力；桩身内力；改善。

1.概述

预应力锚索抗滑桩是一种主动受力和被动受力相结合的新型岩土工程锚固技术，其中锚索为主动受力，抗滑桩为被动受力[1]。锚索的使用改善了预应力锚索抗滑桩的受力模式，传统的抗滑桩相当于悬臂梁结构，而预应力锚索抗滑桩可视为一端铰接的梁式结构，因此预应力锚索抗滑桩的受力情况更加合理。可见锚索拉力对结构体影响非常之大。

根据弹性地基梁理论及位移变形协调原理，可以确定锚索拉力及桩身内力[2]。锚索拉力通过锚索张拉来获得，因此锚索拉力值的大小可以在一定范围内变化。锚索拉力值的选取范围从几百到数千千牛，但过大的锚索拉力会使得桩前岩土体产生较大的土压力，而过小的锚索拉力又不能起到很好地降低桩身内力的作用。现行的预应力锚索抗滑桩的优化设计可通过选取合适的锚索拉力，降低桩截面尺寸、桩长及减少钢筋用量来实现。因此，如何选取一个合适的锚索拉力值，使预应力锚索抗滑桩桩身内力分布比较合理，其意义较为深远。

本文使用有限单元法软件PLAXIS对工程案例建模。该方法不必对一部分内力和滑动面形状作出假设，可以使结果的理论基础更为严密[3]。通过对计算结果的分析，得出锚索拉力值对降低桩身内力、改善桩身弯矩分布及降低桩顶位移的作用，希望对后期的研究起到抛砖引玉的作用。

2.模型的建立及分析

某一滑坡体，总体坡度约13°，滑坡纵长400～1140m，宽239～1000m，面积约1.5km2，属推动式滑坡。在滑坡体上需要布置一条输油管道。该场地岩土由碎石土和页岩组成。上层为碎石土：容重20kN/m3,弹性模量1.0×104kN/m2,粘聚力为30kN/m2，内摩擦角为25°，泊松比为0.35。下层为页岩：容重24.5kN/m3，弹性模量1.0×108kN/m2,粘聚力为350kN/m2，内摩擦角为34.3°，泊松比为0.24。

通过传递系数法计算得：拟建输油管道处滑坡体剩余下滑力为1946kN/m。研究表明：当滑坡推力介于1000～3000kN/m时，采用预应力锚索抗滑桩比较合适[4]。该工点拟采用抗滑桩桩长16m，锚固段5m，桩间距为6m，桩截面尺寸为1.5m×2.0m。根据相关规范及工程经验，锚索设置在桩顶下1m处，与水平线夹角为20°,锚索锚固段5m。

本工点情况较简单，可采用二维平面应变模型。对各参数进行修正后，用板单元模拟梁；用土工格栅和杆单元模拟锚索，其中土工格栅可以模拟锚索的锚固段；锚索预应力可直接在杆单元施加；屈服准则采用莫尔-库仑准则；排水情况。支挡结构体参数：钢筋混凝土桩的弹性模量值取3.0×104Mpa，泊松比0.1；模拟锚索锚固段的土工格栅抗拉刚度值取1.0×105kN/m；模拟锚索自由段的杆单元弹性模量值取1.95×105Mpa，抗拉刚度取4296kN，间距6m。另外，桩与碎石土的边界采用0.5的强度折减系数，桩与页岩的边界采用1.0的强度折减系数。

建立的模型如下图：

图2.1 模型总位移云图

根据地基系数法，结合本工点情况，可认为预应力锚索抗滑桩背后推力分布为梯形[5]。徐良德等进行的滑坡相关模型试验研究表明抗滑桩所受岩土压力的合力大约在桩悬臂段中间[6]，因此此时土压力的合力大约位于桩顶下5.5m，。为了降低桩身的弯矩值，可以假设在锚索拉力作用下，滑面处桩身弯矩值为零。通过计算，得锚索拉力初设值为1070kN。

通过上述分析，本模型分别采用锚索拉力值为900kN、1050kN、1200kN、1350kN、1500kN。通过有限单元法计算得桩身相应的最大弯矩值分别为：804.28kNm/m、629.49kNm/m、423.04kNm/m、-363.74kNm/m、-438.34kNm/m，相对应的最大剪力值分别为：441.53kN/m、365.82kN/m、343.21kN/m、162.5kN/m、205.81kN/m，桩身最大位移值分别为：3.16mm、1.97mm、1.24mm、-0.3mm、-1.58mm。

由以上数据可知，随着锚索拉力值的增大，桩身的最大弯矩值和最大剪力值明显降低；且随着锚索拉力值达到1350kN,此时的桩身最大弯矩值和最大位移值已经为负值，意味着抗滑桩将向桩后弯曲。同时，抗滑桩将受到比较大的土压力，此时的锚索拉力值不是经济合理的方案。简而言之，当锚索拉力达到1350kN及以上的时候，此时的锚索拉力是不合理的。同时，锚索拉力为1200kN时，较锚索拉力为900kN或1050kN，能明显降低桩身最大弯矩值、最大剪力值及最大位移。下图为锚索拉力为1200kN时的桩身弯矩图：

图 2.2 桩身弯矩图

从上图可以看出，此时的锚索拉力作用下，桩身弯矩图出现两个极值，且相差不大，能合理利用钢筋混凝土材料的双向抗弯性能，有利于抗滑桩的配筋。

综上所述，预应力锚索抗滑桩的锚索拉力值选取1200kN。

结论

通过对有限单元法软件计算结果的分析，得出预应力锚索抗滑桩锚索拉力的选取可遵循以下几点：

预应力锚索抗滑桩的锚索拉力优化以不产生负位移，且位移值偏小为标准，此时桩身的最大弯矩值也为正值，且桩身弯矩分布图比较合理。

预应力锚索抗滑桩的锚索拉力值不能过大，否则将产生较大的土压力；同时也不能过小，锚索拉力过小时的作用效果趋同于普通式抗滑桩受力情况，不能体现预应力锚索抗滑桩改善桩身受力的优越性。

一些对位移要求严格的工程，可以通过增大锚索拉力值来降低桩顶位移。

参考文献：

[1] 王德兵.对预应力锚索抗滑桩受力机理的初步探讨.重庆大学硕士学位论文.重庆：重庆大学.2006

[2] 陈占.预应力锚索桩设计与计算.地球科学-中国地质大学学报，2001

[3] 陈祖煜著.土质边坡稳定分析-原理、方法、程序.北京:中国水利水电出版社.2003.

[4] 丁建军.锚索抗滑桩与土体相互作用的数值分析.福州大学硕士学位论文.福州：福州大学.2003

[5] 李长冬.抗滑桩与滑坡体相互作用机理及其优化研究.中国地质大学博士学位论文.

[6] 徐良德.抗滑桩桩前滑体出现塑性变形时抗力分布的初步探讨.中国土木工程学会第四届土力学及基础工程学术会议论文选集.北京:中国建筑工业出版社，1986.