預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡穩(wěn)定性分析

作者簡介：羅振華（1986—），工程師，主要從事公路工程管理工作。

摘要：文章以某邊坡為研究對象，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)加固后分析其穩(wěn)定性，并對錨桿間距L和錨桿傾角α、邊坡平臺寬度b以及土體粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ等參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：邊坡安全系數(shù)隨著錨桿間距L的減小而逐漸增大，但增速不同，當(dāng)L<2.5 m時(shí)，隨著錨桿間距的減小，邊坡安全系數(shù)增速逐漸減小;邊坡安全系數(shù)隨著錨桿傾角的增大先增大，直到α為25°時(shí)，邊坡安全系數(shù)到達(dá)峰值，之后隨著α增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小;邊坡安全系數(shù)隨著邊坡平臺寬度b的增大而逐漸增大，即b越大，對邊坡安全穩(wěn)定性越有利;邊坡安全系數(shù)隨著土體粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大而增大，且均基本呈線性增大的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：邊坡;預(yù)應(yīng)力錨桿;穩(wěn)定性;參數(shù);數(shù)值分析

中國分類號：U417.1+16A240903

0 引言

在我國山嶺地區(qū)，修建道路工程經(jīng)常會出現(xiàn)路塹邊坡。當(dāng)路塹邊坡的坡率較大時(shí)，需要采取一定的邊坡加固措施才能保持邊坡的整體穩(wěn)定性，而預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方式作為一種常用的邊坡支護(hù)手段，近年來被廣泛地應(yīng)用到工程當(dāng)中。國內(nèi)學(xué)者對此做了一些研究，例如：唐湖北、楊梅等[1-2]以極限平衡法為理論基礎(chǔ)，將邊坡數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值軟件，通過建立多個(gè)數(shù)值模型，計(jì)算了安全系數(shù)，并重點(diǎn)考慮了錨桿錨固角和錨固位置布設(shè)分布帶來的影響;王利軍、周勇等[3-4]以某軟弱巖邊坡支護(hù)為研究對象，通過分析前人研究的不足，提出了錨索框架梁和錨桿共同支護(hù)的邊坡加固方法，通過數(shù)值計(jì)算，最終驗(yàn)證了該方法的有效性，可以應(yīng)用在工程當(dāng)中;何立志、盛哲豪等[5-6]通過對國內(nèi)大量文獻(xiàn)的研究分析，提出了新的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，即采用附加應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明此種方法在特定的工況中具有較大的優(yōu)勢;周勇、許容等[7-8]認(rèn)為所研究的邊坡以圓弧滑動破壞模式進(jìn)行破壞，在此假設(shè)基礎(chǔ)上，得到了邊坡安全系數(shù)計(jì)算新模型，該模型是通過自動搜索最危險(xiǎn)滑動面來實(shí)現(xiàn)的。本文主要以某邊坡為研究對象，研究了采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)加固時(shí)的邊坡的穩(wěn)定性，并對錨桿間距L和錨桿傾角α、邊坡平臺寬度b以及土體粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ等參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究結(jié)果可為預(yù)應(yīng)力錨桿加固多級邊坡支護(hù)的設(shè)計(jì)以及施工提供參考。

1 工程概況

某邊坡工程為三級邊坡，土體為均質(zhì)黏土層。如圖1所示，邊坡的長和高度分別為100 m和50 m。由圖1可知，共3級邊坡，每級邊坡的高度均為10 m，平臺寬度均為5.0 m，從上至下三級邊坡的坡角大小依次為50°、60°和70°。

本文擬采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)加固，斷面上每級邊坡設(shè)計(jì)有4根錨桿，錨桿長度取12 m，錨桿的傾角取20°，錨桿水平間距為2.5 m。錨桿施加預(yù)應(yīng)力的值均為120 kN。

2 數(shù)值建模

本文主要采用有限元軟件Midas GTS建立計(jì)算模型，圖2所示為建模得到的數(shù)值模型圖。如圖2所示，模型x方向的長度為100 m、寬度（y方向）和高度（z方向）的取值分別為10 m和50 m。模型單元格總數(shù)量為1 268個(gè)，并將模型的水平方向以及模型底部進(jìn)行位移鎖定和控制邊界。

本文計(jì)算模型中土質(zhì)較為均勻，對此，本文作理想假設(shè)，即土體為均質(zhì)黏土，計(jì)算時(shí)采用的本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型。如表1和表2所示，分別給出了土體和錨桿的力學(xué)參數(shù)。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 邊坡安全系數(shù)及位移分析

如圖3所示，給出了邊坡安全系數(shù)計(jì)算云圖。該工況下，錨桿的傾角取20°，平臺寬度取3 m，錨桿間距取2.5 m。通過計(jì)算分析，最終得到邊坡安全系數(shù)為1.32。根據(jù)邊坡相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求，此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡水平位移對于判斷邊坡的穩(wěn)定性以及觀察邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)具有重要的參考意義。如圖4所示為邊坡水平位移云圖。由圖4可知，邊坡最大水平位移發(fā)生在第一級邊坡坡面上，最大水平位移約為7 mm。

