地震作用下框架预应力锚杆边坡支护结构内力变化数值分析*

陶 晖，时轶磊，叶帅华

（1.甘肃建筑职业技术学院，兰州 730000；2.兰州理工大学 土木工程学院，兰州 730000）

0 引言

目前我国已有学者对地震作用下框架预应力锚杆边坡支护结构进行了理论与数值分析研究，且已取得了一定的进展。董建华[1-3]等，对地震作用下框架预应力锚杆边坡支护结构的动力计算方法进行了研究分析。文献[4-6]采用不同的有限元软件对边坡地震响应进行了数值计算分析。地震作用下框架预应力锚杆支护结构的受力复杂，目前有关该支护结构在地震作用下的受力作用机理的研究还不很成熟。本文采用PLAXIS3D有限元软件，通过建立框架预应力锚杆支护多级高边坡有限元计算模型，进行地震作用下框架预应力锚杆支护结构的受力分析，得出其受力变化特点，并可为该支护结构的研究提供一定的指导。

1 框架预应力锚杆支护结构的组成与特点

1.1 框架预应力锚杆支护结构的组成

框架预应力锚杆支护结构是近几年随着边坡支护结构的发展而出现的一种新型边坡支护结构，主要由框架（横梁、立柱）、挡土板和锚杆组成。立柱为挡土板的支座，横梁将两侧的挡土板连接成整体以保持挡土墙的稳定[7]，挡土板的主要作用为挡土，它与一系列间距相等的框架刚性连接而成为连续板。预应力锚杆分为自由段与锚固段，自由段的外端与框架相连，锚固段锚固在边坡内部稳定土层中，从而可以充分利用边坡体深层的锚固力。

1.2 框架预应力锚杆支护结构的特点

框架预应力锚杆边坡支护结构将传统的被动支护变为充分利用边坡深层土体自身稳定能力的主动支护，不仅可以有效控制边坡在外力扰动下的侧移，而且具有一定的抗震能力。在外力作用下，边坡体土压力通过框架传递给锚杆自由段的钢拉杆，再由钢拉杆传至锚固段，然后通过锚固段周边地层的摩擦力传递到锚固区的稳定地层中，从而利用边坡体自身的锚固力保持边坡的稳定。框架预应力锚杆边坡支护结构以其施工简单、受力合理、可有效控制边坡位移等特点而在边坡支护工程中得到普遍应用。

2 框架预应力锚杆支护边坡模型建立

2.1 边坡工程概况

本文以某一深挖路堑边坡支护工程实例为背景，选取一最高断面为39m的边坡进行数值计算分析。所选取边坡共为四级，坡度均为1∶1，各级边坡坡高依次为10m，10m，10m，9m，每两级坡之间设置2m宽平台。边坡土层及物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

2.2 边坡数值模型建立

采用PLAXIS3D有限元软件建立框架预应力锚杆支护边坡计算模型如图1所示。模型中沿边坡纵向取9m宽的计算单元，设计锚杆水平向间距为3m，因此模型中沿纵向每排共设置3根锚杆。有限元计算中，网格划分的疏密程度会对计算结果的精确度产生一定影响。如图1中所示，可在模型局部和结构物附近对网格进行局部加密，以更好的模拟结构物与土体之间的相互作用，计算结果也更接近实际。

图1 边坡有限元模型

2.3 地震波的输入

该边坡模型输入的地震波采用EL-Centro波加速度时程曲线，峰值地震加速度为0.3g，模型中地震持续时间取前10s，地震加速度-时间曲线如图2所示。

3 有限元计算结果分析

3.1 地震作用下锚杆轴力分析

图2 水平地震加速度-时间曲线

Plaxis3D有限元软件中采用点对点锚杆单元模拟锚杆的自由段。所建模型中锚杆自由段施加设计预应力为100kN，取从坡顶到坡脚每排中间一根锚杆地震前后轴力，各道锚杆自由段轴力折线图如图3所示。由图可知，地震作用前锚杆轴力基本无变化，地震作用后锚杆轴力明显增大，且每一级边坡坡顶位置处的锚杆轴力最大，最大值依次为 391.7kN，320.1kN，257.9kN，182.1kN。说明每两级边坡之间平台的设置使每一级边坡在坡顶位置处变形增大，土压力增大，而各道锚杆的施加，阻止了位移的发展，从而使坡脚处位移减小，锚杆轴力也逐渐降低。

