地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結構內力變化數值分析*

陶 暉，時軼磊，葉帥華

（1.甘肅建筑職業技術學院，蘭州 730000；2.蘭州理工大學 土木工程學院，蘭州 730000）

0 引言

目前我國已有學者對地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結構進行了理論與數值分析研究，且已取得了一定的進展。董建華[1-3]等，對地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結構的動力計算方法進行了研究分析。文獻[4-6]采用不同的有限元軟件對邊坡地震響應進行了數值計算分析。地震作用下框架預應力錨桿支護結構的受力復雜，目前有關該支護結構在地震作用下的受力作用機理的研究還不很成熟。本文采用PLAXIS3D有限元軟件，通過建立框架預應力錨桿支護多級高邊坡有限元計算模型，進行地震作用下框架預應力錨桿支護結構的受力分析，得出其受力變化特點，并可為該支護結構的研究提供一定的指導。

1 框架預應力錨桿支護結構的組成與特點

1.1 框架預應力錨桿支護結構的組成

框架預應力錨桿支護結構是近幾年隨著邊坡支護結構的發展而出現的一種新型邊坡支護結構，主要由框架（橫梁、立柱）、擋土板和錨桿組成。立柱為擋土板的支座，橫梁將兩側的擋土板連接成整體以保持擋土墻的穩定[7]，擋土板的主要作用為擋土，它與一系列間距相等的框架剛性連接而成為連續板。預應力錨桿分為自由段與錨固段，自由段的外端與框架相連，錨固段錨固在邊坡內部穩定土層中，從而可以充分利用邊坡體深層的錨固力。

1.2 框架預應力錨桿支護結構的特點

框架預應力錨桿邊坡支護結構將傳統的被動支護變為充分利用邊坡深層土體自身穩定能力的主動支護，不僅可以有效控制邊坡在外力擾動下的側移，而且具有一定的抗震能力。在外力作用下，邊坡體土壓力通過框架傳遞給錨桿自由段的鋼拉桿，再由鋼拉桿傳至錨固段，然后通過錨固段周邊地層的摩擦力傳遞到錨固區的穩定地層中，從而利用邊坡體自身的錨固力保持邊坡的穩定?？蚣茴A應力錨桿邊坡支護結構以其施工簡單、受力合理、可有效控制邊坡位移等特點而在邊坡支護工程中得到普遍應用。

2 框架預應力錨桿支護邊坡模型建立

2.1 邊坡工程概況

本文以某一深挖路塹邊坡支護工程實例為背景，選取一最高斷面為39m的邊坡進行數值計算分析。所選取邊坡共為四級，坡度均為1∶1，各級邊坡坡高依次為10m，10m，10m，9m，每兩級坡之間設置2m寬平臺。邊坡土層及物理力學參數如表1所示。

表1 土體物理力學參數

2.2 邊坡數值模型建立

采用PLAXIS3D有限元軟件建立框架預應力錨桿支護邊坡計算模型如圖1所示。模型中沿邊坡縱向取9m寬的計算單元，設計錨桿水平向間距為3m，因此模型中沿縱向每排共設置3根錨桿。有限元計算中，網格劃分的疏密程度會對計算結果的精確度產生一定影響。如圖1中所示，可在模型局部和結構物附近對網格進行局部加密，以更好的模擬結構物與土體之間的相互作用，計算結果也更接近實際。

圖1 邊坡有限元模型

2.3 地震波的輸入

該邊坡模型輸入的地震波采用EL-Centro波加速度時程曲線，峰值地震加速度為0.3g，模型中地震持續時間取前10s，地震加速度-時間曲線如圖2所示。

3 有限元計算結果分析

3.1 地震作用下錨桿軸力分析

圖2 水平地震加速度-時間曲線

Plaxis3D有限元軟件中采用點對點錨桿單元模擬錨桿的自由段。所建模型中錨桿自由段施加設計預應力為100kN，取從坡頂到坡腳每排中間一根錨桿地震前后軸力，各道錨桿自由段軸力折線圖如圖3所示。由圖可知，地震作用前錨桿軸力基本無變化，地震作用后錨桿軸力明顯增大，且每一級邊坡坡頂位置處的錨桿軸力最大，最大值依次為 391.7kN，320.1kN，257.9kN，182.1kN。說明每兩級邊坡之間平臺的設置使每一級邊坡在坡頂位置處變形增大，土壓力增大，而各道錨桿的施加，阻止了位移的發展，從而使坡腳處位移減小，錨桿軸力也逐漸降低。

