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摘 要：近年来，岩土力学的模拟试验中多采用颗粒流软件，本文基于PFC2D模型建立抗滑桩工程实例设计参数建立桩后垂直截面预应力与桩土相互作用的颗粒流模型。通过对比普通悬臂桩与预应力锚索抗滑桩的受力形态，分析施加预应力对桩身内力的影响。从微观的角度揭示预应力锚索抗滑桩与普通抗滑桩受力形式及桩土相互作用的不同，进一步探索预应力锚索抗滑桩的加固机理。
关键词：预应力;抗滑桩;数值模拟
1、前言
预应力锚索抗滑桩作为一种实用有效的支挡工程措施已在地质灾害治理中得到广泛的应用。在当前地质灾害治理中以及一些基础设施建设中，例如修筑铁路、公路、水利设施等，都大量采用了这种技术。然而，其设计与计算方法仍然是一个亟待深入研究的课题。这种技术是在抗滑桩的基础上发展起来的.相对于普通抗滑桩，其受力状态更加合理。普通抗滑桩的受力模式与悬臂梁十分相似，所计算得到的桩身弯矩和剪力往往很大，因此普通抗滑桩的截面尺寸也相当大。对于岩质滑坡或土层厚度大而不是填方边坡等水平荷载大的治理工程，采用预应力锚索抗滑桩组合结构治理合适。因为它不仅充分发挥抗滑桩能提供较大水平抗力，而且预应力锚索既能提供所需的水平预拉力，又比较经济适用。预应力锚索抗滑桩是一种新型的支挡结构，它实现了小截面、大高度、轻型化的支挡结构。这种支挡结构可以实现抗滑桩、预应力锚索与岩土体相互作用和变形协调。
本文基于抗滑桩工程实例设计参数建立桩后垂直截面预应力与桩土相互作用的颗粒流模型。设计潜在滑动面及滑坡土体，并在滑坡体前侧布置抗滑桩，在重力场的作用下，模拟滑坡土体沿潜在滑动面向下蠕动的过程，观察土颗粒的移动，并在抗滑桩桩身及附近布置测量圆，监测应力场的变化，分析抗滑桩抵抗滑坡推力作用的过程。
2、建立模型
本文结合工程实例中滑坡尺寸及抗滑桩设计参数对试验模型进行设计。滑坡尺寸及抗滑桩工程实例参数取值为：滑坡体宽30米，潜在滑动面埋深15米，设计桩长21米，桩身锚固深度6米，抗滑桩截面设计尺寸1.5×2.0米。颗粒流模型设计参数取值为：滑坡体宽为5米，潜在滑动面埋深2.5米，与水平面夹角26°，设计桩长3.5米，抗滑桩锚固深度1米，桩体沿滑坡方向宽度为0.5米，预应力作用位置为距桩顶0.5米处，滑动面墙体摩擦系数为0，法向刚度和剪切刚度均为6e7N/m，抗滑桩摩擦系数取1，砂颗粒为0.6。运行模型达到平衡状态，将测量圆设置在抗滑桩靠近土体一侧。
本模型取抗滑桩后侧单位厚度土体作为研究对象，假设土颗粒仅受到此截面方向力的作用，忽略沿桩横向土颗粒的相互作用。首先，建立潜在滑动面及滑坡体周围墙体，生成滑坡土体，运行达到最初平衡状态。之后，施加重力场，使滑坡土颗粒在重力的作用下逐渐沿潜在滑动面向下蠕动，滑坡体达到模拟状态。最后，在滑坡土体后面建立抗滑桩，并在底部锚固。删除多余的边界墙，继续施加重力场，使滑坡土体下滑力逐渐作用于抗滑桩上。在距桩顶0.5米处施加预应力限制桩顶位移，模拟两种抗滑桩的受力形式。同时，在抗滑桩桩身及附近土体中布置测量圆，监测桩身内力及土颗粒间应力值。数值模型运行达到抗滑桩发挥抗滑作用，滑坡土体与抗滑桩达到平衡，位移接近于零。
3、数值计算结果分析
3.1 预应力对桩身接触力的影响结果分析
在同一滑坡体作用下，且抗滑桩的强度刚度保持不变，来模拟悬臂桩和预应力锚索桩的抗滑过程。模拟结果表明：普通抗滑桩靠近土一侧桩身受拉，而远离土体一侧桩身受压;预应力锚索抗滑桩在锚固段抗滑桩内侧受拉外侧受压，而在自由段内侧受压外侧受拉。
