预应力锚杆加固高陡边坡的数值模拟

王海涛,张小浩,宋词,何永,金慧,吴跃东

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

预应力锚杆加固高陡边坡的数值模拟

王海涛,张小浩,宋词,何永,金慧,吴跃东

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

为了探讨预应力锚杆加固的高陡边坡在开挖支护过程中位移开展情况，运用MIDAS/GTS有限元软件， 对使用预应力锚杆加固的大连石门山高陡边坡工程进行数值模拟.首先研究了边坡开挖支护过程中，开挖面上各点的水平位移和坡顶地面的竖向沉降的开展情况，接着分析了锚杆不同预应力值条件下边坡的稳定和变形规律.研究表明：边坡在开挖支护过程中，坡面上各点的水平位移和坡顶地面的竖向沉降逐渐增大；预应力锚杆能够有效地限制边坡的水平位移和竖向沉降，但是当预应力超过界限值后，继续增大预应力值对位移改变的影响不太明显.

预应力锚杆;高陡边坡;边坡位移;数值模拟

0 引言

传统的边坡支护方法多采用刚性挡墙，比如重力式挡墙、悬臂式挡墙和扶壁式挡墙等，但是这些挡墙的断面尺寸大，笨重而不经济，且抗震性能差[1-2].针对采用传统方法支护边坡过程中存在的工期长、造价高以及传统的挡墙支护技术不适用于高陡边坡的问题，预应力锚杆支护法以其结构简单、经济效益好、施工方便等突出优点在深基坑与高边坡工程中得到广泛的应用[3-7].

预应力锚杆支护法的支护结构主要是由预应力锚杆、喷射混凝土面层和锚下承载结构三部分构成.近年来，国内外很多相关学者和工程技术人员对预应力锚杆的锚固机理进行了一系列的研究，取得了很多的研究成果.Hanson等人针对拉力型锚杆锚固段的力学行为进行了一定的研究[8]；Phillips通过对实验实测资料的分析研究，发现了剪应力沿锚杆锚固段长度呈指数函数分布的规律，并重新表述了拉力型锚杆与注浆体之间任一点的剪应力沿锚固段长度方向分布规律的计算公式[9]；周勇等结合圆弧滑动条分法和网格法的原理，建立了框架预应力锚杆支护结构应用于黄土地区使用时，边坡内部整体稳定性的计算模型[10]；韩爱民等结合实际工程，进行变换参数值的模拟试验，研究了预应力锚杆框架梁在张拉过程和稳定工作两个不同阶段的力学特性[11]；郑卫峰等采用拉格朗日差分法，运用数值模拟的手段，研究了预应力锚杆参数改变对拉拔力的影响[12].

虽然国内外很多学者已经从预应力锚杆锚固段的力学机理、影响锚杆承载力的因素以及设计参数的选择等方面做了大量的研究工作，但是有关预应力锚杆加固高陡边坡过程中，边坡位移的开展情况仍需要进一步完善.因此本文以使用预应力锚杆加固的大连石门山高陡边坡工程为背景，对预应力锚杆加固高陡边坡的开挖支护过程进行数值模拟分析，研究了边坡开挖支护过程中，坡面水平位移和坡顶处竖向沉降的开展情况，以期为该技术的应用和推广提供一定的依据和参考.

1 工程概况

大连石门山边坡工程位于大连市沙河口区绿清园东北侧，石门山东侧坡麓，边坡属因建筑施工人工削方后形成的高陡岩质边坡，地形地貌条件简单，地势南高北低，呈“S”形分布.边坡长448m，现状坡高1～20 m，规划边坡高4～22 m，坡顶为绿清园3栋6层居民楼，坡下为即将新建的18栋4～18层居民楼.边坡地质构造条件主要有：Ed-Eg段，边坡坡度为60°～75°，组成坡体岩性主要为中风化石英岩夹板岩；Eg-El段，边坡坡度为42°～56°，组成坡体岩性主要为碎石土和强、中风化石英岩夹板岩；边坡概况如图1所示.

图1 大连石门山边坡工程平面分布图

2 支护方案的确定

根据场区所提供的勘察报告以及周边地下管网设施等综合情况，并考虑工程周期、造价等因素，本边坡支护方案最终定为：预应力锚杆+全长粘结性锚杆+挂网喷射混凝土.其中预应力锚杆竖向间距和水平间距均为2 m，锚杆在坡面上主要以梅花形布置.锚索采用高强低松弛型钢绞线，设计强度为1 320 MPa，钢绞线直径为15.2 mm，锚索设计倾角为15°.挂网喷射混凝土采用内置双层双向钢筋网，钢筋网采用φ8@200×200，混凝土的强度等级为C25，厚度为150 mm.锚下承载结构选用钢筋混凝土垫墩，配筋符合规范要求.

