1.3　锚固支护结构的力学特性研究

随着锚固支护技术不断发展，与之相适应的各类边坡支护形式应运而生。其中，桩锚支护结构和框架锚杆支护结构在边坡支护中有着非常广泛的应用。桩锚支护结构与框架锚杆支护结构的力学特性及其分析理论也备受广大学者和工程师的重视。针对桩锚支护结构和框架锚杆支护结构研究工作，主要研究手段包括理论分析、数值模拟和试验测试等。

1.3.1　桩锚支护结构

（1）理论方法

当前用于桩锚支护结构受力计算的常见理论方法有：极限平衡法、弹性地基梁法、有限元法，以及基于这三种方法的衍生方法。Cherubini[6]介绍了极限平衡法和概率分析法在桩锚支护结构计算上的应用。杨佑发等[7]基于地基系数“k-k”法原理，提出了锚杆抗滑桩桩体内力计算的有限差分法。肖淑君[8]将加权残值法引入到锚杆抗滑桩的计算之中，针对锚杆作用于桩身的不同情形，考虑锚杆与桩身的位移协调，提出了基于加权残值法的锚杆抗滑桩内力位移计算方法。晏鄂川等[9]针对变形协调条件假设与桩锚结构的实际工作状态不一致的问题，对桩锚结构变形协调方法进行了改进。许海勇等[10]建立了桩锚支护结构水平位移的计算模型，利用弹性叠加法得出桩锚支护结构深层水平位移计算表达式，并联立锚杆刚度方程求解出其中的参数，获得了最终的水平位移简化结果。简文星等[11]对桩锚支护结构的变形协调条件进行优化，提出了一种新的锚索拉力计算方法。李元勋等[12]分析桩锚支护结构受力性能，引入附加应力法，将施加于锚杆上的预应力等效为土体中的附加应力，建立了考虑预应力作用的深基坑桩锚支护结构整体稳定性计算模型，并推导了计算公式。周勇等[13]将锚杆预应力引起的附加应力作为一个考虑因素，提出了桩锚支护结构整体稳定安全系数和水平位移的计算公式，并给出了支护结构稳定安全系数和支护结构水平位移之间的关系表达式。Huang等[14]对地震作用下四种不同加固方案的桩锚支护结构的有效性进行验证，采用有限元分析方法推导了边坡的动力响应参数，并采用Newmark滑块分析方法对加固后的边坡进行了稳定性分析，结果表明，桩锚结构在减小边坡变形方面具有显著优势，内力分布更加合理，边坡稳定性得到提高。

（2）数值模拟方法

基于计算机的数值模拟方法可以对桩锚支护施工全过程进行模拟，因而可以得到桩锚支护结构在施工各阶段桩、锚杆以及边坡的受力与变形情况，对桩锚支护结构的设计和施工具有极其重要的参考价值。此外，基于数值模拟方法，对桩锚支护边坡进行静、动稳定性分析是现阶段非常有效、经济的手段。

李志勇等[15]通过FLAC3D软件建立了预应力锚索桩板墙三维数值模型，研究了交通荷载作用下挡墙的受力与变形机制，并与现场动应变测试结果进行比较。吴润泽等[16]通过建立预应力锚杆桩板墙的FLAC3D数值模型，并结合有限元强度折减法，对锚杆桩板墙滑坡推力的分布规律进行了系统的研究。王明龙等[17]采用FLAC3D软件对桩锚支护结构在不同工况下的受力特性进行了模拟研究，讨论了桩体在桩锚支护结构施工过程中的受力变化规律。Gazetas等[18]利用有限元数值模型对桩体埋置于非液化土层且一面邻水的锚定钢板桩墙进行了地震动力响应分析，得出了一系列有益结论。贺思悦等[19]为研究桩锚支护对偏压隧道边坡的加固效果，建立三维弹塑性有限元模型进行分析，并对比研究了桩锚加固与无加固状态下的边坡剪应变、水平与竖直位移、坡底抗滑桩轴力。周勇等[20]结合兰州某深基坑桩锚支护结构，采用ADINA有限元软件，进行基坑开挖数值模拟，分析了基坑水平与竖向位移以及锚杆预应力、锚杆角度对支护结构位移的影响。Zhao等[21]为全面了解锚定板桩墙结构的受力特性，采用数值模拟的方法模拟了基坑开挖和回填过程，并与现场实测结果进行了对比。同时，对土—结构相互作用机理进行了影响因素敏感性分析，为锚定板桩墙的设计和施工提供了参考。Emarah等[22]采用PLAXIS有限元程序对不同类型砂土回填条件下的单桩和双桩锚定板桩墙体系进行了数值研究，研究结果表明，下部锚杆所产生的力总是大于上部锚杆所产生的力，当土体密度较大时，锚杆锚固力和桩体最大弯矩值较低。