普通的悬臂桩在滑坡土体的作用下，靠近滑坡体的一侧产生拉力，且在锚固段位置拉力最大;而在远离滑坡体的一侧产生压力，最大压力区也是出现在锚固段位置。另外，桩身底端接触力较小，抗滑桩比较稳定，桩身上部接触力虽然也比较小，但是位移很大。
预应力锚索抗滑桩拉压区并不在同一侧，而是交替出现，拉力区出现在抗滑桩锚固段上部远离滑坡体的一侧和锚固段下部靠近滑坡体的一侧，压力区正好相反。并且，抗滑桩位移较小，抗滑桩受力更加均衡，比普通抗滑桩更加稳定，抗滑效果更好。
3.2预应力对桩身y向应力的影响结果分析
是普通抗滑桩和预应力锚索抗滑桩桩身两排测量圆的y向应力曲线图。观察两种抗滑桩的y向应力曲线可知，普通抗滑桩从桩身后侧y向应力可以看出，桩身后侧y向应力基本均为正值，以受拉区为主。整体y向应力在抗滑桩锚固段最顶部位置达到峰值。从桩身前侧y向应力可以看出，桩身前侧y向应力均为负值，均为受压区。整体y向应力在桩身锚固段顶部0.2米处达到峰值。对比桩身前后侧y向应力可以看出，普通抗滑桩受力较为简单，桩身危险截面在锚固段顶部位置，桩身前侧受压区受力更大，且位置略高于锚固段顶部。预应力锚索抗滑桩桩身前后侧y向应力均出现三个峰值点，三个峰值点的位置基本一致。在桩身锚固段顶部出现一个峰值点，此处桩身后侧受拉前侧受压;在施加预应力处出现一个小的峰值点，此处桩身后侧受拉前侧受压;在桩身y向的中间位置也出现一个峰值点，此处桩身后侧受压前侧受拉。桩身后侧受压区与受拉区的峰值大小基本相同，而桩身前侧受拉区峰值要大于受压区峰值。桩身最危险截面在抗滑桩长度方向的中间位置。
3.3预应力对桩身土颗粒的影响结果分析
普通抗滑桩桩后土颗粒剪应力均为正值，土颗粒均沿一个方向发生转动，且沿桩深度方向，剪应力呈逐渐增大的趋势;预应力锚索抗滑桩桩后土颗粒剪应力出现正负交错的现象，桩后土颗粒沿两个方向发生转动，在滑坡土体中间位置出现剪应力方向的改变。对比分析土颗粒剪应力变化可知，预应力锚索抗滑桩桩后土颗粒之间的作用更为复杂，预应力的施加会改变桩后土颗粒的旋转方向，土颗粒会出现相互嵌挤，发生相对转动的现象，这同样也是抗滑桩抵抗滑坡土体向下蠕动作用的结果。对比y向曲线图可以看出，两种抗滑桩桩后土颗粒y向应力沿桩深度方向的变化趋势大致相同。预应力锚索抗滑桩桩后上部土颗粒的y向应力大于普通抗滑桩的桩后上部土颗粒，并且随着时步的变化，y向应力的波动也较小，表明预应力锚索抗滑桩锚固段以上土颗粒的稳定性更好。
4、结语
本文通过PFC2D软件模拟分析了预应力对抗滑桩桩身内力的影响，发现预应力锚索抗滑桩具有结构受力更加合理、抗滑能力更强的优点，这在滑坡的支挡以及边坡加固中具有非常重要的实践意义。
参考文献：
[1]秦晓睿. 预应力锚索抗滑桩加固边坡优化设计研究[D].北京：中国地质大学，2015.
[2]Zienkiewicz O C， Humpheson C， Lewis R W. Associated and nonassocisted visco plasticity and plasticity in soil mechanics.Geotechnique，1975，25（4）：671-689.
[3]鄭颖人，赵尚毅. 有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2004， 23（19）：3381-3388.