圖3 地震前后各道錨桿自由段軸力圖

Plaxis3D有限元軟件中對錨桿錨固段采用嵌入式梁單元模擬。地震作用后，取每一級邊坡距離坡頂最近一排錨桿錨固段沿桿長方向的軸力值，錨固段軸力沿桿長分布如圖4所示。由錨固段軸力變化圖可知，與靜力作用相比，地震作用后錨固段的軸力顯著增大，這也表明地震作用下錨桿錨固段軸力最大值發生在錨固段與自由段接觸位置，并沿錨固段遞減，在錨固段端點位置軸力最小。錨固段位于邊坡體穩定土層內，錨固段軸力沿遠離自由段遞減，也說明了錨固段軸力在逐漸傳遞到穩定土層，在錨固段端點處軸力已基本完全傳遞給周圍土體，從而限制邊坡體側移，保持邊坡體穩定

圖4 各級邊坡第一道錨桿錨固段軸力圖/kN

3.2 地震作用下抗滑樁內力分析

在多級高邊坡的坡腳位置設置抗滑樁，可以與框架預應力錨桿支護結構的橫梁、立柱形成受力體系，更好的約束邊坡的變形，增強邊坡的穩定性。該模型邊坡坡腳抗滑樁在地震前后的內力變化情況如表2所示，靜力與地震作用下抗滑樁樁身彎矩圖如圖5所示。由此可知，靜力作用下，抗滑樁的剪力和彎矩值均較小，也表明靜力下邊坡變形較小，處于穩定狀態，抗滑樁的作用還未完全發揮。地震作用后，抗滑樁樁身剪力和彎矩均發生突變，表明地震作用使邊坡整體變形增大，抗滑樁周圍土壓力突增，導致抗滑樁的內力也隨之突增來抵抗邊坡的變形。通過抗滑樁內力的劇增，也可說明抗滑樁對抵抗邊坡變形有顯著效果，在一些高邊坡的坡腳設置抗滑樁是很有必要的。

表2 地震前后抗滑樁內力表

3.3 地震作用下框架柱內力分析

圖5 抗滑樁樁身彎矩圖/kN·m

圖6 各級邊坡立柱剪力圖/kN

框架預應力錨桿支護結構的受力狀態類似于樓蓋設計中梁柱結構體系，在施工時采用逆作法施工，橫梁、立柱現澆構成一個整體，共同承受邊坡變形產生的土壓力。預應力錨桿固定于橫梁與立柱的交點位置，因此對立柱進行分析時，可將立柱簡化為豎向多跨連續梁，錨桿位置近似為支座。地震作用下，各級邊坡中間一榀立柱的剪力圖如圖6所示。邊坡土壓力主要是通過橫梁和立柱傳給預應力錨桿，因此立柱剪力的變化可一定程度上反應土壓力分布。由立柱剪力圖可知：（1）地震作用后，立柱剪力明顯增大，且在錨桿位置處有突變，說明地震后土壓力有明顯增加，預應力錨桿起到了控制土壓力持續增大的作用，使立柱剪力不至于持續增大而遭到破壞；（2）每一級邊坡立柱剪力在該級坡頂增加較快，也說明每一級邊坡坡頂位置變形大，相應土壓力大。

4 結語

由以上計算結果可知，地震作用下框架預應力錨桿邊坡支護結構中的框架內力、錨桿自由段和錨固段內力、抗滑樁內力均有明顯增大，反映了地震作用引起邊坡體位移增大，導致土壓力增大，進而引起支護結構內力的增大?？蚣苤姆逯导袅Τ霈F在每級邊坡第一排錨桿處，主要原因是上部框架柱的懸臂引起的。錨桿自由段軸力峰值出現在第一級坡第一排錨桿處，說明地震時位移最大值出現在該位置處。錨桿錨固段軸力沿遠離自由段的方向遞減，在錨固段頂端處達到最小，說明地震產生的土壓力已通過錨桿傳至穩定土層。通過以上分析，對框架預應力錨桿邊坡支護結構的內力變化可有一個更加清晰的認識，為該支護結構的工程應用提供很好的指導效果。

參考文獻：

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