曲宏略， 胡煥國， 張建經(jīng)， 朱大鵬

(1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500； 2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

地震動對錨索樁的響應特性研究①

曲宏略1， 胡煥國1， 張建經(jīng)2， 朱大鵬1

(1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500； 2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

汶川地震震害調(diào)查表明使用預應力錨索的樁板墻變形協(xié)調(diào)性好，抗震性能高，但目前在預應力錨索樁板墻的抗震設計理論研究方面仍比較落后。鑒于此，利用FLAC3D對預應力錨索樁板墻的地震響應特征進行研究，包括樁身土壓力分布、樁身變位及錨索內(nèi)錨段應力的動力響應特性等，并通過改變地震動參數(shù)進行多種工況的分析，系統(tǒng)研究地震動參數(shù)對樁-土-錨動力耦合相互作用規(guī)律的影響。研究成果可加強對預應力錨索樁板墻抗震表現(xiàn)的認識，也為深化抗震機理研究提供可靠的依據(jù)。

預應力錨索樁板墻； 地震響應； 參數(shù)影響

0 引言

汶川地震的震害調(diào)查表明，加筋土擋墻、樁板墻等柔性支擋結(jié)構(gòu)較剛性擋土墻的抗震性能好[1]，其中使用預應力錨索的樁板結(jié)構(gòu)的抗震性能更為優(yōu)越。然而，由于錨索樁板墻的結(jié)構(gòu)形式新穎，受力體系復雜，國內(nèi)外對其研究還較少，特別在抗震理論研究方面仍處于起步階段，鑒于此，開展預應力錨索樁板墻地震下的動力響應研究具有重要意義。

對于此結(jié)構(gòu)，國外多集中于碼頭、基坑中的應用研究，如Samuel[2]利用有限元方法計算了基坑擋墻的地震土壓力，并與傳統(tǒng)的擬靜力法進行了比較；Zhai[3]對某碼頭錨索樁的幾種抗震設計方法進行了總結(jié)分析?？傮w上看，國外對于順層及坡積體邊坡的抗滑研究較少，而國內(nèi)預應力錨索樁板墻在邊坡抗滑中的應用更為廣泛，如曾云華，鄭明新[4]通過模型試驗分析了預應力對邊坡巖土材料的影響作用；周德培，王建松[5]利用變形協(xié)調(diào)原理推導出結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算公式。除此之外，對于錨索錨固應力的研究也取得了一定的成果：蔣忠信[6]給出了拉力型錨索內(nèi)錨段剪應力分布的高斯曲線模式；在此基礎上，肖世國[7]提出了一種確定錨索內(nèi)錨段長度的方法。但國內(nèi)研究仍主要集中于靜力方面，對地震情況下的研究較少。因此，本文借鑒前人的研究成果，利用FlAC3D軟件開展預應力錨索樁板墻的地震響應分析工作，特別進行結(jié)構(gòu)設計參數(shù)對其動力響應影響的研究。

1 數(shù)值分析模型

1.1 工程概況

圖1 預應力錨索樁板墻現(xiàn)場設計圖Fig.1 Design of the prestressed anchor sheet pile wall

根據(jù)現(xiàn)場工程背景，從機理分析的角度出發(fā)，計算模型取路基橫斷面(圖1)，建立計算模型(圖2)?？够瑯堕L28 m，截面尺寸2.5 m×3.5 m，嵌固17 m，樁間安裝擋土板，錨索采用6束φ15.2 mm鋼鉸線制作，上下排錨索錨頭到樁頂距離分別為0.5 m和2.5 m，錨固下傾角約20° ，自由段長度分別為20 m和18 m，內(nèi)錨段長10 m，錨固直徑13 cm，錨索預應力750 kN，理論破斷力1 554 kN。

1.2 計算參數(shù)選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘探結(jié)果確定材料參數(shù)和本構(gòu)模型選取(表1)，其中滑體、滑床和樁采用實體Zone單元模擬，擋土板采用結(jié)構(gòu)Shell單元模擬，厚度0.3 m。樁土界面采用無厚度接觸面單元“interface單元”進行模擬。

表1 各分組材料參數(shù)