（3）试验研究

现场原型试验和模型试验是桩锚支护结构受力与变形特性研究的主要手段。李寻昌等[23]进行了锚杆抗滑桩结构体系桩侧地层抗力分布规律的室内模型试验，给出了锚杆抗滑桩结构体系桩侧地层抗力的3种分布模式，获得了桩前滑裂面以下部分被动抗力值的大致范围。张涛[24]进行了锚杆抗滑桩室内物理模型试验，通过对测试数据的分析，揭示了测点土压力变化规律、抗滑桩的受力分布、桩身内力分布规律、锚杆抗滑桩与滑体的变形规律等。李浩等[25]对某基坑支护工程开展了深基坑桩锚支护结构受力与变形特性的现场试验研究，得出了冠梁上土压力与内力变化规律、锚杆轴力及支护桩侧向位移分布特征。郑桐等[26]基于离心模型试验，完成了50g离心加速度条件下锚索抗滑桩加固滑坡体的振动台模型试验，对锚索抗滑桩和坡体地震动力响应特性及锚索抗滑桩抗震性能进行了分析。张涛等[27]开展了3组不同桩锚结构加固黄土滑坡的模型试验，测得不同桩锚模型的土体抗力、桩身弯矩及锚杆的应变，对不同结构形式锚杆抗滑桩的受力形式、内力分布及破坏模式进行了对比分析，研究成果为黄土滑坡防治中锚杆抗滑桩的设计提供了依据。李亭等[28]采用物理模拟试验方法和准分布式光栅串测试技术，研究了桩锚支护体系中锚杆在冬季冻胀作用下的作用机理，研究了锚杆受力随着冻深发展的演化规律。冯帅等[29]为解决锚头失效问题，提高锚索抗滑桩的抗震性能，开展了大型振动台模型试验，结果表明，在锚索抗滑桩锚头与桩间设置消能弹簧可在一定程度上缓解锚头失效的问题。Qu等[30]以文克尔弹性地基梁法为基础，建立了桩—锚索—土坡体系动力响应的分析模型，然后进行了锚杆板桩墙振动台模型试验，通过试验验证了该分析模型得到的桩身位移、锚索轴力、桩侧土压力等分析结果的正确性。Huang等[31]通过50g动力离心试验，研究了地震荷载作用下桩锚支护结构加固边坡的地震反应特性，结果表明，桩身是主要的支挡结构，锚杆可以防止桩向外倾斜以提高桩的耐久性。此外，桩锚支护结构在地震荷载作用后会发生锚杆的松弛、桩的弯曲和边坡的位移等情况。

1.3.2　框架锚杆支护结构

（1）理论方法

目前，针对锚杆框架梁支护结构的计算理论有：刚性支座连续梁法（反梁法）和弹性地基梁法，同时，很多学者基于锚杆框架梁结构特点提出了一些新的设计方法。李德芳等[32]根据Winkler假定，采用结构力学理论建立了锚杆地梁的力学模型，并通过计算实例证明了该模型的正确性。杨明等[33]根据Winkler地基模型，对锚杆框架的受力特征进行分析，并结合现场试验结果，提出了锚杆框架的弹性地基梁计算模式，使框架设计得到了优化。刘小丽等[34]考虑地梁与岩土体相互作用，基于线弹性Winkler地基模型，考虑结构的弯曲和扭转变形，提出了利用杆系有限元法对预应力锚杆框架梁进行计算。管乐[35]基于Winkler弹性地基模型，同时考虑基底摩擦力引起的框架梁应力重分布现象，通过弹性力学方法推导了考虑摩擦力的框架梁内力计算公式。肖世国等[36]认为硬质岩体边坡预应力锚杆地梁上的坡体压力应分别进行锚杆张拉阶段和工作阶段分析，提出了锚杆张拉阶段可依据弹性半无限体理论近似分析地梁下的坡体压力，而工作阶段则可利用极限平衡法近似求解地梁下的坡体压力，由此获得了两阶段预应力锚杆地梁下坡体压力的分布模式。朱彦鹏等[37]依据框架锚杆支护体系的作用机理，把框架锚杆支护边坡结构体系分为动土压力模型和框架锚杆支挡结构动力模型两个部分，通过对动土压力的求解和框架结构振型反应的分析，得到了框架各结点处的支座反力，从而提出了一种水平地震作用下框架锚杆支护边坡简化分析方法，为框架锚杆支护边坡的抗震设计提供参考。周勇等[38]基于预应力锚杆支护结构中锚杆所提供的抗拔力由锚土作用抗拔力和土体自承作用抗拔力两部分组成，提出了摩擦型灌浆锚杆抗拔力的改进求解方法，分别对两部分抗拔力进行理论求解，给出了相应的理论计算公式。Shi等[39]为准确预测锚杆框架梁结构中锚固力损失的规律和程度，建立了一种新的耦合计算模型，并通过现场监测试验验证了该计算模型的准确性。叶帅华等[40]根据土动力学和结构动力学原理，将边坡高度作为影响因素，基于水平条带法建立了预应力锚杆框架梁加固边坡的地震动分析模型，该模型可近似反映加固边坡体系的土压力分布特征、加固结构的位移响应和预应力锚杆的轴力响应特征，为预应力锚杆框架梁加固边坡的抗震设计提供了依据。

