Civil Engineering and Technology December 2013, Volume 2, Issue 4, PP.73-78
Dynamic Monitoring and Finite Element Analysis of Slopes Reinforced with Pre-stressed Anchor Anti-slide Piles Can Huang, Bing Yuan†, Zuanya Mo Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China †Email:
309095701@qq.com
Abstract This paper has analyzed the reinforcement effect of the pre-stressed anchor anti-slide piles by means of the local monitoring and FEM (finite element method), taking the K21 landslide of some Coastal Expressway as example. At first, the strained condition of reinforced slope was measured followed by the assessment on the reinforcement effect of the reinforced pre-stressed anchor anti-slide piles and further the stability of the slope. Next, the FEM of the reinforced pre-stressed anchor anti-slide piles has been established by ABAQUS, a general large finite element software, to analyze the stability of slope before and after reinforcement considering the strength reduction method. The result indicated that the effect of the reinforced pre-stressed anchor anti-slide piles is evident and the slope stability turned well compared to the pre-reinforcement. The case project has been in service for two years, which is of reference value for this kind case. Keywords: Anchor Anti-slide Piles; Monitoring; Strength Reduction Method; ABAQUS
预应力锚索抗滑桩加固边坡的动态监测及有限元 分析 黄灿，袁兵，莫缵亚 广东工业大学，广东 广州 510006 要：本文以某沿海高速公路 K21 滑坡工程治理为例，采用现场监测结合有限元分析方法，对预应力锚索抗滑桩加固
摘
边坡的加固效果进行分析。首先，通过监测数据分析了解加固边坡受力状态，并对预应力锚索抗滑桩的加固效果进行评 价，进而评定边坡的稳定状态。然后，运用大型通用有限元软件 ABAQUS 建立锚索抗滑桩加固边坡的有限元模型，采用 考虑桩-土相互作用的强度折减法对加固前后边坡的稳定状态进行分析。结果表明：锚索抗滑桩对边坡的加固效果很明显。 边坡由加固前的不稳定状态转变为加固后的稳定状态。此工程现已完毕并且安全使用两年，可为类似工程的加固和有限 元分析提供参考。 关键词：锚索抗滑桩；监测；强度折减法；ABAQUS
引言 穿越山区或丘陵地带的高速公路，通常由于路堑开挖形成大量的路堑边坡。滑坡是最为常见的地质灾害 之一，给高速公路的建设和运营带来极大的困难。因此边坡加固一直是岩土工程领域的重要课题，同时边坡 加固是工程领域极为棘手的问题，边坡稳定性分析也一直是岩土工程中的重要研究领域[1]。边坡加固处理的 方法很多，采用预应力锚索抗滑桩是一种加固、整治滑坡的有效方法，在建筑、交通、水利等方面有着广泛 的应用[2]。迄今为止它是在各种滑坡治理中应用最多的一种加固方式。但对于地质条件复杂的大型边坡加固， - 73 http://www.ivypub.org/cet
