框架锚索抗滑桩综合治理滑坡施工技术

周恩文,章建钰,奚智聪

中国建筑第五工程局有限公司 湖南长沙 410000

摘要：针对四川东北某锚杆框架加固边坡，研究了防滑桩锚索框架组合结构。应用 MIDAS/GTS软件对锚索框架进行了数值模拟，模拟了抗滑桩锚索机架的稳定性，研究了抗滑桩和锚索的应力分布进行了研究，并对抗滑桩、锚索的载荷分布进行了研究。结果表明：①采用减强法的边坡位置与实际滑坡情况基本一致，稳定系数接近极限，计算结果符合设计规范；(2)当土的强度折减系数增加时，支座所承受的滑动力的比重会降低，而抗滑桩所承受的滑动量则会增加，因此，在设计中不宜人为地设定抗滑桩与锚索的分担比例；(3)抗滑桩必须在斜坡发生一定的变形后，才能完全发挥其应有的效果，因此，应在斜坡的下边缘或推拉滑坡体的上缘，并与锚索框架共同起到抗滑的作用；(4)本文结果对抗滑桩-锚固组合结构的设计具有一定的参考价值。以锚索框架梁为研究对象，将锚索抗滑桩与锚索抗滑桩联合加固技术相结合，并对其力学机制进行了分析，并提出了一种先整体后局部的计算方法。本文结合实际工程，对其设计、计算及施工要点进行了归纳，为以后的高边坡设计与设计提供了参考。

关键词: 抗滑桩; 锚索框架; 受力机制; 强度折减法; 数值模拟

引言

“锚杆框架梁采用预应力锚索对深部岩土进行锚固，采用 RC框架梁作为传递构件，既能确保斜坡的稳定性，又能将预应力锚索的主动压应力均匀分布于斜坡，而锚索框架梁是一种主动加强的复合结构，可以将疏松的风化斜坡变成一个稳定的整体”[1]。而预应力锚索抗滑桩是一种用于处理不稳定边坡的抗滑结构，其作用是通过在普通抗滑桩的顶端施加强大的预应力，从而使其与预应力锚索共同构成一个整体的受力系统。

1.研究背景

抗滑桩穿透滑坡体，在滑床处起到支护作用，是防治滑坡的常用方法。锚杆结构是利用锚杆的预应力，将框架梁与地基相互挤压，以减少土中的法向和剪应力，以改善边坡的稳定性。但对于滑桩-锚索框架等复合结构，其力学机理尚不明确。蒋楚生等人建议，在设计时，应以缆索作为主要的受力构件，若不能达到安全指标，则应增设抗滑桩。柳治国等则建议由抗滑桩来承受全部的滑移力，并认为以抗滑桩为主，锚索框架作为安全储备。赵晓彦等以极限平衡方法为基础，给出了这种组合结构的计算方法。杨波等利用 ANSYS软件对双排抗滑桩在不同强度折减因子作用下的下滑力进行了分析。李剑等利用有限差分软件对高陡边坡岩体进行了强度折减系数增大时的内力进行了分析，并对其机理进行了研究。

针对四川省东北地区的一处滑坡，采用锚杆—锚索框架组合结构进行了研究，并对其进行了研究。利用MIDAS / GTS的三维有限元软件，对加固边坡的稳定性和滑桩-锚索框架复合结构的抗滑桩进行了模拟、锚索的受力特征进行了数值模拟，并对其应力分布规律进行了研究。

2.工程概况

2.1锚索加固边坡的滑坡

本项目位于四川省龙门地震带北部，坡高100.5m，含粉砂砾粘土、强风化泥质页岩、中风化泥质页岩、中风化泥质页岩、中风化粉质页岩。采用螺栓框架梁进行加固，其螺栓长17-26m，螺栓长8.5m，预应力500kN，水平间距2.0-3.0m，垂直间距2.0-2.5m。框架梁截面尺寸为400mm×450mm，混凝土强度为C30。