3 数值模拟分析

3.1数值模型及参数

本节以大连石门山边坡工程9-9剖面图为例，运用MIDAS /GTS有限元软件，对边坡的开挖支护过程进行数值模拟，具体的边坡支护方案剖面图如图2所示.坡体以碎石土和强、中风化石英岩夹板岩为主， 坡面节理裂隙发育， 地质条件较差，岩土参数如表1所示.为保证计算的精确和高效，严格的按照图2中边坡的高度、支护间距、锚杆长度、土层信息来完成建模.从图中可知，边坡的高度为20 m，每竖向间隔2 m设置一排预应力锚杆，最后一排为全长粘结性锚杆.另外，沿剖面横向取20 m宽，坡顶超载取20 kPa，预应力为280kN.本构模型采用M-C模型.

图2 边坡支护剖面图(mm)

表1 岩土参数

计算模型的边界条件为：在模型的左右两侧约束X方向的位移，在底部约束X、Z两个方向的位移，在前后两侧约束Y方向的位移.

网格的划分：岩土层大部分采用8节点实体单元，对不适用8节点单元的部分，采用自动网格划分法，单元长度为1 m；预应力锚杆的锚固段和全长粘结性锚杆采用梁单元，预应力锚杆的自由段采用桁架单元.图3为边坡整体模型图，图4为预应力锚杆图.

图3 边坡整体模型图

图4 预应力锚杆图

3.2数值模拟过程

本边坡工程采用边开挖边支护的施工方法，边坡模型在MIDAS /GTS软件中定义“施工阶段”来实现对整个施工过程的模拟.

(1)初始应力分析：将全部土层信息、边界支撑及自重拖入“激活”表栏里，勾选“位移清零”，由于土体自重，形成初始应力.

(2)第1步：开挖深度2 m，“钝化”第一层土体单元，并“激活”坡顶超载，记作step1.

(3)第2步：开挖至4 m，“钝化”第二层土体单元，并“激活”第一排预应力锚杆的自由段、锚固段与预应力，记作step2.

(4)第3步：开挖至6 m，“钝化”第三层土体单元，并“激活”第二排预应力锚杆的自由段、锚固段与预应力，记作step3.

(5)依此类推逐层开挖，第9步工作完成后，进行第10步，开挖深度从18～20 m，“钝化”第十层开挖土体单元，并“激活”最后一排全长粘结性锚杆的锚固段，记作step10.开挖过程示意图如图5所示.

图5 边坡开挖过程示意图(m)

3.3数值模拟结果分析

图6为每步开挖完毕后边坡坡面各点的水平位移分布图.从图中可以看出，边坡水平位移呈曲线分布，位移最大值出现在坡顶处，并沿坡面向下逐渐减小；随着支护工作的进行，坡面水平位移增量逐渐减小，坡面逐渐趋于稳定.

图6 每步开挖完成后边坡开挖面各点的水平位移

图7为每步开挖完毕后坡顶的竖向沉降分布图.从图中可以看出，随着边坡的开挖，坡顶地面的竖向沉降逐渐增大，但是增加缓慢，说明竖向沉降受锚杆预应力的影响较小；而坡顶的竖向沉降最大值出现在坡肩位置，并随着距坡肩距离的增加而减小.分析可知，导致坡顶产生沉降主要有两个因素：一方面是施加在坡顶处的地面超载引起了地面沉降的产生；另一方面，随着边坡的开挖，坡体原有结构形态发生破坏，应力得到释放，坡体沿滑裂面向坡面外侧滑动，导致地面出现一定的沉降.

图7 边坡坡顶的沉降曲线

4 锚杆预应力对边坡稳定性的影响

在预应力锚杆支护法中，预应力值的大小对边坡的变形和稳定有显著的影响.预应力锚杆能够限制边坡的位移，约束岩土体的滑动，对边坡的稳定十分有利.本文采用MIDAS/GTS有限元软件，选择合理的本构模型，对预应力锚杆加固的大连石门山高陡边坡工程进行数值模拟，分别研究了150、200、250、300 kN四种不同预应力条件下，边坡的位移变化情况，得出了锚杆预应力值改变对边坡稳定性的影响规律.