为了了解加固后工程的受力状态，并对边坡的安全状态进行评价，对其进行动态监测是十分有必要的[3]。同 时，若采用可靠的有限元分析方法[4]，对采用预应力锚索抗滑桩加固后的边坡进行数值模拟，可为类似工程 的设计提供可靠的分析依据[5]。 本文以某高速公路 K21 滑坡工程治理为例，通过现场监测与有限元模拟的对比分析，对预应力锚索抗滑 桩加固边坡的效果进行评价，论证了采用强度折减法有限元分析的正确性。可为类似工程的设计分析提供参 考[6]。
1. 工程简介 此高速公路滑坡段 K21＋060~＋466，因高速公路建设而切割山丘坡脚形成长 406m，高约 55m 的人工边 坡，呈“M”型，如图 1 所示。此前该边坡在 2004 年 9 月、2006 年 8 月出现过严重变形破坏，也相应地进 行过加固工程。2008 年 6 月，边坡所在区域接连发生特大暴雨，大量的集中地表水渗入坡体，使坡体形成了 较大规模的滑坡变形，滑坡总体积约 90 万方。尤其是 K21＋115～＋225 段及 K21＋330～＋466 段坡体出现 大规模变形，K21＋060～＋115 段及 K21＋225～＋330 段发生初动变形，坡体变形相对较小，整个坡体处于 不同程度的变形发展之中。若不及时治理，滑坡一旦产生急剧整体滑动，将严重威胁此高速公路的正常运营， 可能给人民的生命财产造成巨大损失。根据 2008 年 6 月的变形破坏情况，设计方提出了“以桩为主，桩锚 结合，锚为辅”的综合治理设计思路。此次工程是本边坡的第三次加固。
图 1 边坡全貌
在此选择的分析断面为：K21＋115～＋225 段。此区域的二级平台（三级边坡坡脚）布置了 6 根 Z 型锚 索抗滑桩，间距为 6.0，方位角为 118°， 桩尺寸为 2.0×3.0×19m，采用 C25 砼浇注，抗滑桩护壁采用 C20 砼浇注。锚索抗滑桩桩顶设 2 孔锚索，锚索钻孔孔径Φ130mm，长 25m，倾角 27°，每孔锚索采用 7 束钢绞 线，锚固段 9m，设计拉力 800KN，锁定拉力 720KN。
2. 监测方案及成果分析 2.1 监测目的和意义 此高速公路滑坡段 K21＋060~＋466 右侧已经过三次变形破坏且二次整治，此次为第三次加固工程施工。 该地段工程地质条件复杂，有必要对其进行动态监测，其监测目的是为了了解在施工及运营阶段工程加固效 果及边坡安全状态。对边坡进行监测，不仅可以了解加固工程受力状态，而且还可以对加固工程的作用效果 进行评价，进而评价边坡的安全状态。
2.2 监测项目及分析 本次监测主要内容有：预应力锚索抗滑桩桩身锚索拉力、桩身钢筋应力。 - 74 http://www.ivypub.org/cet
2.2.1
锚索拉力：
实测锚索主动张拉引起桩周抗力变化规律，图 2 为锚索拉力在滑坡推力作用下的变化规律及多道锚索之 间相互影响规律。 9月14日
2月11日
7月11日
12月8日
5月7日
10月4日
600
650
拉力/kN
700 MS-01 MS-02
750
图 2 锚索测力计受力随时间变化曲线图
由图 2 可以看出锚索拉力的变化有如下三个阶段[7]： （1）锚索拉力迅速减小阶段 锁定时锚索拉力迅速减小，是由锁定过程中出现的瞬间预应力损失引起的。将各测点的监测数据及计算 出的预应力损失作比较分析，测力计预应力损失平均值 13.5%。瞬间预应力损失包括： ①钢绞线回缩引起的预应力损失； ②钢绞线在张拉、锁定过程中由于受力不均产生的预应力损失； ③测力计张拉受力不均匀，是预应力损失另一个主要原因。三根弦受力大小的改变，主要是由于各股钢 绞线在锚索孔孔口段不顺直、不对称均匀分布和错位等原因造成的。 （2）锚索拉力缓慢变化阶段 瞬间预应力损失表现为在短短几分钟内锚索拉力的减小，此后在一段时间内锚索拉力继续减少，直至锚 索拉力降到最低点后开始增大。锚索拉力的继续减少是由于钢绞线、桩周和锚索锚固段的岩土徐变造成的； 锚索拉力的增大是由于滑坡推力的作用造成的。在锚索张拉锁定以后，当预应力损失的值大于滑坡推力引起 锚索拉力增大的值时，锚索拉力随时间的变化曲线表现为下降；反之，锚索拉力随时间的变化曲线表现上升。 此阶段预应力长期损失的主要内容包括： ①钢绞线徐变导致的预应力损失； ②混凝土徐变引起的预应力损失； 此部分损失是由锚索孔穿过抗滑桩部分的桩身混凝土徐变引起的，由于混凝土尺寸较小，亦可忽略不计。 ③岩体的徐变导致的预应力损失。 在预应力的作用下，岩体受到压缩，岩体中的节理裂隙被压密，这种压密过程不是在短暂的时间内完成 而是持续一定的时间。如果荷载反复，这种压密过程要大大缩短，如果岩体质量好，节理裂隙小，岩石致密， 产生的压缩变形小，即使在较大的持续荷载的作用下也是如此。 （3）锚索预应力相对稳定阶段 随着锚索桩的作用，滑坡趋于稳定，作用在锚索桩上的推力也相对固定，锚索拉力也随之稳定；实现锚 索桩和滑坡间的新的平衡状态，这种由不平衡到平衡的过程在两年内结束。从锚索长期观测结果来看，锚索 变化稳定。 2.2.2