3.2 參數(shù)改變對邊坡安全系數(shù)的影響分析

參數(shù)不同對于邊坡支護(hù)效果不同，研究參數(shù)變化規(guī)律可以為更加經(jīng)濟(jì)、合理地調(diào)整邊坡支護(hù)參數(shù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。本文為了探究參數(shù)改變對邊坡安全系數(shù)的影響，分別研究了錨桿間距L、錨桿傾角α、邊坡平臺寬度b、土體粘聚力c和土體內(nèi)摩擦角φ變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖5所示為保持其他參數(shù)不變，通過改變錨桿間距L得到的邊坡安全系數(shù)圖。由圖5可知，安全系數(shù)隨著L的增大而逐漸減小。L取1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m和3.5 m時(shí)得到的邊坡安全系數(shù)分別為1.351、1.336、1.319、1.231和1.154。由此可知，相比于L取3.5 m，當(dāng)L取3.0 m、2.5 m、2.0 m和1.5 m時(shí)，邊坡的安全系數(shù)依次增大了6.7%、14.3%、15.8%和17.1%。由此可知，當(dāng)L<2.5 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)增速隨著L的減小而逐漸減小。

綜上，工程中要合理地設(shè)計(jì)錨桿間距L，只有這樣才能既能保證邊坡穩(wěn)定，又能實(shí)現(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)性。

圖6所示為保持其他參數(shù)不變，通過改變錨桿傾角α得到的邊坡安全系數(shù)圖。由圖6可知，邊坡安全系數(shù)隨著α的增大表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。α取10°、15°、20°、25°和30°時(shí)得到的安全系數(shù)分別1.270、1.299、1.319、1.328和1.320。相比于α取10°，當(dāng)α取15°、20°、25°和30°時(shí)，邊坡安全系數(shù)依次增大了2.3%、3.9%、4.6%和3.9%。

綜上，隨著錨桿傾角α的增大，邊坡安全系數(shù)先增大，而當(dāng)α取25°時(shí)，邊坡安全系數(shù)到達(dá)峰值，之后隨著α增大，邊坡安全系數(shù)又減小。由此也說明在該工程中，α取25°時(shí)最為合理。

圖7所示為保持其他參數(shù)不變，通過改變邊坡平臺寬度b得到的邊坡安全系數(shù)圖。由圖7可知，邊坡安全系數(shù)隨著b的增大表現(xiàn)出逐漸增大。b取1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m和5.0 m時(shí)得到的邊坡安全系數(shù)分別1.180、1.272、1.319、1.364和1.388。相比于b取1.0 m，當(dāng)b取2.0 m、3.0 m、4.0 m和5.0 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)依次增大了7.8%、11.8%、15.6%和17.6%。

綜上，隨著邊坡平臺寬度b增大，邊坡安全系數(shù)逐漸增大。即b越大，對邊坡穩(wěn)定性越有利，這與工程認(rèn)知相符。

圖8所示為保持其他參數(shù)不變，通過改變土體粘聚力c得到的邊坡安全系數(shù)圖。由圖8可知，邊坡安全系數(shù)隨著c的增大表現(xiàn)出逐漸增大。c取10 kPa、15 kPa、21 kPa、25 kPa和30 kPa時(shí)得到的邊坡安全系數(shù)分別1.121、1.212、1.319、1.377和1.450。相比于c取10 kPa，當(dāng)c取15 kPa、21 kPa、25 kPa和30 kPa時(shí)，邊坡安全系數(shù)依次增大了8.1%、17.7%、22.8%和29.3%。

綜上，邊坡安全系數(shù)隨著土體粘聚力c增大基本呈線性增大。

圖9所示為保持其他參數(shù)不變，通過改變內(nèi)摩擦角φ得到的邊坡安全系數(shù)圖。由圖9可知，邊坡安全系數(shù)隨著φ的增大表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。φ取20°、25°、30°、35°和40°時(shí)得到的邊坡安全系數(shù)分別0.918、1.078、1.319、1.467和1.682。即相比于φ取20°，當(dāng)φ取25°、30°、35°和40°時(shí)，邊坡安全系數(shù)依次增大了17.4%、43.7%、59.8%和83.2%。

綜上可知，隨著內(nèi)摩擦角φ增大，邊坡安全系數(shù)基本成線性增大。

4 結(jié)語

（1）邊坡安全系數(shù)隨著錨桿間距L的減小而逐漸增大，但增速不同。但當(dāng)L<2.5 m時(shí)，隨著錨桿間距的減小，邊坡安全系數(shù)增速逐漸減小。

（2）邊坡安全系數(shù)隨著錨桿傾角α的增大先增大，直到α為25°時(shí)，邊坡安全系數(shù)到達(dá)峰值。之后隨著α增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小。

（3）邊坡安全系數(shù)隨著邊坡平臺寬度b的增大而逐漸增大。即b越大，對邊坡安全穩(wěn)定性越有利。

（4）邊坡安全系數(shù)隨著土體粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增大而增大，且均基本呈線性增大的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐湖北，蔣華春，黃 偉.錨桿支護(hù)方式對邊坡穩(wěn)定性的影響研究[J].公路工程，2012（1）：61-64.

[2]楊 梅，王武斌，張曉曦.折線形滑面邊坡穩(wěn)定性分析與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)研究[J].路基工程，2014（1）：76-79.

[3]王利軍.邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)加固設(shè)計(jì)、施工探討[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012（8）：1-9.

[4]周 勇，張 鶴，方嗣茂.框架預(yù)應(yīng)力錨桿分級支護(hù)邊坡的數(shù)值模擬研究[J].建筑科學(xué)，2013，29（5）：11-14.

[5]何立志.附加應(yīng)力法在錨桿支護(hù)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].江西建材，2015（21）：100，104.

[6]盛哲豪，盛兆龍.預(yù)應(yīng)力錨桿擋墻支護(hù)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2020，315（4）：60-62.

[7]周 勇，朱彥鵬.框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16（3）：376-382.

[8]許 容，劉慧明.錨固力學(xué)效應(yīng)對高邊坡穩(wěn)定性影響分析[J].黑龍江科技信息，2020（7）：95-96.

3329501908264