[4]郝小军，陈世民，黎 翔. 有限元强度折减法在边坡稳定分析中的应用[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2009，28 （增刊）：457-459.
[5]曾云华，郑明新. 预应力锚索抗滑桩的受力模型试验[J]. 华东交通大学学报，2003，20（2）：15-18.
关键词：预应力;抗滑桩;数值模拟
1、前言
预应力锚索抗滑桩作为一种实用有效的支挡工程措施已在地质灾害治理中得到广泛的应用。在当前地质灾害治理中以及一些基础设施建设中，例如修筑铁路、公路、水利设施等，都大量采用了这种技术。然而，其设计与计算方法仍然是一个亟待深入研究的课题。这种技术是在抗滑桩的基础上发展起来的.相对于普通抗滑桩，其受力状态更加合理。普通抗滑桩的受力模式与悬臂梁十分相似，所计算得到的桩身弯矩和剪力往往很大，因此普通抗滑桩的截面尺寸也相当大。对于岩质滑坡或土层厚度大而不是填方边坡等水平荷载大的治理工程，采用预应力锚索抗滑桩组合结构治理合适。因为它不仅充分发挥抗滑桩能提供较大水平抗力，而且预应力锚索既能提供所需的水平预拉力，又比较经济适用。预应力锚索抗滑桩是一种新型的支挡结构，它实现了小截面、大高度、轻型化的支挡结构。这种支挡结构可以实现抗滑桩、预应力锚索与岩土体相互作用和变形协调。
本文基于抗滑桩工程实例设计参数建立桩后垂直截面预应力与桩土相互作用的颗粒流模型。设计潜在滑动面及滑坡土体，并在滑坡体前侧布置抗滑桩，在重力场的作用下，模拟滑坡土体沿潜在滑动面向下蠕动的过程，观察土颗粒的移动，并在抗滑桩桩身及附近布置测量圆，监测应力场的变化，分析抗滑桩抵抗滑坡推力作用的过程。
2、建立模型
本文结合工程实例中滑坡尺寸及抗滑桩设计参数对试验模型进行设计。滑坡尺寸及抗滑桩工程实例参数取值为：滑坡体宽30米，潜在滑动面埋深15米，设计桩长21米，桩身锚固深度6米，抗滑桩截面设计尺寸1.5×2.0米。颗粒流模型设计参数取值为：滑坡体宽为5米，潜在滑动面埋深2.5米，与水平面夹角26°，设计桩长3.5米，抗滑桩锚固深度1米，桩体沿滑坡方向宽度为0.5米，预应力作用位置为距桩顶0.5米处，滑动面墙体摩擦系数为0，法向刚度和剪切刚度均为6e7N/m，抗滑桩摩擦系数取1，砂颗粒为0.6。运行模型达到平衡状态，将测量圆设置在抗滑桩靠近土体一侧。
本模型取抗滑桩后侧单位厚度土体作为研究对象，假设土颗粒仅受到此截面方向力的作用，忽略沿桩横向土颗粒的相互作用。首先，建立潜在滑动面及滑坡体周围墙体，生成滑坡土体，运行达到最初平衡状态。之后，施加重力场，使滑坡土颗粒在重力的作用下逐渐沿潜在滑动面向下蠕动，滑坡体达到模拟状态。最后，在滑坡土体后面建立抗滑桩，并在底部锚固。删除多余的边界墙，继续施加重力场，使滑坡土体下滑力逐渐作用于抗滑桩上。在距桩顶0.5米处施加预应力限制桩顶位移，模拟两种抗滑桩的受力形式。同时，在抗滑桩桩身及附近土体中布置测量圆，监测桩身内力及土颗粒间应力值。数值模型运行达到抗滑桩发挥抗滑作用，滑坡土体与抗滑桩达到平衡，位移接近于零。
3、数值计算结果分析
3.1 预应力对桩身接触力的影响结果分析
在同一滑坡体作用下，且抗滑桩的强度刚度保持不变，来模拟悬臂桩和预应力锚索桩的抗滑过程。模拟结果表明：普通抗滑桩靠近土一侧桩身受拉，而远离土体一侧桩身受压;预应力锚索抗滑桩在锚固段抗滑桩内侧受拉外侧受压，而在自由段内侧受压外侧受拉。
普通的悬臂桩在滑坡土体的作用下，靠近滑坡体的一侧产生拉力，且在锚固段位置拉力最大;而在远离滑坡体的一侧产生压力，最大压力区也是出现在锚固段位置。另外，桩身底端接触力较小，抗滑桩比较稳定，桩身上部接触力虽然也比较小，但是位移很大。