圖2 FLAC3D計算模型圖Fig.2 The calculation model of FLAC3D

圖3 預應力砂漿錨桿力學特性的模擬體系Fig.3 Simulation system of mechanics characteristics of prestressed mortar anchor

錨固體與巖體界面間的作用與錨桿體系相同，本質(zhì)上說就是粘結(jié)作用和摩擦作用，分別對應圖3中的彈簧和滑片的效應。該系統(tǒng)可以被理想化成圖4的形式，采用FLAC3D特有的cable結(jié)構(gòu)單元進行模擬，改變錨頭默認的link設置，使之與實體單元建立剛性連接模擬托盤。錨索采用15-6錨具，配套YCW100B千斤頂張拉，彈性模量為2.0E+11 Pa，抗拉強度為1 554 kN，錨固段單位長度水泥漿黏結(jié)力為2.0E+6 N/m，水泥漿單位長度剛度為2.0E+7 N/m2。

圖4 理想的砂漿錨桿體系Fig.4 Ideal mortar anchor system

在模型底部施加靜態(tài)邊界條件，由底部沿X方向輸入基線校正后的El Centro地震應力時程，PGA調(diào)整為0.1 g，應力時程由地震所記錄的水平速度時程轉(zhuǎn)換得到，即σs=-2(ρCs)υs。為節(jié)約計算時間，地震動加載時間取為30 s，這段時間包括了地震速度時程中的較大振幅部分。人工處理后的速度時程見圖5。模型四周采用自由場邊界，模型采用5%局部阻尼比來近似表征土體在地震波傳播過程中的阻尼作用。

2 地震作用下動力響應分析

2.1 土壓力

土壓力是引起樁板結(jié)構(gòu)所受剪力和彎矩的起因，其大小及分布模式對抗震設計意義重大。保守起見，取地震土壓力時程的峰值進行研究。分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樁身所受土壓力在錨索位置出現(xiàn)明顯的增大，說明錨索對樁板結(jié)構(gòu)變位起到了限位作用(圖6)。此外，樁前土體抗力在地震荷載作用下呈先增大后減小的非線性分布。出現(xiàn)這種分布的原因可能是由于輸入地震荷載幅值較大，造成樁前路基表面土體出現(xiàn)塑性破壞。因此重視樁前土體的鎖口對樁板結(jié)構(gòu)的抗震有積極作用。

圖5 施加X向速度時程Fig.5 Velocity time history in direction X

圖6 土壓力沿樁身分布Fig.6 Distribution of earth pressures along pile

2.2 位移

樁身未發(fā)生明顯的撓曲變形，抗滑樁發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(圖7)，轉(zhuǎn)點在嵌固深度以下約2 m處，屬于埋深較淺部位，與土壓力曲線分布規(guī)律吻合。

圖7 樁身實測位移Fig.7 Measured displacement of pile

2.3 軸力和剪應力

由于膠結(jié)材料與預應力鋼絞線或鋼絲的黏結(jié)強度高于膠結(jié)材料與孔壁的黏結(jié)強度[8]，因此對預應力錨索樁板墻在地震情況下的錨索軸力分布和錨固體與孔壁剪應力分布開展分析研究。錨索軸力在自由段的動態(tài)響應規(guī)律和內(nèi)錨段的分布見圖8?？梢?，不論上排還是下排錨索，其軸力在錨索自由段最大。由于預應力的作用，軸力處于動拉應力狀態(tài)，在地震荷載作用下，上排錨索內(nèi)錨段軸力增大到982.8 kN，下排錨索軸力增大到944.4 kN，在時程上5 s以后軸力浮動變化較小，這說明按擬靜力對錨索進行抗震設計具有一定的依據(jù)。同時，下排錨索軸力比上排略小(見圖8(b))，出現(xiàn)上述差異的原因是由于錨索軸力變化與樁身變位正比。此外，在內(nèi)錨段錨索軸力沿錨固深度逐漸減小，曲線呈“倒喇叭”狀分布。

圖8 錨索軸力在自由段的動態(tài)響應和內(nèi)錨段分布規(guī)律Fig.8 Dynamic response of axial force in free segment of anchor cable and distribution of axial force in inner achoring section