图3 地震前后各道锚杆自由段轴力图

Plaxis3D有限元软件中对锚杆锚固段采用嵌入式梁单元模拟。地震作用后，取每一级边坡距离坡顶最近一排锚杆锚固段沿杆长方向的轴力值，锚固段轴力沿杆长分布如图4所示。由锚固段轴力变化图可知，与静力作用相比，地震作用后锚固段的轴力显著增大，这也表明地震作用下锚杆锚固段轴力最大值发生在锚固段与自由段接触位置，并沿锚固段递减，在锚固段端点位置轴力最小。锚固段位于边坡体稳定土层内，锚固段轴力沿远离自由段递减，也说明了锚固段轴力在逐渐传递到稳定土层，在锚固段端点处轴力已基本完全传递给周围土体，从而限制边坡体侧移，保持边坡体稳定

图4 各级边坡第一道锚杆锚固段轴力图/kN

3.2 地震作用下抗滑桩内力分析

在多级高边坡的坡脚位置设置抗滑桩，可以与框架预应力锚杆支护结构的横梁、立柱形成受力体系，更好的约束边坡的变形，增强边坡的稳定性。该模型边坡坡脚抗滑桩在地震前后的内力变化情况如表2所示，静力与地震作用下抗滑桩桩身弯矩图如图5所示。由此可知，静力作用下，抗滑桩的剪力和弯矩值均较小，也表明静力下边坡变形较小，处于稳定状态，抗滑桩的作用还未完全发挥。地震作用后，抗滑桩桩身剪力和弯矩均发生突变，表明地震作用使边坡整体变形增大，抗滑桩周围土压力突增，导致抗滑桩的内力也随之突增来抵抗边坡的变形。通过抗滑桩内力的剧增，也可说明抗滑桩对抵抗边坡变形有显著效果，在一些高边坡的坡脚设置抗滑桩是很有必要的。

表2 地震前后抗滑桩内力表

3.3 地震作用下框架柱内力分析

图5 抗滑桩桩身弯矩图/kN·m

图6 各级边坡立柱剪力图/kN

框架预应力锚杆支护结构的受力状态类似于楼盖设计中梁柱结构体系，在施工时采用逆作法施工，横梁、立柱现浇构成一个整体，共同承受边坡变形产生的土压力。预应力锚杆固定于横梁与立柱的交点位置，因此对立柱进行分析时，可将立柱简化为竖向多跨连续梁，锚杆位置近似为支座。地震作用下，各级边坡中间一榀立柱的剪力图如图6所示。边坡土压力主要是通过横梁和立柱传给预应力锚杆，因此立柱剪力的变化可一定程度上反应土压力分布。由立柱剪力图可知：（1）地震作用后，立柱剪力明显增大，且在锚杆位置处有突变，说明地震后土压力有明显增加，预应力锚杆起到了控制土压力持续增大的作用，使立柱剪力不至于持续增大而遭到破坏；（2）每一级边坡立柱剪力在该级坡顶增加较快，也说明每一级边坡坡顶位置变形大，相应土压力大。

4 结语

由以上计算结果可知，地震作用下框架预应力锚杆边坡支护结构中的框架内力、锚杆自由段和锚固段内力、抗滑桩内力均有明显增大，反映了地震作用引起边坡体位移增大，导致土压力增大，进而引起支护结构内力的增大。框架柱的峰值剪力出现在每级边坡第一排锚杆处，主要原因是上部框架柱的悬臂引起的。锚杆自由段轴力峰值出现在第一级坡第一排锚杆处，说明地震时位移最大值出现在该位置处。锚杆锚固段轴力沿远离自由段的方向递减，在锚固段顶端处达到最小，说明地震产生的土压力已通过锚杆传至稳定土层。通过以上分析，对框架预应力锚杆边坡支护结构的内力变化可有一个更加清晰的认识，为该支护结构的工程应用提供很好的指导效果。

参考文献：

[1]董建华，朱彦鹏，马巍，等.框架预应力锚杆边坡支护结构抗震简化设计方法[J].中国公路学报，2012，25(05):38-46.

[2]董建华，朱彦鹏，马巍.框架预应力锚杆边坡支护结构动力计算方法研究[J].工程力学，2013,30（05）：250-258.

[3]董建华，朱彦鹏，马巍.地震作用下框架预应力锚杆边坡锚固结构的动力计算方法[J].岩石力学与工程学报，2014,33（S1）：3135-3143.

[4]薄景山，徐国栋，景立平.土边坡地震反应及其动力稳定性分析[J].地震工程与工程振动，2001，21(02)：116-120.

[5]刘春玲，祁生文，童立强，等.利用FLAC3D分析某边坡地震稳定性[J].岩石力学与工程学报，2004，23(16)：2730-2733.

[6]言志信，曹小红，张刘平，等.地震作用下黄土边坡动力响应数值分析[J].岩土力学，2011，32（02）.

[7]朱彦鹏,罗晓辉,周勇.支挡结构设计 [M].北京:高等教育出版社,2008.