4.1对坡面水平变形的影响

图8为不同预应力值下边坡坡面水平位移分布图.从图中可以看出，预应力值越大，坡面水平位移就越小.当施加的预应力值为150 kN时，坡面各点的最大水平位移值为27 mm；当预应力值逐渐增大到250 kN时，最大的水平位移值减小至20 mm，减小幅度较大；但是当预应力值进一步增大到300 kN时，最大的水平位移值减小至18mm，减幅仅为2 mm，水平位移的变化不太明显.上述情况表明，在一定范围内，锚杆预应力在限制坡体水平位移方面效果显著，超过界限值后，其作用效果不再明显，但此时边坡的水平位移已经比较小了，能够满足工程要求.

图8 不同预应力值下边坡坡面的水平位移

4.2对坡顶竖向沉降的影响

图9为不同预应力值下边坡坡顶处竖向位移分布图.从图中可以看出，预应力值越大，坡顶地面处各点的竖向位移就越小.当预应力值小于250 kN时，坡顶最大竖向位移的减小幅度约为3mm，预应力对减小坡顶处各点的沉降作用较为明显；但是当预应力值增加到300 kN时，坡顶各点的竖向沉降基本没有发生变化.模拟结果表明，在一定取值范围内，预应力越大，边坡坡顶各点的竖向沉降就越小，但是其变化范围相对较小.

图9 不同预应力值下边坡坡顶处竖向位移

5 结论

本文结合预应力锚杆加固的大连石门山高陡边坡工程，采用MIDAS /GTS有限元软件，对边坡的开挖支护过程进行了数值模拟研究，分析了边坡开挖支护过程中开挖面的水平位移和坡顶竖向沉降的开展情况，得出了以下结论：

(1)随着边坡开挖工作的进行，坡面各点的水平位移和坡顶地面处的竖向沉降逐渐增加，而随着预应力锚杆的及时支护，又有效地限制了边坡位移的进一步扩展，在预应力锚杆的锚固作用下，边坡逐渐趋于稳定;

(2)锚杆预应力值的大小对边坡坡面上各点水平位移改变的影响很大，随着锚杆预应力值的增加，坡面水平位移逐渐减小，但是当预应力超过界限值后，其限制作用就不再明显了;

(3)边坡支护过程中，随着锚杆预应力值的增加，边坡坡顶地面各点的竖向沉降量逐渐减小，但是沉降量的变化幅度较小，说明预应力值的增加对坡顶处竖向沉降的变化影响较小，其主要的影响因素为坡顶超载.

从本文针对边坡开挖支护过程的数值模拟可知，预应力锚杆在加固高陡边坡时能发挥很大的作用，其对边坡位移的限制作用十分明显，因此在高陡边坡和严格控制变形的基坑和边坡工程中使用预应力锚杆十分有利，值得推广，但是增加现场实测以获取更多的数据来验证其加固效果也是很有必要的.

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[3]朱彦鹏，王立文.边坡分级柔性支护数值模拟研究[J].建筑科学与工程学报，2012,29(4):25-31.

[4]宋词.预应力锚杆加固高陡边坡的数值模拟与现场实测分析[D].大连:大连交通大学，2016.

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[6]郑筱彦.预应力锚索对岩质边坡加固效应的数值模拟[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2011,39(7):118-122.

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NumericalSimulationofMechanicalBehaviorofPrestressedAnchorReinforcementofHighandSteepSlope

WANG Haitao, ZHANG Xiaohao, SONG Ci, HE Yong, JIN Hui, WU Yuedong

(School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Taking the high and steep slope engineering of Shimen mountain in Dalian as background, numerical simulation analysis of the excavation and support process of the prestressed anchor-reinforced slope is carried out by MIDAS/GTS finite element software. Firstly, the horizontal displacement of the excavation face, the vertical settlement of the top of the slope and the development of the plastic zone are studied. Then the stability and deformation of the slope under different prestressing forces are analyzed. The results show that with the increase of excavation progress, both of the horizontal displacement and vertical settlement increase gradually. Prestressed anchor can effectively limit the horizontal displacement and vertical settlement of the slope. However, its effect is no longer obvious with the prestress increasing when the prestress exceeds a certain value. The study on the stability of high and steep slope reinforced by prestressed anchor provides some reference for the application and popularization of this technology.

prestressed anchor; high and steep slop; slope displacement; numerical simulation

1673- 9590(2017)06- 0098- 05

2017- 02-23

国家自然科学基金资助项目(51208073)；辽宁省博士启动基金资助项目(20121061)，辽宁省"百千万人才工程"人才资助项目(2014921061)；辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助项目(LJQ2014049)；大连市高层次人才创新支持计划项目(2015R073)

王海涛(1982-)，副教授，博士，主要从事岩土与地下结构工程的研究

E-mailwht@djtu.edu.cn.

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