竖向预应力锚索抗滑桩单桩动力承载特性研究

竖向预应力锚索抗滑桩单桩动力承载特性研究摘要：本文基于动力有限元分析理论，利用ABAQUS软件的动力时程分析结合无限元边界实现了有限元-无限元耦合的地震作用模拟。通过模拟抗滑桩在地震作用下的受力情况，对竖向预应力锚索抗滑桩的单桩动力承载特性进行了研究。研究表明：竖向预应力锚索抗滑桩在不同峰值加速度激励下弯矩分布形式基本不变，且比普通悬臂桩弯矩最大值有明显减小，具有良好的动力承载特性。

关键词：地震动力响应竖向预应力无限元边界弯矩

抗滑桩作为滑坡治理的主要手段，具有抗滑能力强、桩位布置灵活、工作多且干扰少、施工方便快捷、设备简单等特点，目前在工程中已经得到广泛应用。预应力锚索桩是后来发展的一种形式，通常在桩的侧向布置预应力锚索。为了提高桩的工程实用性，近几年有人提出了新型的抗滑桩—竖向预应力锚索抗滑桩。竖向预应力锚索桩将锚索布置在桩体内部，其结构简图如图1。但是对于竖向预应力锚索抗滑桩承载特性的研究比较少，而且目前的研究都局限在静力分析[1～5]，对于此类桩的动力承载特性还没有研究。因此,本文利用大型有限元软件ABAQUS对竖向预应力锚索抗滑桩的单桩动力承载特性进行分析研究。

1 模型的建立

本次研究模型取一典型边坡形式。坡面为1∶1.5，坡高14 m。

桩身长15 m，截面尺寸为2 m×3 m。桩体设在坡面中部，下端嵌固在基岩中，嵌固长度为5 m。

由于本文主要研究单桩承载特性，暂不考虑多桩的土拱抗滑性能，故将模型简化为二维。计算主体模型采用有限元方法，边界域采用无限元[6～7]来吸收反射地震波。模型及网格划分简图见图2。

模型中动力分析采用地震波为神户大地震实测记录KOBE波（水平为南北向）。水平地震波的实际记录处为地平面下32 m，峰值加速度为0.83 g。原地震记录持时为50 s，为节省计算时间本文只选用其中较大的前10 s作为计算使用。计算时采用软件将加速度峰值分别换算为0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g，分别垂直施加在模型地基底部。原地震波加速度时程曲线如图3。

2 动力作用下桩身弯矩分析数据

悬臂桩的下端嵌固在基岩中，靠其自身承载能力对桩提供固定作用，上部土体的下滑力对桩有相反的作用力。地震时桩后土压力增大，土对桩的作用力加大，桩的弯矩增大。静力问题中桩身关键部位的受力与弯矩比较容易算出，动力问题相对复杂，桩身弯矩受动力本身特性影响。图4给出了峰值大小分别为0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g地震加速度作用下桩身弯矩曲线。图4（a）中锚索预应力为0,图4（b）中预应力为800 kN。

从图4中（a）可以看到，随着地震加速度峰值增大，桩身弯矩

分布趋势基本没有变化。但桩身弯矩值逐渐增大，并且与峰值加速度大小呈线性关系。峰值为0.5 g时桩身最大弯矩比0.2 g时增大将近2300 kN·m。最大弯矩出现在土体与基岩的交界层附近，说明桩体的危险段位桩的嵌固段附近。图4(b)中锚索施加800 kN的预应力，其弯矩随地震峰值加速度增大而变化的趋势同图4（a）显示的普通悬臂桩相同，桩身弯矩分布也基本一样。

将图4（a）与图4（b）比较，发现锚索施加预应力后桩身弯矩值有明显减小。为了清楚比较施加预应力后弯矩的变化，在同样输入峰值加速度为0.5 g的地震作用下，将锚索预应力分别设为0、100 kN、400 kN、800 kN、1200 kN，得到弯矩曲线如图5。

图5中给出的一组弯矩曲线可以显示出锚索预应力变化时，在同样的地震作用下，桩身弯矩的分布基本没有改变。但是弯矩值随着预应力增大而减小，预应力从0变为1200 kN时最大弯矩值减小1000 kN·m，这说明在动力作用下，竖向预应力锚索具有良好的减小桩身弯矩的作用。从图5中还可以看出，预应力增大时桩身上部弯矩变化的程度要比下部大，这主要是桩身下部嵌固在基岩中，而锚索的作用力通过锚头施加在桩身上部，所以预应力对桩身上部影响较大。因此,在提高预应力时要注意桩头反方向的弯矩变化。

3 结论

（1）竖向预应力锚索桩在不同加速度峰值地震作用激励下的弯

矩分布形式基本不变，弯矩大小随加速度峰值增大而增大，并呈线性关系。加速度峰值每增大0.1 g，弯矩最大值增大约750 kN·m。在相同动力作用下，竖向预应力锚索桩的弯矩最大值随着锚索预应力的增大而减小，预应力每增大400 kN弯矩最大值减小约330 kN·m,弯矩向相反方向变化，变化速度由桩底至桩头增大。

（2）同普通悬臂桩相比，竖向预应力锚索桩在动力作用下的弯矩分布形式相同，但是后者桩身弯矩较小，抗滑性能更高。同侧向预应力锚索桩相比，竖向预应力锚索桩的抗滑性能要差一些。因此在实际工程中要权衡利弊，根据经济造价与承载要求选择合适的桩身形式。

总体来说，竖向预应力锚索抗滑桩具有良好动力承载性能，在选择合适的锚固力与偏心距的条件时，可以满足实际工程的动力稳定性需要。

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