內(nèi)錨段剪應力的動態(tài)響應規(guī)律和分布見圖9?？梢姡魬υ趦?nèi)錨段端頭附近急劇增大，地震作用下上排錨索剪應力增大到395.9 kPa，下排錨索增大到387.9 kPa，下排錨索所受剪應力較上排略大的原因是下排錨索傾角更大。從剪應力分布可以看出，曲線在2.5 m深度(即錨固深度的1/4)附近出現(xiàn)明顯凸起，然后逐漸慢慢減小，曲線呈“棗核”狀單峰曲線分布，隨著錨固深度的增加趨于平緩，符合高斯曲線分布模式[6]。然而，目前錨索設計中都是以剪應力在內(nèi)錨段均布為前提，采用平均黏結(jié)強度來計算內(nèi)錨段的長度偏于危險[7]。

此外，內(nèi)錨段剪應力主要集中在5 m以內(nèi)，這一結(jié)果與前人研究結(jié)論中的“阻力分布主要集中在內(nèi)錨段外端3 m范圍內(nèi)”有所差異，這與所選模型的基巖較軟有關，即巖體越軟，側(cè)阻力在錨固深度上的分布越均勻[9]。但是此結(jié)果也同樣證明了在預應力錨索設計中，盲目增加內(nèi)錨段長度是無益的，這與三峽工程現(xiàn)場測試結(jié)果[10]和目前常用于預應力研究的剪切滯模型吻合[11]。

圖9 內(nèi)錨段剪應力動態(tài)響應和分布規(guī)律Fig.9 Dynamic response and distribution of shear stress in inner anchoring section

3 地震動參數(shù)影響研究

3.1 不同地震波

通過FLAC3D進行自振頻率計算，自振周期約為0.248 s，自振中心頻率為4.03 Hz，如圖10所示。

對模型加載El Centro、Kobe和臥龍三個地震波，PGA歸一化為0.1 g，三個地震波的加速度反應譜見圖11?？梢钥闯?，El Centro波的加速度譜幅值在整個周期范圍內(nèi)的分布居中，因此常被選為典型地震波進行地震響應分析。Kobe波短周期成分較強，長周期成分較弱；汶川臥龍波的短周期成分較弱，長周期成分較強。此外，在自振周期0.248 s附近，加速度反應譜幅值排序為Kobe>El Centro>Wolong，與圖12的結(jié)構(gòu)位移、土壓力、軸力以及剪應力的表現(xiàn)吻合。

圖10 自振頻率計算曲線Fig.10 Calculated curve of the natural frequency of vibration

圖11 加速度反應譜對比Fig.11 Comparison of the acceleration response spetrums

圖12 結(jié)構(gòu)地震響應情況Fig.12 Seismic response of structure

從圖12可以看出，樁身位移、土壓力以及內(nèi)錨段軸力與剪應力的響應情況與結(jié)構(gòu)自振周期附近加速度反應譜幅值排序的結(jié)果一致，充分說明了結(jié)構(gòu)抗震設計時動力特性對抗震效果的影響。

圖13 不同PGA加載下結(jié)構(gòu)的地震響應情況Fig.13 seismic response of structure under different PGA loadings

3.2 不同PGA

選取El Centro波，將其PGA分別歸一化為0.1 g、0.2 g和0.4 g進行加載，以模擬結(jié)構(gòu)在地震基本烈度Ⅶ、Ⅷ和Ⅸ度區(qū)域的響應情況，對比情況見圖13。可以看出，在地震基本烈度Ⅶ度和Ⅷ度區(qū)，結(jié)構(gòu)的受力和變位均較小，錨索軸力與剪應力分布的差距也不明顯，隨著PGA的增大，樁身變位和受力變大，轉(zhuǎn)點變深，軸力和剪應力分布上升。而在Ⅸ度區(qū)，樁頂位移達到24.6 cm，接近樁長的10‰，錨索位置樁背土壓力劇增，內(nèi)錨段剪應力分布的駝峰曲線更為明顯，錨索軸力達到1 630 kN，超過理論破斷力。