桩身钢筋应力
通过实测钢筋应力，根据混凝土结构变形协调假定，计算安装钢筋计的桩截面的弯矩，分析桩截面弯矩 在锚索拉力或滑坡推力作用时的变化规律。 - 75 http://www.ivypub.org/cet
5
10 内力(kN) 2009年7月27日 2009年8月26日 2009年9月29日 2009年10月31日 2009年11月30日 2009年12月23日 2010年1月22日 2010年2月27日 2010年3月28日 2010年4月29日 2010年5月30日 2010年6月25日 2010年7月26日 2010年8月26日 2010年9月25日 2010年10月29日 2010年11月28日 2010年12月27日 2011年2月23日 2011年4月25日 2011年5月26日 2011年6月29日 2011年7月25日 2011年8月27日 2011年9月26日
2
4
6
8
10
12
深度(m)
14
16
-5
(a)Z 型监测桩靠山侧内力变化曲线图
0
5
10
0
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2
4
6
8
10
12
14
16
-3000 0
15 内 力 ( k N ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1
年7 年8 年9 年1 年1 年1 年1 年2 年3 年4 年5 年6 年7 年8 年9 年1 年1 年1 年2 年4 年5 年6 年7 年8 年9
月27 月26 月29 0月3 1月3 2月2 月22 月27 月28 月29 月30 月25 月26 月26 月25 0月2 1月2 2月2 月23 月25 月26 月29 月25 月27 月26
-1500
0
弯矩(kN·m) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
日 日 日 2 1日 0日 3日 4 日 日 日 6 日 日 日 日 8 日 日 9 日 10 8日 7日 日 12 日 日 日 14 日 日 日
深度(m)
0
深度(m)
-5 0
16
(b) Z 型监测桩背山侧内力变化曲线图
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1
年7 年8 年9 年1 年1 年1 年1 年2 年3 年4 年5 年6 年7 年8 年9 年1 年1 年1 年2 年4 年5 年6 年7 年8 年9
月27 月26 月29 0月3 1月3 2月2 月22 月27 月28 月29 月30 月25 月26 月26 月25 0月2 1月2 2月2 月23 月25 月26 月29 月25 月27 月26
日 日 日 1日 0日 3日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 9日 8日 7日 日 日 日 日 日 日 日
(c) Z 型监测桩弯矩图
图 3 Z 型监测桩内力变化曲线图
根据图 3 可以看出： (1) Z 型桩监测得到抗滑桩最大弯矩值为 3256.7kN·m，小于设计值；从桩滑坡的内力变化曲线来看，目 前滑坡处于相对稳定状态，抗滑桩受到滑坡的推力较小，故钢筋计内力较小。 (2) 在施工结束后的半年里，钢筋内力和抗滑桩弯矩增加明显，随后逐渐趋于稳定；另外，雨季期间， 抗滑桩内力增加较明显，钢筋内力和弯矩实测值也比紧邻的旱季实测值略大。 (3)Z 型桩最大弯矩位于滑面下 4~6 m 处，与设计计算最大值位置基本一致， (4) 抗滑桩弯矩随桩深的变化表现为先增大后减小，如图 3 所示的多峰曲线情况。分析产生多峰曲线的 原因与滑坡的多层滑动有关，由于滑坡多层滑动的存在，抗滑桩受到滑体不均匀的推力，使弯矩图呈现多峰 型；另外，该区地层复杂，表层的残坡积层受降雨等作用的影响，使土层抗剪强度降低，对抗滑桩产生了较 大的推力，因此抗滑桩弯矩在中下部出现了最大值。