预应力锚索抗滑桩拉压区并不在同一侧，而是交替出现，拉力区出现在抗滑桩锚固段上部远离滑坡体的一侧和锚固段下部靠近滑坡体的一侧，压力区正好相反。并且，抗滑桩位移较小，抗滑桩受力更加均衡，比普通抗滑桩更加稳定，抗滑效果更好。
3.2预应力对桩身y向应力的影响结果分析
是普通抗滑桩和预应力锚索抗滑桩桩身两排测量圆的y向应力曲线图。观察两种抗滑桩的y向应力曲线可知，普通抗滑桩从桩身后侧y向应力可以看出，桩身后侧y向应力基本均为正值，以受拉区为主。整体y向应力在抗滑桩锚固段最顶部位置达到峰值。从桩身前侧y向应力可以看出，桩身前侧y向应力均为负值，均为受压区。整体y向应力在桩身锚固段顶部0.2米处达到峰值。对比桩身前后侧y向应力可以看出，普通抗滑桩受力较为简单，桩身危险截面在锚固段顶部位置，桩身前侧受压区受力更大，且位置略高于锚固段顶部。预应力锚索抗滑桩桩身前后侧y向应力均出现三个峰值点，三个峰值点的位置基本一致。在桩身锚固段顶部出现一个峰值点，此处桩身后侧受拉前侧受压;在施加预应力处出现一个小的峰值点，此处桩身后侧受拉前侧受压;在桩身y向的中间位置也出现一个峰值点，此处桩身后侧受压前侧受拉。桩身后侧受压区与受拉区的峰值大小基本相同，而桩身前侧受拉区峰值要大于受压区峰值。桩身最危险截面在抗滑桩长度方向的中间位置。
3.3预应力对桩身土颗粒的影响结果分析
普通抗滑桩桩后土颗粒剪应力均为正值，土颗粒均沿一个方向发生转动，且沿桩深度方向，剪应力呈逐渐增大的趋势;预应力锚索抗滑桩桩后土颗粒剪应力出现正负交错的现象，桩后土颗粒沿两个方向发生转动，在滑坡土体中间位置出现剪应力方向的改变。对比分析土颗粒剪应力变化可知，预应力锚索抗滑桩桩后土颗粒之间的作用更为复杂，预应力的施加会改变桩后土颗粒的旋转方向，土颗粒会出现相互嵌挤，发生相对转动的现象，这同样也是抗滑桩抵抗滑坡土体向下蠕动作用的结果。对比y向曲线图可以看出，两种抗滑桩桩后土颗粒y向应力沿桩深度方向的变化趋势大致相同。预应力锚索抗滑桩桩后上部土颗粒的y向应力大于普通抗滑桩的桩后上部土颗粒，并且随着时步的变化，y向应力的波动也较小，表明预应力锚索抗滑桩锚固段以上土颗粒的稳定性更好。
4、结语
本文通过PFC2D软件模拟分析了预应力对抗滑桩桩身内力的影响，发现预应力锚索抗滑桩具有结构受力更加合理、抗滑能力更强的优点，这在滑坡的支挡以及边坡加固中具有非常重要的实践意义。
参考文献：
[1]秦晓睿. 预应力锚索抗滑桩加固边坡优化设计研究[D].北京：中国地质大学，2015.
[2]Zienkiewicz O C， Humpheson C， Lewis R W. Associated and nonassocisted visco plasticity and plasticity in soil mechanics.Geotechnique，1975，25（4）：671-689.
[3]鄭颖人，赵尚毅. 有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2004， 23（19）：3381-3388.
[4]郝小军，陈世民，黎 翔. 有限元强度折减法在边坡稳定分析中的应用[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2009，28 （增刊）：457-459.
[5]曾云华，郑明新. 预应力锚索抗滑桩的受力模型试验[J]. 华东交通大学学报，2003，20（2）：15-18.