4 結(jié)語

以預應力錨索樁板墻為對象，利用FLAC3D有限差分法建立三維模型并進行動力時程反應分析和地震動參數(shù)影響分析，經(jīng)計算結(jié)果對比分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) 地震作用下，錨索對樁板結(jié)構(gòu)變位起到了限位作用，在錨索位置土壓力出現(xiàn)明顯的增大，樁前地基表面的土體易出現(xiàn)塑性破壞。重視樁前土體的鎖口對樁板結(jié)構(gòu)的抗震有積極作用。

(2) 軸力在錨索自由段最大，且等值分布，下排錨索軸力比上排錨索略小，在內(nèi)錨段隨錨固深度的增加錨索軸力逐漸減小，曲線呈“倒喇叭”狀分布。剪應力在內(nèi)錨段端頭附近急劇增大，曲線呈“棗核”狀單峰曲線分布，隨著錨固深度的增加趨于平緩。

(3) 結(jié)構(gòu)抗震設計時應考慮地震動特性對抗震效果的影響。PGA越大結(jié)構(gòu)地震響應越劇烈，在歸一化PGA的情況下，結(jié)構(gòu)地震響應情況與自振周期附近加速度反應譜幅值排序的結(jié)果一致。

預應力錨索樁板墻加固邊坡的受力機理分析是一個涉及因素較多、關系復雜的課題。本文只是對錨索、抗滑樁、樁周土三者做了一些初步性的探討，還存在許多不足之處，有待于在日后工作中進一步完善。

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Dynamic Response Characteristics of Anchor Cable Piles under Ground Motion

QU Hong-lue1， HU Huan-guo1， ZHANG Jian-jing2， ZHU Da-peng1

(1.SchoolofGeoscienceandTechnology，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu，Sichuan610500，China；2.SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu，Sichuan610031，China)

Prestressed anchor sheet pile wall is a light-weight retaining structure.As a new style of retaining structure，the stressed form of a prestressed anchor sheet pile is similar to a beam-style structure.This is deemed to be more reasonable than the stressed form of a cantilever that is usually used for stabilizing piles.In addition，because of advanced deformation compatibility and better seismic performance，the prestressed anchor sheet pile is widely used in landslide treatment.An investigation of seismic hazards in the Wenchuan earthquake suggests that a stabilizing pile has many advantages in terms of landslide treatment.Because this structure plays an important role in landslide treatment，many researchers have performed analysis on static design and loading characteristics；however，there is limited research on the seismic design theory of prestressed anchor sheet pile walls.The FLAC3D model was used to study the seismic response of this structure，including the distribution of seismic earth pressure along the pile，deflection of the pile，and dynamic characteristics of cable stress in the anchor.In addition，the analyses of multiple cases were completed using various parameters of ground motion；thus，the influence of the parameters on the dynamic interaction law of pile-soil-anchor was systematically derived.Through FLAC3D and a contrasting calculation，some conclusions are obtained.First，the anchor cable plays a limited role in the displacement of a pile wall structure，and an increase in soil pressure appears near the anchor cable.Because plastic deformation occurs in the soil on the surface of foundation before piling，paying attention to the embedded soil before piling is important as it has an active effect on the structural seismic performance.Second，the axial force is the largest in the free section of the anchor cable，and the value is an equivalent distribution.In the inner anchorage section，with an increase in anchorage depth，the axial force decreases.Shear stress increases sharply near the end of the inner anchorage section.The shear stress and anchorage depth curves are similar to a date pit，and with the increase of anchorage depth，the curve becomes gradually smoother.Moreover，the influence of ground motion characteristics on the seismic effect needs to be considered.Under ground motion，the seismic response order is consistent with the acceleration response spectrum near its natural period.The above research provides a basis for further details of prestressed anchor cable sheet pile walls in future.In addition，the results of this study strengthen the understanding of seismic performance and provide a reliable basis for further research.

prestressed anchor sheet pile wall； seismic response； parameter influence

2014-08-20

西南石油大學校級科研基金項目(2013XJZ020)；四川省教育廳科研項目(14ZB0056)；西南石油大學科研培育項目(2014PYZ014)；安全生產(chǎn)重大事故防治關鍵技術科技項目(2014-3189)

曲宏略(1984-)，男，博士，講師，主要從事巖土工程結(jié)構(gòu)抗震方面的研究.E-mail：93318620@qq.com

TU435

A

1000-0844(2015)02-0317-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0317