3. 有限元分析及成果 3.1 基本假定及模型尺寸 根据以上工程概况建立的有限元分析模型。根据对称性，取抗滑桩有效加固宽度的一半（即 3m）作为 模型的厚度。选择 C3D8（八节点六面体单元）作为土体和抗滑桩的单元类型。采用扫琼网格划分技术，土 体和抗滑桩单元大致尺寸分别为 1m 和 0.5m。模型边界条件为底面边界施加固定约束，左右边界施加左右两 个方向的水平约束，前后两面施加前后方向的水平约束，其余为自由边界。土体采用 Mohr-Coulomb 屈服准 则的弹塑性本构模型 。桩与土体采用摩擦接触模式，切向摩擦系数设为 tan(0.75 )，法向为硬接触。 [8]
表 1 抗滑桩、边坡土性质参数 材料
重度
3
/ KN / m
粘聚力 C
/kPa
内摩擦角
/
剪胀角
/
弹性模量 E /MPa
泊松比
一层(坡积土)
20
12
15
0
150
0.3
二层(残积土)
21
20
36
0
200
0.29
三层(角砾岩)
27
300
42
0
4200
0.2
- 76 http://www.ivypub.org/cet
3.2 强度折减法分析过程 目前一些数值计算软件，如 FLAC 等，已经内置了强度折减法[9]。ABAQUS 中虽然没有提供这种方法， 但实现起来也是比较简单的。并且前面的许多学者的研究证明了其可靠性[4]。实现的具体步骤为： ①定义一个场变量，通常取为强度折减系数。 ②定义随场变量变化的材料模型参数。 ③分析开始时指定场变量的大小，并对模型施加重力（体力）荷载，建立平衡应力状态。 ④在随后的分析步中线性增加场变量。计算中止（数值不收敛）后对结果进行处理，按一定的失稳评价 标准确定安全系数[10-12] 。
3.3 有限元分析结果 图 4 为加固前后的 FV1 或 Fs（场变量或安全系数）与 U1（坡角水平位移）的关系曲线图，可以看出， 坡角水平位移有一个明显的拐点。 -0.2
1.08
1.22
U1(m)
-0.7 -1.2 -1.7
no-pile with-pile
-2.2
1.10
1.25
-2.7 0.5
0.7
0.9 FV1 or Fs
1.1
1.3
图 4 加固前后的 FV1 或 Fs（场变量或安全系数）与 U1（坡角水平位移）的关系曲线
若以坡体或坡面节点的位移发生突变作为失稳判据（曲线拐点），则边坡加固前安全系数为 Fs=1.08， 抗滑桩加固后边坡安全系数为 Fs=1.22。若以计算不收敛作为土坡稳定评价标准，加固前边坡安全系数为 Fs=1.10，抗滑桩加固后边坡安全系数为 Fs=1.25。若以等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为失稳判据，加固 前土坡安全系数为 Fs=1.06，抗滑桩加固后边坡安全系数为 Fs=1.21。以三种不同判据得出的安全系数都比较 接近。通过加固前后安全系数的对比可知，抗滑桩的加固效果比较明显，边坡整体处于稳定状态。
4. 结论 （1）通过对预应力锚索抗滑桩桩身锚索拉力、桩身钢筋应力的监测，能获得预应力索抗滑桩准确工作 信息；结合现场施工工况，及锚索抗滑桩工作时期的气候信息等，可以对锚索拉力及桩身内力的变化给出合 理解释。 （2）运用大型通用有限元软件 ABAQUS 建立锚索抗滑桩加固边坡的有限元模型，采用考虑桩-土相互作 用的强度折减法对边坡加固前后的稳定性进行分析，可知，本工程锚索抗滑桩对边坡的加固效果很明显。边 坡由加固前的不稳定状态转变为加固后的稳定状态。 （3）对于类似的锚索抗滑桩加固的边坡，现场监测结合数值分析的研究方法能够比较准确的获得抗滑 桩施工过程及其工作状态的有关数据，经过细致分析可以为施工锚索抗滑桩过程中提供指导，并能了解施工 完成后锚索抗滑桩的工作状态，这是具有普遍意义的。数值模拟方面，对不同的工程地质条件建立相应的边 坡模型，能对加固前后边坡的整体稳定性做出初步评判，能为设计及施工提供重要依据。
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【作者简介】 1
黄灿（1987-），男，汉族，在读硕士，
2
袁兵（1991-），女，汉族，硕士，副教授，计算结构力学、
岩土工程、混凝土结构加固，广东工业
工程结构非线性分析、岩土工程，1991 年 7 月毕业于华南理
大学工程力学硕士。
工大学工程力学系工程力学专业，获工学学士学位；2003 年
Email: 309095701@qq.com
7 月毕业于华南理工大学建筑工程系工程力学专业，获工学硕 士学位。Email: yuanbing@gdut.edu.cn 3
莫缵亚（1989-），男，汉族，学士，岩土工程、混凝土结
构加固，广东工业大学学士。Email: 675117489@qq.com
- 78 http://www.ivypub.org/cet