2014年7月，由于持续的降雨，该项目的边坡出现了滑坡，并在此基础上产生了浅层滑动面和深层滑动面，而在第四系与基岩的交界处，滑移面以粉质碎石为主；深层滑裂面以强烈风化泥页岩与风化泥页岩界面为主，滑带土壤为强风化、破碎的泥质页岩。由于滑动表面绕向锚杆的末端，导致锚杆的支撑失效。

                       

图1滑坡概况

2.2 抗滑桩－锚索框架组合结构方案

在此基础上，提出了一种基于抗滑桩-锚杆框架的复合支护方案。采用C30混凝土人工挖孔桩，其高度为 L=35 m，高度为676~641 m，断面尺寸为2 m×3 m，桩间距为5 m，桩的嵌固量为48%。在斜坡上，预应力锚索的长度是35~60米，水平间隔2.5米，垂直间隔3米，8米的锚固长度，β=25°，每个锚杆都固定在风化岩石中。

3.边坡数值模型

3．1 数值模型建立

MIDAS/GTS是一种常用的岩土有限元计算方法。利用此软件，对原有的边坡和桩-锚支护方案进行了三维数值仿真。建立的具有176米X395米乘10米的数值模型和大约70000个网格的数值模型。对土壤进行了摩尔-库仑本构分析。由于原边坡工程的滑坡系连续降雨所致，因此，在表1中，岩土的内磨角和内磨角均采用了饱和强度参数。预应力锚杆采用1 D植入型桁架单元，其单元参数分别为：γ=78 kN/m3、弹性模量 E=195,000MPa、泊松比率υ=0.2、极限拉伸力 Pu=1350 kN、锚固结合强度τ u=415 kPa。由边框梁和喷水混凝土构成的护坡采用壳体单元，其单元参数分别为：强度γ=24 kN/m3、弹性模量 E=2800兆帕、泊松比υ=0.2、单位厚度 H=0.6 m。抗滑桩是三维实体单元，其主要参数分别为：高强度γ=24 kN·m

－3、弹性模量 E=30,000 MPa、泊松比υ=0.2、法向接触刚性 En=1800兆帕、切向接触刚性 Et=200兆帕。

上述抗滑桩的内力计算必须与整个边坡的稳定性相结合，因为采用本文所述的边坡整体稳定性计算方法，“必须先将锚索抗滑桩的横向抗滑力输入到条块底端，然后通过假定抗滑桩的抗滑力来对边坡进行整体稳定性分析，从而得到均匀分布的滑动力 q，然后根据本节锚索抗滑桩的内力计算方法求得抗滑桩的抗滑力”[2]。经过多次试验，可以得出符合边坡总体稳定要求、截面合理的锚索抗滑桩设计方案。

3．2 模型验证

用强度折减方法对原有的边坡进行了等效的剪切变形云图。通过对原边坡稳定性分析，得到了接近临界值的稳定因子1.025；结果表明，所得到的滑动表面与锚杆的实际滑动方向吻合；滑动面前缘等效塑性变形最大，表明滑移型为拖拉型，与现场实测结果基本吻合。由此可以看出，所建数值模式与边坡滑坡的真实状况相吻合。

4. 桩锚支护方案数值模拟

4．1 边坡稳定性

结果表明：采用该方法得到的桩、锚固方案的稳定性系数为1.24；存在两个潜在滑动面，即斜坡下部的局部滑动，并与横穿锚杆、抗滑桩的整体滑动。潜在滑移前缘也有最大等效塑性变形，说明滑坡的潜在滑移类型为牵引型。

4．2 锚索受力特性

           

                          图2

如图2所示不同的减振系数（K=1.00,1.05,1.10,1.15,1.20,1.24）的内力。一般情况下，斜坡底部的锚杆的轴力大于斜坡上部的水平，这是由于可能的滑动面造成的；同一根缆绳的轴向作用力随折减系数的增加而增加；在相同的折减因子下，5号锚杆的轴力较低，而13号锚杆的轴力较大。分析认为，5号锚杆在斜坡的上方平台前缘，斜坡的局部稳定性较好；而13号锚杆在抗滑桩前方，由于该处的位移比较大，因此在该处的锚杆受力比较大。此外，在强度折减系数 k=1.24的情况下，斜坡在极限条件下剪断，使最前端的15和16号锚杆在锚杆末端的拉应力超过极限值而失效。由此推断，在滑坡面贯通、滑坡时，将会有更多的锚索从斜坡的下部向上部依次抽出。