（2）数值模拟方法

数值模拟可以很好地考虑框架梁、锚杆与土体的相互作用，以及三者之间的变形协调，对揭示锚杆框架梁结构的工作机理和影响因素具有不可替代的作用。丁秀美等[41]根据预应力锚索框架梁加固边坡工程实例，应用FLAC3D软件建立了三维地质力学数值模型，对这种支护结构作用下的附加应力分布规律进行了初步探索。吴舟礼等[42]基于FLAC3D数值软件，开展了锚杆框架梁加固膨胀土路堑边坡的数值模拟，研究了锚杆框架梁的护坡效果以及坡率对膨胀土路堑边坡的影响，结果表明，坡率与膨胀土路堑边坡变形密切相关，锚杆框架梁参数中锚杆布设角度和间距对膨胀土边坡变形影响较大。董建华等[43]基于土体与支护结构相互作用及其协同工作机理，建立了三维有限元数值模型，对地震激励下框架锚杆支护边坡的动力响应特性进行分析，得到了很多有益结果。韩爱民等[44]结合现场试验和变换设计参数进行了数值模拟研究，对预应力锚杆框架梁支护结构加固边坡的力学响应、支护体系与加固坡体之间相互作用的空间力学效应以及参数的敏感性等问题进行了研究。叶帅华[45]以西北黄土地区实际工程为背景，考虑框架-锚杆-土体三者之间的相互作用，建立了预应力锚杆框架梁结构支护边坡在地震作用下的三维有限元模型，对预应力锚杆框架梁支护边坡在地震作用下的位移、锚杆轴力响应特性等进行了计算和参数分析。

（3）试验研究

试验方法可以有效地揭示锚杆框架梁结构受力和变形特性以及框架梁-锚杆-土体三者相互作用特性。朱宝龙等[46]基于现场试验，研究了土质边坡加固预应力锚杆框架的内力分布规律，以及锚杆力在框架纵横梁之间的分配特点，同时验证了锚杆框架内力的Winkler弹性地基梁计算模型。文畅平等[47]通过比尺为1∶8的边坡大型振动台模型试验，研究了格构式锚杆框架护坡分别在单向和双向地震激励下的位移模式及其变化规律。何丽平等[48]通过大型振动台试验研究了上部采用锚杆框架梁、下部设置为桩板墙的组合式支挡结构的加速度响应和动土压力响应，并将土压力测试结果与Mononobe-okabe理论和规范法的计算结果进行对比，指出地震高烈度区土压力计算时须对Mononobe-okabe理论和规范法进行修正。付晓等[49]基于原型边坡设计了大型振动台模型试验，通过监测锚杆轴力、桩身土压力、坡体加速度和坡面位移时程，研究了多级锚杆框架梁与双排抗滑桩组合结构加固含软弱夹层岩质边坡的地震动力特性，对地震地区锚杆框架梁与抗滑桩组合支护结构的设计具有一定的指导作用。刘振华[50]通过对未加固的、腰梁锚固和框架锚杆锚固的黄土边坡进行室内模型试验，分析了不同坡顶荷载作用下坡体的位移、锚杆受力、框架梁的受力分布以及边坡极限承载力的变化规律，对工程实践具有参考价值。