4．3 抗滑桩和锚索的荷载分担规律

在加固后的边坡中，地基的变形量很小，抗滑桩不能充分发挥其全部功能，而以锚索为主要承载构件；但随着边坡滑动面的扩大，抗滑桩承担了较大的下滑力，而与之对应的是，斜拉索所承担的下滑力也随之下降。尤其是，在斜坡的极限或滑落时，锚索会由于超负荷而被拉出，如本文所述的15、16号锚杆在极限状态下的拉拔失效。

应当注意的是，“在抗滑桩与锚索各自承受的荷载比例也与抗滑桩、锚索的数量相关”[3]。如果有较多的抗滑桩和较小的锚索，那么所承受的载荷就会更多；相反，后者所承受的负荷更大。在本文中，仅有一列抗滑桩，16列预应力锚索，因此，在极限荷载作用下，锚杆承受的下滑力接近70%。而在文献中，有一列抗滑桩，只有2列预应力锚杆，实测结果显示，抗滑桩承受的下滑力为66.1%。

5.结论

对四川省东北某加筋边坡进行了防滑桩锚索框架复合结构研究，提出了中风化岩体的特点。Midas/GTS软件模拟了稳定性，研究了不同强度降低因素下的应力分布。其主要结论如下：

(1)采用强度折减法进行的边坡，其滑面与实际滑坡状况基本吻合，且稳定性系数已趋近于极限值；采用抗滑桩—锚杆框架组合结构进行边坡加固，其稳定性系数为1.24，符合设计规范规定的安全系数。

(2)抗滑桩的正、负弯矩、剪力值、锚杆轴力均随地基强度的降低而增加。结合结构加固边坡的潜在滑移属于拖拉型，因此，边坡底部的锚索轴力大于边坡上部的锚杆，而且在极限条件下会发生拉拔。

(3)当土的强度折减系数增加时，斜拉力所占的比重降低，而抗滑桩所承受的滑力比重则增加，而抗滑桩与锚索所承受的荷载比例与许多因素相关，因此，在设计时不宜人为地设定抗滑桩与锚索的分担比例。

(4)锚索框架梁和锚索抗滑桩的设计和计算可以采用先整体后局部的方法进行，并采用二维平面极限平衡方法进行整体稳定性计算，以主动集中力作用于锚杆与滑动面的交叉点，抗滑桩的抗滑力是以桩轴与滑动面的交叉点为基础。在保证边坡总体稳定安全系数的前提下，对锚索框架梁、锚索抗滑桩分别进行了局部受力构件的校核。该计算方法简便易行，与《规范》中所述的极限平衡设计安全系数法相结合。

(5)采用预应力锚索框架梁与锚索抗滑桩组合支护，其施工次序和相应的监测十分关键，既保证了施工过程的安全性，又能对整个边坡进行动态监测，从而形成一套高效的信息体系。

(6)锚索框架梁和锚索抗滑桩是边坡中复杂、危险、高边坡的主要支护手段，它的精度分析和计算比较复杂，应用有限元和其它数值方法可以更好地模拟出整个边坡和支护结构的变形和受力。

这是一种考虑岩土介质和结构相互作用的新的支护结构内力计算方法，并与实测结构进行了对比实验，具有较好的推广价值。

参考文献：

[1]陈建峰,陈思贤,杜长城,石振明,彭铭.抗滑桩-锚索框架组合结构受力机制研究[J].铁道工程学报,2021,38(05):7-12.

[2]李春鲜.滑坡路段锚索固坡方案设计研究[J].西部交通科技,2020(01):14-16+20.

[3]张为.锚杆（索）框架梁与锚索抗滑桩联合加固技术在路堑高边坡中的应用[J].工程建设与设计,2020(13):205-207+210.

作者简介：周恩文(1990-03)男 ，汉，湖南岳阳人，主要从事工业建筑。